miniatura|600px|Esquema xeral da glicólise. A glicólise (do grego glycos, azucre e lysis, rotura), é a vía metabólica encargada de converter a glicosa en piruvato para obter enerxía para a célula. Consta de 10 reaccións encimáticas consecutivas que converten a glicosa en dúas moléculas de piruvato, o cal pode seguir outras vías metabólicas nas que cederá enerxía á célula.
O tipo de glicólise máis común e máis coñecida é a vía de Embden-Meyerhof, explicada inicialmente por Gustav Embden e Otto Fritz Meyerhof . O termo pode incluír outras vías alternativas, como a vía de Entner-Doudoroff. Porén, glicólise úsase con grande frecuencia como sinónimo de vía de Embden-Meyerhof. É a vía inicial do catabolismo (degradación) de carbohidratos.
Durante a glicólise obtense un rendemento neto de dúas moléculas de ATP e dúas de NADH; o ATP pode usarse como fonte de enerxía para realizar traballo metabólico, mentres que o NADH pode ter diferentes destinos. Pode usarse como fonte de poder redutor en reaccións anabólicas; se hai osíxeno, pode oxidarse na cadea respiratoria, obténdose tres ATP por cada NADH; se non hai osíxeno, úsase para reducir o piruvato a lactato (fermentación láctica), ou a CO2 e etanol (fermentación alcohólica), sen obtención adicional de enerxía.
As funcións da glicólise son: Xeración de moléculas de alta enerxía (ATP e NADH) como fonte de enerxía celular en procesos de respiración aeróbica (presenza de osíxeno) e fermentación (ausencia de osíxeno). Xeración de piruvato que pasará ao ciclo de Krebs, como parte da respiración aeróbica. Produción de intermediarios de 6 e 3 carbonos que poden ser utilizados noutros procesos celulares.
En eucariotas e procariotas, a glicólise ocorre no citosol da célula. En células vexetais, algunhas das reaccións glicolíticas danse tamén no ciclo de Calvin, que ocorre dentro dos cloroplastos. A ampla conservación evolutiva desta vía inclúe os organismos filoxeneticamente máis antigos, e por isto considérase unha das vías metabólicas máis antigas.Romano AH & Conway T. Evolution of carbohydrate metabolic pathways. Res Microbiol. 147(6-7):448-55 (1996) PMID 9084754
Descubrimento
Os primeiros estudos informais dos procesos glicolíticos foron iniciados en 1860, cando Louis Pasteur descubriu que os microorganismos son os responsables da fermentación,Papers de Pasteur e en 1897 cando Eduard Buchner encontrou que certos extractos celulares podían realizar fermentacións. A seguinte grande contribución foi de Arthur Harden e William Young en 1905, que determinaron que para que a fermentación teña lugar son necesarias unha fracción celular de masa molecular elevada e termosensible (encimas) e unha fracción citoplasmática de baixa masa molecular e termorresistente (ATP, ADP, NAD+ e outros cofactores). Os detalles da vía determináronse en 1940, cos traballos de Otto Fritz Meyerhof e algúns anos despois por Luis Leloir. As maiores dificultades en determinar o intricado da vía foron a curta vida e as baixas concentracións dos intermediarios nas rápidas reaccións glicolíticas.
Visión xeral
A glicólise é a forma máis rápida de conseguir enerxía para unha célula e, no metabolismo de carbohidratos, é xeralmente a primeira vía á cal recorre a célula para ese mester. Está estruturada en 10 reaccións encimáticas que permiten a transformación dunha molécula de glicosa en dúas moléculas de piruvato por medio dun proceso catabólico.
A glicólise adoita a dividirse para o súa explicación en dúas fases: fase de gasto de enerxía e fase de obtención de enerxía.
A primeira fase consiste en transformar unha molécula de glicosa en dúas moléculas de gliceraldehido (unha molécula de baixa enerxía) gastando 2 ATP. Isto permite duplicar os resultados da segunda fase, a de obtención enerxética. Na segunda fase, o gliceraldehido transfórmase nun composto de alta enerxía, que ao hidrolizarse xera unha molécula de ATP, e como se xeraron dúas moléculas de gliceraldehido, obtéñense en realidade dúas moléculas de ATP. Esta obtención de enerxía conséguese grazas á combinación dunha reacción fortemente exergónica despois doutra levemente endergónica, que se realiza en dúas ocasións, xerando dúas moléculas de piruvato. Desta maneira, na segunda fase obteñense 4 moléculas de ATP.
Reacción
A reacción global da glicólise é:
+ Reacción global da glicólise 150px 200px + 200px
Onde o reactivo inicial é a glicosa e os produtos finais son: O ATP é a fonte de enerxía universal da célula. NADH e H+, outorgan a capacidade de reducir outros compostos pertencentes a outras vías metabólicas, ou ben para sintetizar ATP. O piruvato é a molécula que seguirá oxidándose no ciclo de Krebs, como parte da respiración aeróbica, onde dará orixe a máis moléculas de NADH, que poderán producir máis ATP na mitocondria. Auga.
Destino do piruvato e do NADH
A glicólise pode funcionar tanto en condicións aerobias coma anaerobias, pero o destino do pìruvato varía dependendo desas condicións. En situación anaerobia, o piruvato citosólico é fermentado. O tipo de fermentación depende do organismo. No home dáse nas células que quedan sen ATP nun momento dado, como sucede no músculo en situación de exercicio físico moi intenso na que o osíxeno que chega á célula non é dabondo para manter a respiración aerobia ; nese caso o músculo realiza a fermentación homoláctica, convertendo o piruvato en lactato, e sen obter máis ATP ca as dúas moléculas formadas nas últimas reaccións da glicólise. Tamén sucede nos eritrocitos, que carecen de mitocondrias. Polo contrario, en condicións aerobias o piruvato entra nas mitocondrias (en eucariotas) para ser descarboxilado, entrar no ciclo de Krebs e completar a súa respiración aerobia, xerando uns 15 ATP por cada piruvato (ata 38 por glicosa).
O NADH pode usarse no anabolismo ou pode ceder os electróns que recolleu dos substratos da glicólise á cadea de transporte electrónico, pero dita cadea está na mitocondria (en eucariotas) e o NADH non pode atravesar a membrana mitocondrial. Pero pode entrar nas mitocondrias utilizando un conxunto de reaccións chamadas lanzadeiras (lanzadeira do malato e lanzadeira do glicerol-fosfato) nas que se converte primeiro noutra molécula que pode entrar na mitocondria, que, unha vez dentro da mitocondria, rexenera o equivalente de redución do NADH. Deste modo, o poder redutor do citosol pode pasar ao interior da mitocondria.
Fases da glicólise
A glicólise divídese en dúas fases e dez reaccións encimáticas, que se describen a continuación.
Fase de gasto de enerxía (ATP)
Esta primeira fase da glicólise consiste en transformar unha molécula de glicosa (hexosa) en dúas moléculas de gliceraldehido (triosa). Durante esta fase non se produce enerxía, senón que se gasta. Esta enerxía gastada pode considerarse un "investimento" que fai a célula para obter "beneficios" enerxéticos despois. Gástanse agora 2 ATP e despois produciranse 4, cun beneficio neto de 2.
1º paso: Hexoquinase
350px Glicosa + ATP → Glicosa-6-fosfato + ADP Valores tomados de Lehningher's Principles of Biochemistry (ISBN 0-7167-4339-6) e do Volume 3 de Biochemistry por J. Stenesh (ISBN 0-306-45733-4)
A primeira reacción da glicólise é a fosforilación da glicosa, para activala (aumentar a súa enerxía) e así poder utilizala noutros procesos cando sexa necesario. Esta activación ocorre pola transferencia dun grupo fosfato do ATP, unha reacción catalizada polo encima hexoquinase,Meyerhof, O. Ueber die enzymatische Milch-säurebildung im Muskelextrakt; die Milch-säurebildung aus den gärfähigen Hexosen. Biochem Z. 183:176 (1927) o cal pode fosforilar (engadir un grupo fosfato) a moléculas similares á glicosa, como a frutosa e a manosa.
As vantaxes de fosforilar a glicosa son dúas: A primeira é facer da glicosa un metabolito máis reactivo, e a segunda é que a glicosa-6-fosfato (G6P), que é unha substancia cargada no seu fosfato, non pode atravesar a membrana celular (a diferenza da glicosa), porque na célula non existe un transportador para a G6P. Desta forma evítase a perda dun substrato enerxético para a célula.
A hexoquinase só fosforila as D-hexosas, e utiliza de substrato para obter fosfatos o MgATP2+, xa que o catión permite que o último fosfato do ATP (fosfato gamma, γ-P ou Pγ) sexa un branco máis fácil para o ataque nucleofílico que realiza o grupo hidroxilo (OH) do sexto carbono da glicosa, o que é posible debido ao Mg2+ que tapa as cargas dos outros dous fosfatos.Colowick, S. y Kalckar H.. The role of myokinase in trans-phosphorylations; the enzymatic phosphorylation of hexoses by adenyl pyrophosphate. J. Biol. Chem. 148: 117 (1943).
Esta reacción posúe unha enerxía libre de Gibbs negativa, e, por tanto, trátase dunha reacción na que se libera enerxía. En numerosas bacterias esta reacción está combinada coa última reacción da glicólise (de fosfoenolpiruvato a piruvato) para poder aproveitar a enerxía sobrante da reacción: o fosfato do fosfoenolpiruvato transfírese dunha a outra proteína dun sistema de transporte fosfotransferase, e en última instancia, o fosfato pasará a unha molécula de glicosa que é tomada do exterior da célula e liberada en forma de G6P no interior celular. Trátase, por tanto, de combinar a primeira e a última reacción desta vía e usar o excedente de enerxía para realizar un tipo de transporte a través de membrana denominado translocación de grupo.
Unha hexoquinase especial que se encontra só no fígado, páncreas, intestino delgado e partes do encéfalo é a glicoquinase. Nos hepatocitos o 95% da actividade de hexoquinase está a cargo da glicoquinase, o cal é fundamental para a glicólise e síntese de glicóxeno no fígado.
2º paso: Glicosa-6-P isomerase
350px Glicosa-6-fosfato ⇌ Frutosa-6-fosfato
Este é un paso importante, posto que aquí se define a xeometría molecular que afectará aos dous pasos críticos na glicólise: O próximo paso, que agregará un grupo fosfato ao produto desta reacción, e o paso 4, cando se creen dúas moléculas de gliceraldehido que finalmente serán as precursoras do piruvato.
Nesta reacción, a glicosa-6-fosfato isomerízase a frutosa-6-fosfato (F6P), por medio do encima glicosa-6-fosfato isomerase, tamén chamado fosfohexosa isomerase. A isomerización ocorre nunha reacción de 4 pasos, que implica a abertura do anel do azucre e un traspaso de protóns a través dun intermediario cis-enediol -
Posto que a enerxía libre desta reacción é igual a +1,7 kJ/mol, a reacción non é espontánea e debe estar combinada con outra.
3º paso: Fosfofrutoquinase
350px Frutosa-6-fosfato + ATP → Frutosa-1,6-difosfato + ADP
Consiste na fosforilación da frutosa-6-fosfato no carbono 1, con gasto dun ATP, a través do encima fosfofrutoquinase 1 (PFK1). Tamén este fosfato terá unha baixa enerxía de hidrólise. Polo mesmo motivo que na primeira reacción, o proceso é irreversible. O novo produto denominarse frutosa-1,6-difosfato (F1,6BP).
A irreversibilidade desta reacción é importante, xa que a fai ser o punto de control da glicólise. Como hai outros substratos á parte da glicosa que entran na glicólise, o punto de control non está colocado na primeira reacción, senón nesta. A fosfofrutoquinase ten centros alostéricos, sensibles ás concentracións de intermediarios como citrato e ácidos graxos, ADP e AMP. En moitas plantas e microorganismos existe un encima con función similar chamado fosfofrutoquinase dependente de pirofosfato, que usa pirofosfato como doante de fosfatos en vez do ATP.
4º paso: Aldolase
500px Frutosa-1,6-difosfato ⇌ Dihidroxiacetona-fosfato + Gliceraldehido-3-fosfato
O encima aldolase (nome completo frutosa-bisfosfato aldolase), por medio dunha reacción que é reversible, rompe a frutosa-1,6-difosfato en dúas moléculas de tres carbonos (triosas): dihidroxiacetona-fosfato (DHAP) e gliceraldehido-3-fosfato (GA3P ou GAP). Existen dous tipos de frutosa-bisfosfato aldolase glicolítica, que difiren tanto no tipo de organismos onde se expresan, coma nos intermediarios de reacción.