miércoles, 30 de junio de 2021

Etapa preparatoria de la glucólisis

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Ahora comenzamos nuestra consideración de la vía glucolítica. Esta vía es común a prácticamente todas las células, tanto procariotas como eucariotas. En las células eucariotas, la glucólisis tiene lugar en el citoplasma. Se puede pensar que esta vía comprende dos etapas.

La etapa 1 es la fase de captura y preparación. Los primeros cinco pasos se consideran la fase preparatoria (o de inversión), ya que consumen energía para convertir la glucosa en dos fosfatos de azúcar de tres carbonos. No se genera ATP en esta etapa.

En la etapa 1, la glucosa se convierte en 1,6-bisfosfato de fructosa en tres pasos: una fosforilación, una isomerización y una segunda reacción de fosforilación. La estrategia de estos pasos iniciales en la glucólisis es atrapar la glucosa en la célula y formar un compuesto que se puede dividir fácilmente en unidades fosforiladas de tres carbonos. La etapa 1 se completa con la escisión del fructosa 1,6-bisfosfato en dos fragmentos de tres carbonos. Estas unidades de tres carbonos resultantes son fácilmente interconvertibles. En la etapa 2, el ATP se cosecha cuando los fragmentos de tres carbonos se oxidan a piruvato.

La molécula de glucosa es un azúcar de tipo hemiacetal, es decir es un anillo cíclico de 6 carbonos, aunque más exactamente el anillo lo forman 5 carbonos y un oxígeno, mientras que el sexto carbono queda como una antenita fuera del anillo. La energía de la glucosa se encuentra almacenada en sus enlaces carbono-carbono mientras que los oxígenos de sus grupos hidroxilo le permiten permanecer disuelta e el agua, en la sangre o en la matriz extracelular.

Figura 10. La glucosa "verde" es una molécula muy grande y no atraviesa la membrana con facilidad, por lo que requiere de proteínas que realicen un transporte facilitado para su ingreso a la célula.

En cualquier caso, el primer problema que encuentra la célula es hacer que ingrese, la molécula de glucosa es demasiado grande para que atraviese la membrana por transporte pasivo, o porque se requiere de proteínas que translocan la glucosa del medio externo al medio interno. E los humanos esta función es llevada por GLUT-4, pero cada célula puede tener su propio o propios transportadores diferentes. Una vez en el citoplasma celular, la glucosa puede ser anabilizada a polisacáridos o catabolizada para obtener energía.

También conocido como primera fosforilación, esta reacción es catalizada por la enzima exoquinasa con ayuda de un ion de magnesio.  En términos de la analogía de la colina, aunque el nivel energético de la glucosa es alto, no es lo suficientemente alto para desencadenar la caída que requerimos, la fosforilación es una reacción de ingreso de energía para llevar a la glucosa a un punto energético mayor.

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La hexoquinasa es una enzima específica pero no tanto, puede catalizar la misma reacción con otros carbohidratos de 6 carbonos empleando también magnesio y ATP. El punto de esta reacción inicial recae en dos aspectos, el primero es incrementar la energía de la molécula lo cual acelera su reactividad posterior, y la segunda es ahorrar espacio. Los transportadores de glucosa dependen de las concentraciones interna y externa, si se almacena mucha glucosa, el flujo tiende a detenerse, pero al convertir la glucosa en glucosa-6-fosfato la célula puede seguir ingresando más glucosa desde el exterior.

El segundo paso de la glucólisis consiste en una isomerización, es decir la transformación de la molécula de glucosa-6-fosfato en otra molécula cuya característica es la simetría potencial para el siguiente paso.

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El paso consiste es una isomerización, es decir transformar la molécula estructuralmente conservando la misma cantidad de átomos, de esta manera se obtiene una molécula de fructosa-6-fosfato. Más aun en términos de la analogía de la colina, a pesar de que la conversión no es espontanea de por sí, cuando esta acoplada a la primera reacción, esta se hace espontanea, lo que la convierte en una reacción de “cuesta abajo”.

El tercer paso de la glucólisis se caracteriza por realizar una reacción de fosforilación en la “colita” formada por la fosfohexanosa isomerasa, en cierto sentido es la misma reacción que ocurrió en el paso 1, con un sacrificio de energía en forma de un grupo fosfato. La proteína involucrada en este paso se denomina Fosfofructoquinasa la cual sufre de tremendas restricciones y controles por parte de la célula. Antes de este punto la glucosa activada e isomerizada puede ingresar a otras rutas metabólicas catabólicas o anabólicas, pero después de esta reacción solo queda una ruta cuesta abajo y es la lisis de la molécula de 6 carbonos.

Otro aspecto que hace a esta reacción un punto clave es que su energía libre es muy negativa y la hace altamente irreversible, esto implica que una vez liberada, la enzima hace que la reacción produzca una gran cantidad de producto consumiendo toda la fructosa-6-fopsfato disponible en ese momento. En términos de la analogía de la colina esta reacción es una inversión de energía hacia un punto extremadamente inestable, esta inestabilidad hará que la molécula tienda a la ruptura en próximas reacciones.

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Esta reacción se caracteriza por un rompimiento mediado por la enzima aldolasa. La energía libre estándar de esta reacción es muy positiva, lo que hace que en condiciones normales nunca se dé hacia el rompimiento. Sin embargo, en las condiciones celulares planteadas por las reacciones previas hay dos fenómenos conjugados que permiten su realización como una reacción reversible que tiende a generar el rompimiento y no la síntesis.

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La razón por la cual en los dos primeros pasos se adiciona tanta energía es para hacer que la molécula se haga muy inestable, y del mismo modo, al haber dos reacciones irreversibles que acumulan grandes cantidades de fructosa-6-fosfato las condiciones del equilibrio fuerzan la reacción hacia los productos del rompimiento. En segunda instancia las dos moléculas de 3 carbonos producidas son rápidamente empleadas en reacciones subsecuentes, por lo que nunca se plantea realmente un equilibrio químico. De esta manera el producto del acoplamiento de las tres reacciones previas permiten que la reacción siga siendo espontanea hacia los productos.

Las reacciones de obtención de energía de la glucosa se basan en un mismo sustrato, es decir, cuando la molécula de 6C se parte en 2 de 3C, las reacciones subsecuentes son las mismas, por esta razón en algunos esquemas de la glucólisis se ve un punto de bifurcación.

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Sin embargo, las dos moléculas obtenidas en el paso 4 no son las mismas, por lo que se requiere un paso intermedio de isomerización, es decir de convertir ambas moléculas en la misma especie química. Las dos moléculas son dihidroxiacetona y gliceraldehído-3-fosfato, de ambas solo la última puede seguir las demás reacciones de la glucólisis, mientras que la primera debe isomerizarse a gliceraldehído-3-fosfato para seguir la ruta metabólica. La reacción es catalizada por la enzima triosa fosfato isomerasa.

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