La glucosa es la fuente principal de combustible celular para todos los seres vivos, y la energía en sus enlaces químicos se utiliza para sintetizar adenosina trifosfato (atp) de varias maneras interconectadas e interdependientes. cuando una molécula de este azúcar de seis carbonos (es decir, hexosa) atraviesa la membrana plasmática de una célula desde el exterior para ingresar al citoplasma, se fosforila inmediatamente , es decir, se une un grupo fosfato, que lleva una carga eléctrica negativa. a parte de la molécula de glucosa. esto da como resultado una carga neta negativa en lo que luego se ha convertido en una molécula de glucosa-6-fosfato , que evita que salga de la célula.
Los procariotas , que incluyen los dominios de bacterias y arqueas, no tienen orgánulos unidos a la membrana, incluidas las mitocondrias que en los eucariotas albergan el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones dependiente de oxígeno. como resultado, los procariotas no participan en la respiración aeróbica ("con oxígeno"), sino que derivan casi toda su energía de la glucólisis, el proceso anaeróbico que también funciona antes de la respiración aeróbica llevada a cabo en las células eucarióticas.
Como la glucosa se encuentra entre las moléculas más vitales en bioquímica, y es el punto de partida de tal vez el conjunto de reacciones más vital en los anales de la vida en el planeta tierra, se hace una breve discusión de la estructura y el comportamiento de esta molécula.
También conocida como dextrosa (generalmente en referencia a sistemas no biológicos, como la glucosa hecha de maíz) y azúcar en la sangre (en referencia a sistemas biológicos, por ejemplo, en contextos médicos), la glucosa es una molécula de seis carbonos con la fórmula química c 6 h 12 o 6 . En la sangre humana, la concentración normal de glucosa es de aproximadamente 100 mg / dl. 100 mg es una décima de gramo, mientras que un dl es una décima de litro; esto equivale a un gramo por litro, y dado que la persona promedio tiene aproximadamente 4 litros de sangre, la mayoría de las personas tienen aproximadamente 4 g de glucosa en su torrente sanguíneo en cualquier momento, solo aproximadamente una séptima parte de una onza.
Cinco de los seis átomos de carbono (c) en la glucosa se encuentran en la forma de anillo de seis átomos que la molécula asume 99.98 por ciento del tiempo en la naturaleza. el sexto átomo de anillo es un oxígeno (O), con la sexta c unidos a uno de los anillo cs como parte de un hidroximetilo (-CH 2 OH) grupo . Es en el grupo hidroxilo (-oh) donde se une el fosfato inorgánico (pi) durante el proceso de fosforilación que atrapa la molécula en el citoplasma celular.
Glucosa, Tipos Celulares Y Metabolismo
Los procariotas son pequeños (la mayoría abrumadora son unicelulares) y simples (la única célula que tiene la mayoría carece de un núcleo y otros orgánulos unidos a la membrana). esto puede evitar que sean tan elegantes e interesantes en la mayoría de los sentidos como los eucariotas, pero también mantiene sus requisitos de combustible comparativamente bajos.
Tanto en procariotas como en eucariotas, la glucólisis es el primer paso en el metabolismo de la glucosa . La fosforilación de la glucosa al ingresar a la célula por difusión a través de la membrana plasmática es el primer paso en la glucólisis, que se describe en detalle en una sección posterior.
Algunas bacterias pueden metabolizar azúcares distintos de, o además de, glucosa, como sacarosa, lactosa o maltosa. estos azúcares son disacáridos, que vienen del griego para "dos azúcares". Incluyen un monómero de glucosa, como la fructosa, un monosacárido, como una de sus dos subunidades.
Al final de la glucólisis, la molécula de glucosa se ha utilizado para generar dos moléculas de piruvato de tres carbonos, dos moléculas del denominado portador de electrones de alta energía nicotinamida adenina dinucleótido (nadh) y una ganancia neta de dos moléculas atp.
En este punto, en los procariotas, el piruvato generalmente ingresa en la fermentación, un proceso anaeróbico con una serie de variaciones diferentes que se explorarán en breve. pero algunas bacterias han desarrollado la capacidad de llevar a cabo la respiración aeróbica en cierta medida y se llaman anaerobios facultativos . Las bacterias que pueden obtener energía solo de la glucólisis se denominan anaerobios obligados , y muchas de ellas en realidad son eliminadas por el oxígeno. un número limitado de bacterias son incluso los aerobios obligados , lo que significa que, como usted, tienen un requisito absoluto de oxígeno. dado que las bacterias han tenido aproximadamente 3.500 millones de años para adaptarse a las demandas del entorno cambiante de la Tierra, no debería sorprender que hayan comandado una gama de estrategias básicas de supervivencia metabólica.
El Proceso De Glucólisis
La glucólisis incluye 10 reacciones , que es un número agradable y redondo, pero no necesariamente tiene que memorizar todos los productos, intermedios y enzimas en todos estos pasos. en cambio, si bien es divertido y útil conocer algunas de estas minucias, es más importante tener una idea de lo que sucede en la glucólisis en general, y por qué sucede (tanto en términos de física básica como de las necesidades de la célula).
La glucólisis se captura en la siguiente reacción, que es la suma de sus 10 reacciones individuales:
C 6 h 12 o 6 → 2 c 3 h 4 o 3 + 2 atp + 2 nadh
En inglés sencillo, en la glucólisis, una única molécula de glucosa se divide en dos moléculas de piruvato y, a lo largo del camino, se forman un par de moléculas de combustible y un par de moléculas de "pre-combustible". atp es la moneda casi universal para la energía en procesos celulares, mientras que nadh, la forma reducida de nad + o nicotinamida adenina dinucleótido, funciona como un portador de electrones de alta energía que finalmente dona esos electrones, en forma de iones de hidrógeno (h +), a las moléculas de oxígeno al final de la cadena de transporte de electrones en el metabolismo aeróbico, lo que resulta en mucho más atp que la glucólisis sola puede suministrar.
Glucólisis Temprana
La fosforilación de la glucosa después de su entrada en el citoplasma produce glucosa-6-fosfato (g-6-p). el fosfato proviene de atp y su incorporación a la glucosa deja el difosfato de adenosina (adp). como se señaló, esto atrapa la glucosa dentro de la célula.
A continuación, g-6-p se convierte en fructosa-6-fosfato (f-6-p). esta es una reacción de isomerización , porque el reactivo y el producto son isómeros entre sí: moléculas con el mismo número de cada tipo de átomo, pero con diferentes disposiciones espaciales. En este caso, el anillo de fructosa solo tiene cinco átomos. La enzima responsable de este tipo de malabarismo atómico se llama fosfoglucosa isomerasa . (La mayoría de los nombres de enzimas, aunque a menudo son engorrosos, al menos tienen sentido).
En la tercera reacción de glucólisis, f-6-p se convierte en fructosa-1,6-bifosfato (f-1,6-bp). En esta etapa de fosforilación, el fosfato nuevamente proviene de atp, pero esta vez se agrega a un átomo de carbono diferente. La enzima responsable es la fosfofructoquinasa (pfk) .
en muchas reacciones de fosforilación, los grupos de fosfato se agregan al extremo libre de un grupo de fosfato existente, pero no en este caso, por lo tanto, "fosfato de _bis" en lugar de "fosfato de _di".
En la cuarta reacción de la glucólisis, la molécula f-1,6-bp, que es bastante inestable debido a su doble dosis de grupos fosfato, se divide por la enzima aldolasa en el grupo de tres carbonos y fosfato único. moléculas de gliceraldehído 3-fosfato (gap) y fosfato de dihidroxiacetona (dhap). estos son isómeros, y el dhap se convierte rápidamente en brecha en el quinto paso de la glucólisis usando un empuje de la enzima triosa fosfato isomerasa (tim).
En esta etapa, la molécula de glucosa original se ha convertido en dos moléculas idénticas de tres carbonos, fosforiladas individualmente, al costo de dos atp. desde este punto en adelante, cada reacción descrita de glucólisis ocurre dos veces por cada molécula de glucosa que se somete a la glucólisis.
Glicólisis Posterior
En la sexta reacción de la glucólisis, la brecha se convierte en 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-bpg) bajo la influencia de la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa . Las enzimas deshidrogenasas eliminan los átomos de hidrógeno (es decir, los protones). el hidrógeno liberado de la brecha se une a la molécula nad +, produciendo nadh. Debido a que la molécula inicial de glucosa corriente arriba ha dado lugar a dos moléculas de brecha, después de esta reacción, se han creado dos moléculas de nadh.
En la séptima reacción de glucólisis, una de las reacciones de fosforilación de la glucólisis temprana es, en efecto, invertida. cuando la enzima fosfoglicerato quinasa elimina un grupo fosfato de 1,3 bpg, el resultado es 3-fosfoglicerato (3-pg). los fosfatos que se han eliminado de las dos moléculas de 1,3 bpg se agregan a un adp para formar dos atp. esto significa que los dos atp "tomados en préstamo" en los pasos uno y tres son "devueltos" en la séptima reacción.
En el paso ocho, 3-pg se convierte en 2-fosfoglicerato (2-pg) por la fosfoglicerato mutasa , que transporta el único grupo fosfato restante a un átomo de carbono diferente. una mutasa difiere de una isomerasa en que es menos agresiva en su acción; En lugar de reorganizar la estructura de una molécula, simplemente cambian uno de sus grupos laterales a un nuevo punto, dejando la columna vertebral, el anillo, etc. en su conjunto.
En la novena reacción de la glucólisis, 2-pg se convierte en fosfoenolpiruvato (pep) bajo la acción de la enolasa . un enol es un compuesto con un doble enlace carbono-carbono en el que uno de los carbonos también está unido a un grupo hidroxilo.
Finalmente, la décima y última reacción de la glucólisis, pep se transforma en piruvato gracias a la enzima piruvato quinasa . los grupos fosfato eliminados de los dos pep están unidos a moléculas adp, produciendo dos atp y dos piruvato, cuya fórmula es (c 3 h 4 o 3 ) o (ch 3 ) co (cooh) . así, el procesamiento inicial, anaeróbico de una sola molécula de glucosa produce dos piruvato, dos atp y dos moléculas nadh.
Procesos De Post-Glucólisis
El piruvato generado en última instancia por la entrada de glucosa en las células puede tomar uno de los dos caminos. Si la célula es procariota, o si la célula es eucariota pero temporalmente requiere más combustible que el que puede proporcionar la respiración aeróbica (como en, por ejemplo, las células musculares durante el ejercicio físico intenso, como las carreras de pesas o el levantamiento de pesas), el piruvato entra en la ruta de la fermentación. Si la célula es eucariótica y sus requerimientos de energía son típicos, mueve el piruvato dentro de las mitocondrias y participa en el ciclo de Krebs :
fermentación: la fermentación a menudo se usa indistintamente con la "respiración anaeróbica", pero en realidad esto es engañoso porque la glucólisis, que precede a la fermentación, también es anaeróbica, aunque en general no se considera parte de la respiración en sí.
La fermentación regenera nad + para usar en la glucólisis al convertir el piruvato en lactato . todo el propósito de esto es permitir que la glucólisis continúe en ausencia de oxígeno adecuado; una escasez de nad + a nivel local limitaría el proceso incluso cuando existan cantidades adecuadas de sustrato.
Respiración aeróbica: esto incluye el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones .
el ciclo de Krebs: aquí, el piruvato se convierte en acetil coenzima a (acetil coa) y dióxido de carbono (co 2 ). el acetil coa de dos carbonos se combina con el oxaloacetato de cuatro carbonos para formar citrato, una molécula de seis carbonos que luego procede a través de una "rueda" (ciclo) de seis reacciones que resultan en dos co 2 , uno atp, tres nadh y uno dinucleótido de adenina flavina reducida (fadh 2 ).
la cadena de transporte de electrones: aquí, los protones (h + átomos) de nadh y fadh_ 2 _ del ciclo de krebs se utilizan para crear un gradiente electroquímico que impulsa la síntesis de 34 moléculas de atp en la membrana mitocondrial interna. El oxígeno sirve como el receptor final de los electrones que "se derraman" de un compuesto a otro, comenzando hasta la cadena de compuestos con glucosa.
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