(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(La glucólisis y las fermentaciones)(Introducción)(Generalidades de la glucólisis)(Historia del estudio de la glucólisis)(Moléculas involucradas en la glucólisis)(Etapa preparatoria de la glucólisis)(Etapa de recompensa de la glucólisis)(Cálculos energéticos de la glucólisis)(Regulación de la glucólisis)(Fermentación láctica)(Fermentación alcohólica)(Referencias bibliográficas)(Versión documento word)
Las sustancias de inicio para la glucólisis son los
carbohidratos, por lo que iniciaremos la discusión en ese punto.
Seamos sinceros, los carbohidratos por lo general son vistos
como algo ciertamente aburrido cuando estudias por primeras vez bioquímica o
biología celular. Esto no es solo la impresión de un mero estudiante, por años
el estudio de los carbohidratos fue el tema menos emocionante de la bioquímica.
Aunque los carbohidratos eran reconocidos como elementos importantes a nivel
estructural, se los consideraba elementos periféricos de importancia secundaria
al interior de la célula, “aun cuando el esqueleto de los ácidos nucleicos es
fundamentalmente un carbohidrato”. En esencia eran considerados o vigas de
unión, o combustible instantáneo para una pieza magnifica de alguna estructura
bioquímica.
Hemos aprendido que, las células se encuentran recubiertas
por una densa cota de carbohidratos complejos. Las proteínas segregadas poseen
un decorado extenso de carbohidratos que afectan y de hecho son esenciales para
llevar a cabo sus funciones. La matriz extracelular de los eucariotas
multicelulares es rica en carbohidratos disueltos, segregados por los tejidos o
por los sistemas de transporte de sustancias, siendo vitales para la
comunicación entre las células o para la supervivencia de las mismas. Los
carbohidratos son cruciales para el desarrollo de las funciones de todos los
seres vivos, no solo como fuentes de energía, sino como moléculas
estructurales, e incluso como elementos estructurales que contienen información
biológica.
Siendo que la función de una proteína depende de su forma, y
que los carbohidratos al estar en la parte externa de la proteína alteran su
forma, sirven como marcadores para la identificación molecular. De hecho, los
tipos de sangre, como el sistema AB0 dependen del reconocimiento de algunos
carbohidratos específicos en las proteínas de membrana. Muchos patógenos
utilizan el reconocimiento de algunos carbohidratos como puertas de entrada a
las células. Por lo tanto, más que meros componentes estructurales secundarios,
los carbohidratos proveen detalles vitales y una ampliación de la versatilidad
morfológica a las proteínas. La cualidad más importante que le permite a estas
moléculas tener una variedad de funciones es la variedad estructural que pueden
poseer. Este impacto en la función proteínica implica un almacenamiento de
información, el cual puede variar con el tiempo, lo cual ha abierto el campo de
estudio llamado glicómica. ¿Cómo se almacena la información hereditaria de un
carbohidrato? ¿Es genética o epigenética?, estas y otras preguntas serán
asumidas en el presente capítulo.
Los carbohidratos se definen primariamente como polihidroxi
aldehídos o cetonas; o sustancias que al hidrolizarse forman polihidroxi
aldehídos o cetonas. Un detalle importante, es que muchos carbohidratos se presentan
generalmente en forma cíclica como hemiacetales. Generalmente los carbohidratos
se clasifican por su posible hidrolización a formas más simples. En ese orden
de ideas serán monosacáridos aquellos que no pueden ser hidrolizados, serán
disacáridos aquellos que al hidrolizarse generan dos monosacáridos y así
sucesivamente. Oligosacáridos son aquellas cadenas de entre 10-20 monosacáridos
y polisacáridos, aquellos que contienen una larga cadena de monosacáridos. Sín
embargo, nos enfocaremos específicamente en algunos aspectos de la química de
los monosacáridos, dado que, muchos azucares de importancia estructural y
biológica son monosacáridos, tales como la ribosa o la desoxirribosa.
Uno de los detalles de la glucosa es que puede ser representada de diversas fórmulas estructurales, cada una con un diferente grado de especificidad, la cual da cuenta de diferencias en sus propiedades bioquímicas.
Figura 7. Fórmulas estructurales de
la glucosa.
La fórmula estructural de cadena lineal (Figura 7A)
puede explicar algunas de las propiedades de la glucosa, pero una estructura
cíclica (un hemiacetal formado por reacción entre el grupo aldehído y un grupo
hidroxilo) es termodinámicamente favorecida y explica otros Propiedades. La
estructura cíclica se dibuja normalmente como se muestra en la (Figura 7B),
sin embargo, dado que los hidrógenos generalmente pueden omitirse como los
carbonos, la forma (Figura 7C)
es más práctica en muchas situaciones donde no hay tiempo para escribir
detalles innecesarios. La proyección Haworth, en la que la molécula se ve desde
el lado y por encima del plano del anillo; Los enlaces más cercanos al
espectador son negrita y espesada, y los grupos hidroxilo están por encima o
por debajo del plano del anillo. El anillo de seis miembros que contiene un
átomo de oxígeno está en realidad en forma de silla (Figura 7D).
La glucosa, con cuatro átomos de carbono asimétricos, puede
formar 16 isómeros. Los tipos más importantes de isomerismo encontrados con la
glucosa son los siguientes:
La designación de un isómero de azúcar como forma D o de su imagen especular como la forma L se determina por su relación espacial con el compuesto parental de los carbohidratos, el azúcar glicerosa (gliceraldehído) de tres carbonos. Las formas L y D de este azúcar, y de la glucosa, se muestran en la imagen siguiente. La orientación de los grupos -H y -OH alrededor del átomo de carbono adyacente al carbono del alcohol primario terminal (carbono 5 en la glucosa) determina si el azúcar pertenece a la serie D o L. Cuando el grupo -OH de este carbono está a la derecha (como se ve en la Figura 8E2 y Figura 8F2), el azúcar es el isómero D; Cuando está a la izquierda, es el L isómero (Figuras Figura 8E1 y Figura 8F1).
Figura 8. Isómeros D/L.
Figura 9. Estructuras con base en
el pirano y en el furano.
La mayoría de los monosacáridos que ocurren en los mamíferos
son D-azúcares, y las enzimas responsables de su metabolismo son específicas
para esta configuración. La presencia de átomos de carbono asimétricos también
confiere actividad óptica al compuesto. Cuando un haz de luz polarizada plana
pasa a través de una solución de un isómero óptico, gira a la derecha,
dextrógiro (+), o a la izquierda, levógiro (-). La dirección de rotación de la
luz polarizada es independiente de la estereoquímica del azúcar, por lo que se
puede designar D(-), D(+), L(-) o L(+). Por ejemplo, la forma natural de
fructosa es el isómero d (-). En la solución, la glucosa es D, y las soluciones
de la glucosa se conocen a veces como dextrosa.
Las estructuras en anillo de los monosacáridos son similares
a las estructuras en anillo del pirano (un anillo de seis miembros) o furano
(un anillo de cinco miembros). Para la glucosa en solución, más del 99% está en
forma de piranosa (Figura 9).
La estructura de anillo de una aldosa es un hemiacetal,
puesto que se forma por combinación de un aldehído y un grupo alcohol. De forma
similar, la estructura de anillo de una cetosa es un hemicetal. La glucosa
cristalina es α-D-glucopiranosa. La estructura cíclica se retiene en
disolución, pero se produce isomerismo alrededor de la posición 1, el carbonilo
o átomo de carbono anomérico, para dar una mezcla de α-glucopiranosa (38%) y
β-glucopiranosa (62%). Menos del 0,3% está representado por anómeros α y β de
glucofuranosa.
El ácido pirúvico (CH3COCOOH) es el más simple de
los alfa-cetoácidos, con un ácido carboxílico y un grupo funcional cetona. El
piruvato, la base conjugada, CH3COCOO-, es un intermedio clave en
varias vías metabólicas. El ácido pirúvico puede ser hecho de glucosa a través
de glucólisis, convertido de nuevo a carbohidratos (tales como glucosa) a
través de la gluconeogénesis, o ácidos grasos a través de una reacción con
acetil-CoA. También se puede utilizar para construir el aminoácido alanina y
puede convertirse en etanol o ácido láctico a través de la fermentación. El
ácido pirúvico suministra energía a las células a través del ciclo del ácido
cítrico (también conocido como ciclo de Krebs) cuando el oxígeno está presente
(respiración aeróbica), y fermenta alternativamente para producir lactato
cuando falta oxígeno (fermentación).
El ácido pirúvico
es un ácido orgánico débil que existe en un estado de equilibrio entre la forma
protonada (CH3
COCOOH) y la forma desprotonada
(CH3COCOO-). La forma protonada recibe el nombre de
ácido pirúvico y la desprotonada de piruvato.
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Sin embargo, en el
estudio básico del metabolismo ambas formas pueden ser empleadas
intercambiablemente, así como sus nombres.
El piruvato es un compuesto químico importante en la
bioquímica. Es la salida del metabolismo de la glucosa conocida como
glicólisis. Una molécula de glucosa se divide en dos moléculas de piruvato, que
luego se utilizan para proporcionar más energía, de una de dos maneras. El
piruvato se convierte en acetil-coenzima A, que es el principal insumo para una
serie de reacciones conocidas como ciclo de Krebs (también conocido como ciclo
de ácido cítrico o ciclo de ácido tricarboxílico). El piruvato también se
convierte en oxaloacetato por una reacción anaplerótica, que repone los
intermedios del ciclo de Krebs; También, el oxaloacetato se utiliza para la
gluconeogénesis. Estas reacciones reciben el nombre de Hans Adolf Krebs, bioquímico
galardonado con el Premio Nobel de Fisiología de 1953, junto con Fritz Lipmann,
por la investigación de los procesos metabólicos. El ciclo también se conoce
como ciclo de ácido cítrico o ciclo de ácido tricarboxílico, porque el ácido
cítrico es uno de los compuestos intermedios formados durante las reacciones.
Si no hay suficiente oxígeno, el ácido se descompone
anaerobiamente, creando lactato en animales y etanol en plantas y
microorganismos. El piruvato de la glicólisis se convierte por fermentación en
lactato usando la enzima lactato deshidrogenasa y la coenzima NADH en la
fermentación de lactato, o al acetaldehído (con la enzima piruvato
descarboxilasa) y luego al etanol en fermentación alcohólica. El piruvato es
una intersección clave en la red de vías metabólicas. El piruvato puede
convertirse en hidratos de carbono a través de la gluconeogénesis, a ácidos
grasos o energía a través de acetil-CoA, al aminoácido alanina y al etanol. Por
lo tanto, une varios procesos metabólicos clave.
(A veces llamado el éster de Robison) es un azúcar de
glucosa fosforilado sobre el carbono 6. Este es un compuesto que es muy común
en las células ya que la gran mayoría de la glucosa que entra en una célula se
fosforilará de esta manera.
Debido a su posición prominente en la química celular, la
glucosa 6-fosfato tiene muchos destinos posibles dentro de la célula. Se
encuentra en el inicio de dos grandes vías metabólicas: la glucólisis y la vía
de la pentosa fosfato. Además de estas dos vías metabólicas, la glucosa
6-fosfato también puede convertirse en glucógeno o almidón para el
almacenamiento. Este almacenamiento está en el hígado y los músculos en forma
de glucógeno para la mayoría de los animales multicelulares, y en el almidón
intracelular o gránulos de glucógeno para la mayoría de los otros organismos.
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La glucosa-6-fosfato reemplaza un protón del grupo hidróxido por un
grupo fosfato, creando un ion orgánico de dos cargas negativas.
Si los niveles de
glucosa en la sangre son altos, el cuerpo necesita una forma de almacenar el
exceso de glucosa. Después de convertirse a G6P, la molécula puede convertirse
en glucosa-1-fosfato por fosfoglucomutasa. El glucosa-1-fosfato puede
combinarse con uridina trifosfato (UTP) para formar UDP-glucosa, impulsado por
la hidrólisis de UTP, liberando fosfato. Ahora, la UDP-glucosa activada puede
agregar a una molécula de glucógeno en crecimiento con la ayuda de glucógeno
sintasa. Este es un mecanismo de almacenamiento muy eficiente para la glucosa
ya que cuesta al organismo sólo 1 ATP almacenar la molécula de glucosa 1 y
virtualmente ninguna energía para eliminarla del almacenamiento. Es importante
señalar que la glucosa-6-fosfato es un activador alostérico de glucógeno
sintasa, lo que tiene sentido porque cuando el nivel de glucosa es alto el
cuerpo debe almacenar el exceso de glucosa como glucógeno. Por otra parte, la
glucógeno sintasa es inhibida cuando es fosforilada por la proteína quinasa
durante tiempos de alto estrés o bajos niveles de glucosa en la sangre, a
través de la inducción hormonal por glucagón o adrenalina.
Cuando el cuerpo
necesita glucosa para obtener energía, la glucógeno fosforilasa, con la ayuda
de un ortofosfato, puede separar una molécula de la cadena del glucógeno. La
molécula escindida está en forma de glucosa-1-fosfato, que puede convertirse en
G6P por fosfoglucomutasa. A continuación, el grupo fosforilo en G6P puede
escindirse por glucosa-6-fosfatasa de modo que se puede formar una glucosa
libre. Esta glucosa libre puede pasar a través de las membranas y puede entrar
en el torrente sanguíneo para viajar a otros lugares del cuerpo.
La fructosa 6-fosfato (a veces llamada éster Neuberg) es un
azúcar fructosa fosforilado sobre carbono 6 (es decir, es un fructosulfato). La
forma β-D de este compuesto es muy común en las células. La gran mayoría de la
glucosa y la fructosa que entran en una célula se convierten a esto en algún
momento. El nombre de ester de Neuberg proviene del bioquímico alemán Carl
Neuberg.
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Fructosa-6-fosfato.
También conocido como éster Harden-Young, es un azúcar de fructosa fosforilado sobre los carbonos 1 y 6. La forma β-D de este compuesto es muy común en las células. La gran mayoría de la glucosa y la fructosa que entran en una célula se convierten en fructosa 1,6-bisfosfato en algún momento.
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Fructosa-1,6-bifosfato.
El fosfato de dihidroxiacetona (DHF, también fosfato de
glicerona en textos antiguos) es un compuesto bioquímico implicado en muchas
vías metabólicas, incluyendo el ciclo de Calvin en plantas y glicólisis. El
gliceraldehído-3-fosfato, también conocido como fosfato de triosa o
3-fosfogliceraldehido y abreviado como G3F, GA3F, GADF, GAF, TF, GALF o FGAL,
es un compuesto químico que se presenta como un intermediario en varias vías
metabólicas centrales de todos los organismos. Es un éster de fosfato del
azúcar gliceraldehído de 3 carbonos y tiene la fórmula química C3H7O6P.
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Fosfato de dihidroxiacetona DHF.
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Gliceraldehído-3-fosfato G3F.
El ácido
1,3-bisfosfoglicérico (1,3-bisfosfoglicerato o 1,3BFG) es una molécula orgánica
de 3 carbonos presente en la mayoría de los organismos vivos, si no en todos.
Primariamente existe como un
intermedio metabólico tanto en la glicólisis durante la respiración como en el
ciclo de Calvin durante la fotosíntesis. 1,3BFG es una etapa de transición
entre el glicerato 3-fosfato y el gliceraldehído 3-fosfato durante la fijación /
reducción de CO2. 1,3BFG es también un precursor del 2,3-bisfosfoglicerato que
a su vez es un intermedio de reacción en la vía glicolítica.
El ácido 3-fosfoglicérico
(3FG), o glicerato 3-fosfato (GF), es una molécula bioquímicamente
significativa de 3 carbonos que es un intermedio metabólico tanto en la
glicólisis como en el ciclo de Calvin. Este producto químico se denomina a
menudo FGA cuando se refiere al ciclo de Calvin. En el ciclo de Calvin, el
3-fosfoglicerato es el producto de la separación espontánea de un intermedio
inestable de 6 carbonos formado por fijación de CO2. De este modo, se producen
dos moléculas de 3-fosfoglicerato para cada molécula de CO2 fijada.
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3-fosfoglicerato 3FG.
12
1,3-bifosfoglicerato 1,3-BFG.
El ácido 2-fosfoglicérico
(2FG), o 2-fosfoglicerato, es un ácido glicérico que sirve como sustrato en la
novena etapa de glucólisis. Se cataliza por enolasa en fosfoenolpiruvato (FEP),
la penúltima etapa en la conversión de glucosa en piruvato. El ácido
fosfoenolpiruvico (FEP), o fosfoenolpiruvato (2-fosfoenolpiruvato) como anión,
es un compuesto químico importante en la bioquímica. Tiene el enlace de fosfato
de mayor energía encontrado (-61.9 kJ / mol) en organismos vivos, y está
involucrado en la glucólisis y la gluconeogénesis. En las plantas, también
participa en la biosíntesis de diversos compuestos aromáticos, y en la fijación
de carbono; En bacterias, también se utiliza como fuente de energía para el
sistema de fosfotransferasa.
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2-fosfoglicerato
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2-fosfoenolpiruvato
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