Hexoquinasa y glucoquinasa

PRIMERA FASE

Reacción 1. Hexoquinasa

En el primer paso de la glucolisis, la glucosa se activa para reacciones posteriores mediante la fosforilación en el C-6 glucosa 6-fosfato, el ATP es el dador del fosforilo.

Figura 1. Conversión de Glucosa en Glucosa 6-fosfato por medio de la Hexoquinasa

Esta reacción, es irreversible en condiciones intracelulares, esta catalizada por la hexoquinasa una proteína citosólica soluble. Las quinasas son enzimas que catalizan la transferencia del grupo fosfato terminal del ATP a un nucleófilo aceptor el cual es una hexosa, normalmente la D-glucosa, aunque en la hexoquinasa también cataliza la fosforilación de otras hexosas como D-fructosa y D-manosa. La hexoquinasa necesita Mg2+ para su actividad, este apantalla las cargas negativas de los grupos fosfato del ATP haciendo que el átomo de fosforo terminal sea una diana mas fácil para el ataque nucleofílico por un -OH de la glucosa.

La hexoquinasa se encuentra en casi todos los organismos. El genoma humano en general codifica cuatro hexoquinasas diferentes, que catalizan la misma reacción. A esto se le conoce como isozimas, enzimas que catalizan la misma reacción pero no están codificadas por diferentes genes. Uno de los isozimas presente en los hepatocitos, es la hexoquinasa IV también conocida como Glucoquinasa, esta se diferencia de otras formas hexoquinasas por sus propiedades cinéticas y de regulación con consecuencias fisiológicas importantes, esta es regulada por la insulina y por medio de un mecanismo de compartimentación.

Referencias.

• Koolman, J., Röhm, K. & Wirth, J. (2012). Bioquímicas humana, texto y atlas (4.a ed.). Medica Panamericana. (pp., 130-131)
• Nelson, D., Cox, M. & Foix, C. (2018, 30 noviembre). Lehninger Principios de Bioquímica (7.a ed.). EDICIONES OMEGA, S.A. (pp., 538-548)

Isomerasa

 Reacción 2. Isomerasa

La fosfohexosa Isomerasa cataliza la isomerización reversible de la glucosa 6-fosfato, una aldosa, en fructosa 6-fosfato, una cetosa:

Figura 2.  Reacción catalizada por la fosfohexosa isomerasa

 

El mecanismo de esta reacción se realiza a través de un intermedio enediol. L a reacción transcurre en cualquiera de las 2 direcciones, tal como lo oredice la variación relativamente pequeña de la energía libre estándar.

Referencias.

• Nelson, D., Cox, M. & Foix, C. (2018, 30 noviembre). Lehninger Principios de Bioquímica (7.a ed.). EDICIONES OMEGA, S.A. (Pag: 538-539)

PFK

Reacción 3. Fosfofructoquinasa

En este paso ocurre la fosforilación de la fructosa 6-fosfato a fructosa 1-6 difosfato mediante la PFK-1 que es la fosfofructoquinasa 1 la cual cataliza la transferencia de un grupo fosforilo desde el ATP a la fructosa 6-fosfato para obtener a la fructosa 1,6-bifosfato.

Figura 3: Reaccion. de fosforilación de la fructosa 6-fosfato a fructosa 1-6 difosfato.

Esta reacción es irreversible y es parte de los puntos de regulación de la vía glucolítica. Algunas bacterias y plantas tienen una fosfofructoquinasa (PP-PFK-1) la cual a diferencia de la PFK-1 no utiliza ATP para extraer el grupo fosforilo en la síntesis de fructosa 1,6-bifosfato ya que utiliza pirofosfato (PPi).

  Figura 4: Regulación de la fosfofructocinasa. a) Regulación en bacterias y b) Regulación en los mamíferos

La PFK-1 se encuentra regulada de una manera estricta por moduladores alostéricos ya que su actividad se verá aumentada al terminarse los suministros de energía en la célula o al existir un exceso de ADP y AMP que funcionan como sus moduladores alostéricos positivos. La enzima PFK se inhibe cuando existe mucho suministro de ATP y de ácidos grasos, funcionando el ATP como modulador alostérico negativo para la enzima. Al verse inhibida o activada la célula deberá regular el encender y apagar la vía glucolítica. 

El activador más potente de la PFK 1 en mamíferos es el compuesto fructosa 2,6-bisfosfato, que se sintetiza a partir de fructosa 6-fosfato por acción de una enzima conocida como PFK2. La actividad de la PFK2 es estimulada de manera hormonal cuando la concentración de glucosa en la sangre es alta. El incremento resultante en la concentración de fructosa 2,6-bisfosfato activa la fosfofructoquinasa 1 para incrementar el flujo de glucosa a través de la vía glucolítica.

Figura 5: Acción de la PFK2

Referencias:

• Pratt W.C., Cornely K. (2011), Bioquímica. 2da ed. Editorial: El manual moderno. (Pag:  329-330)
  
• Nelson, D., Cox, M. & Foix, C. (2018, 30 noviembre). Lehninger Principios de Bioquímica (7.a ed.). EDICIONES OMEGA, S.A. (Pag: 540-541)

Aldolasa

 Reacción 4. Aldolasa 

Fructosa 1,6-bisfosfato aldolasa

Se cataliza una condensación aldólica reversible. La fructosa 1,6-bisfosfato se rompe dando dos triosas fosfato direrentes, el gliceraldehído 3-fosfato, una aldosa, y la dihidroxiacetona fosfato, una cetosa:

Figura 6. Reacción catalizada por aldolasa clase 1

Existen dos clases de aldolasas. Las aldolasas de la clase 1, presentes en animales y plantas, utilice los mecanismos mostrado en la figura 1. Las enzimas de la clase 2, de hongos y bacterias, conforman la base de Schiff intermedia. en lugar de ello, contiene un ion zinc en el sitio activar ordenando con el oxígeno carbonílico en C-2; el Zn²⁺ Moraliza en el grupo carbonilo y estabiliza el intermedio enolato creado en el paso de rotura del enlace C-C.

Figura 7. Reacción catalizada por aldolasa clase 2

Aunque la reacción del aldolasa tiene una variación de energía libre estándar fuertemente positiva en la dirección de la rotura de la fructosa 1,6-bisfosfato, a las bajas concentraciones de reactivos presentes en las células, la variación de energía libre real es pequeña por lo que la reacción de las aldolasa es fácilmente reversible.

Referencia:

Nelson, D., Cox, M. & Foix, C. (2018, 30 noviembre). Lehninger Principios de Bioquímica (7.a ed.). EDICIONES OMEGA, S.A. (Pag: 540)

Triosafosfato isomeraza

 Reacción 5. Triosa fosfato isomerasa

En el paso anterior se formaron 2 productos triosas fosfato por acción de la aldolasa, formando gliceraldehido 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato. El gliceraldehido 3-fosfato puede ser degradada directamente en los siguientes pasos de la glucólisis mientras que la dihidroxiacetona fosfato se convierte rápida e irreversiblemente en gliceraldehído 3-fosfato por la quinta enzima de la secuencia glucolítica, la triosa fosfato isomerasa.

Figura 8. Reacción de conversión de dihidroxiacetona fosfato a gliceraldehido 3-fostato 

El mecanismo de reacción es similar a la reacción promovida por la fosfohexona isomerasa en el paso 2 de la glucólisis. Después de la reacción de las triosas fosfato isomerasa los carbonos C-1, C-2 y C-3 de la glucosa inicial son químicamente indistinguibles de los carbonos C-6, C-5 Y C-4 respectivamente; ambas mitades de la glucosa producen gliceraldehído 3 fosfato.

Esta reacción completa la fase preparatoria de la glucólisis. La molécula de hexosa se ha fosforilado en C-1 y C-6 y a continuación se ha partido para formar 2 moléculas de gliceraldehído 3 fosfato.

Referencias.

• Koolman, J., Röhm, K. & Wirth, J. (2012). Bioquímicas humana, texto y atlas (4.a ed.). Medica Panamericana. (pp., 130-131)
• Madigan, M., Buckley, D., Bender, K., Martinko, J. & Stahl, D. (2015). Brock, biología de los microorganismos (14.a ed.). Pearson Educación. (pp., 90-92)
• Nelson, D., Cox, M. & Foix, C. (2018, 30 noviembre). Lehninger Principios de Bioquímica (7.a ed.). EDICIONES OMEGA, S.A. (pp., 538-544)

Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa

SEGUNDA FASE

Reacción 6. Gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa 

La reacción de oxidación del gliceraldehído 3-fosfato a 1,3 bifosfato glicerato es el primer paso de la segunda etapa de la glucolisis, la etapa de obtención de energía. Esta reacción es catalizada por la gliceraldehído 3 fosfato deshidrogenasa.

Figura 9. Reacción de conversión de Gliceraldehido 3-fostato a Gliceraldehido 1,6 bifosfato

Esta es la primera de las 2 reacciones conversadoras de energía de la glucólisis que conducen en último término a la formación de ATP el grupo ha leído del gliceraldehído 3-fosfato es oxidado aún anhidrido de ácido carboxílico. Este tipo de anhidrido llamado acil fosfato tiene una energía libre de hidrólisis estándar muy elevada. Gran parte de la energía libre de oxidación del grupo aldehído del gliceraldehído 3-fosfato se conserva mediante la formación del grupo acil fosfato en el carbono uno del 1,3 bifosfato glicerato.

El gliceraldehído 3-fosfato se une covalentemente ala deshidrogenasa durante la reacción el grupo aldehído del gliceraldehído 3 fosfato reacciona con el grupo guion es eh de un residuo Cys esencial del sitio activo en una reacción análoga a la formación de un hemiacetal pero en este caso el producto de un tío en mí aceptan la reacción del residuo sí es esencial un metal pesado tal como el Hg2+. La cantidad de NAD+ en una célula, es muy inferior a la cantidad de glucosa metabolizada en unos pocos minutos. La glucólisis pronto se detendrá si el NADH formado en este paso de la glucólisis no se reoxida, ni se recicla continuamente.

Figura 10. Mecanismo de reacción de la gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa

Referencias.

• Koolman, J., Röhm, K. & Wirth, J. (2012). Bioquímicas humana, texto y atlas (4.a ed.). Medica Panamericana. (pp., 130-131)
• Madigan, M., Buckley, D., Bender, K., Martinko, J. & Stahl, D. (2015). Brock, biología de los microorganismos (14.a ed.). Pearson Educación. (pp., 90-92)
• Nelson, D., Cox, M. & Foix, C. (2018, 30 noviembre). Lehninger Principios de Bioquímica (7.a ed.). EDICIONES OMEGA, S.A. (pp., 538-544)

Fosfoglicerato Quinasa: Fosforilación a nivel de sustrato

Reacción 7. Fosfoglicerato Quinasa

La séptima reacción de la glucólisis. Involucra la transferencia del resto "fosfato rico en energía" del 1,3-bifosfoglicrato al ADP (fosforilación) por la acción de la fosfoglicerato quinasa, formando 3-fosfoglicerato y ATP. Es de esta forma como el balance de ATP recupera el equilibrio. A este proceso donde se forma el ATP por transferencia del grupo fosforilo se le conoce también como fosforilación a nivel de sustrato.

Figura 11. Transformación del 1,3-Bisfosfoglicerato a 3-Fosfoglierato por medio de la Fosfoglicerato quinasa

El mecanismo de reacción de la enzima consiste en la unión de la adenosina a uno de los iones magnesio presentes en su sitio activo y, debido a la electronegatividad de uno de los oxígenos del ADP, se produce el ataque al grupo fosfato, cediendo uno de sus oxígenos y produciendo un carboxilato en el extremo C1 del fosfoglicerato, que es transformado en 3-fosfoglicerato.

Figura 12. Mecanismo de reacción llevado a cabo por la enzima Fosfoglicerato quinasa

Referencias

• Koolman, J., Röhm, K. & Wirth, J. (2012). Bioquímicas humanas, texto y atlas (4.a ed.). Pág: 130. México, D.F. Editorial: Medica Panamericana.
• Nelson, D., Cox, M. & Foix, C. (2018). Lehninger Principios de Bioquímica (7.a ed.). EDICIONES OMEGA, S.A. (pp., 534-545)

Fosfoglicerato mutasa

Reacción 8. Fosfoglicerato Mutasa

La enzima Fosfoglicerato mutasa en el paso número 8 de la glucólisis cataliza un desplazamiento reversible del grupo fosforilo del C3 al C2 del glicerato, produciendo 2-fosfoglicerato como resultado de la misma. En esta, al igual que en la enzima Fosfoglicerato quinasa participan iones magnesio.

Figura 13. Transformación de 3-Fosfoglicerato a 2-Fosfoglicerato

"Fosforilación a nivel de sustrato"

El mecanismo de reacción se da en dos pasos. Primero un grupo fosforilo inicialmente unido a un residuo de histidina de la mutasa es transferido al grupo hidroxilo en el C2 del 3-fosfoglicerato, formando 2,3-bifosfoglicerato. A continuación, se transfiere el grupo fosforilo en C3 del 2,3-Bisfosfoglicerato al mismo residuo histidina de la enzima, produciendo 2-fosfoglicerato y regenerando el grupo fosforilo de la enzima.

Figura 14. Mecanismo de reacción de la enzima fosfoglicerato mutasa (Lehninger, 2018)

Referencias

• Nelson, D., Cox, M. & Foix, C. (2018). Lehninger Principios de Bioquímica (7.a ed.). EDICIONES OMEGA, S.A. (pp., 534-545)
• Koolman, J., Röhm, K. & Wirth, J. (2012). Bioquímicas humanas, texto y atlas (4.a ed.). Pág: 130. México, D.F. Editorial: Medica Panamericana.

Enolasa

Reacción 9. Enolasa

En esta reacción no.9 ocurre la deshidratación del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato mediante la participación de la enzima enolasa que promueve la eliminación reversible de una molécula de H2O del 2-fosfoglicerato dando como producto el fosfoenolpiruvato.

Figura 15. Reacción de deshidratación del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato

El mecanismo de reacción que ocurre en este paso de la vía glucolítica implica un intermedio enolico el cual es estabilizado por el magnesio eso ocurre ya que el sitio activo de la enzima contiene un ion Mg que se coordina con el grupo OH en C3 haciéndolo un mejor grupo saliente.  El ion fluoruro y el Pi pueden formar un complejo con el Mg y de esta manera inhibir a la enzima. 

Referencias:

Pratt W.C., Cornely K. (2011), Bioquímica. 2da ed. Editorial: El manual moderno. Pag:  335-336

Nelson, D., Cox, M. & Foix, C. (2018, 30 noviembre). Lehninger Principios de Bioquímica (7.a ed.). EDICIONES OMEGA, S.A. Pag: 544

Piruvato quinasa

 Reacción 10. Piruvato Quinasa

El ultimo paso de la glucolisis es la transferencia del grupo fosforilo desde el fosfoenolpiruvato al ADP catalizada por la piruvato quinasa, que requiere K1 y también Mg2+ o Mn2+. 

Figura 16. Formación de piruvato por la enzima piruvato quinasa

En esta fosforilación a nivel de sustrato, el producto piruvato aparece en primer lugar en su forma enol y a continuación se tautomeriza rápidamente y de forma no enzimática para dar la forma ceto, que es la que predomina a pH 7.

Figura 17. Tautomerización de piruvato forma enol a piruvato forma ceto.

La reacción global tiene una variación de energía libre estándar negativa y grande, debido en gran medida a la conversión espontanea de la forma enol del piruvato en la forma ceto. Al rededor de la mitad de la energía liberada por la hidrolisis del PEG se conserva en la forma del enlace fosfoanhidrido, constituyendo el resto una gran fuerza propulsora que empuja la reacción hasta la síntesis de ATP. 

Regulación de piruvato quinasa

El enzima esta inhibido alostericamente por el ATP, acetil-CoA y ácidos grasos de cadena larga, mientras que la acumulación de fructosa 1.6-bifosfato provoca su activación. La acumulación de alanina, que se puede sintetizar a partir del piruvato en un paso, inhibe alostericamente la piruvato quinasa, haciendo mas lenta la producción de piruvato por glucolisis. 

Figura 18. Formas de regulación de Piruvato quinasa.

Productos finales

Para activar la glucolisis se requieren dos moléculas de ATP usadas en la etapa 1 y 3. En las etapas posteriores se forman 2 moléculas de ATP por fragmento de C3 en paso 7 y 10, lo que equivale por lo tanto a una pequeña ganancia neta de 2 mol de ATP/mol por glucosa. En conclusión se generan 2 moléculas de ATP, dos de NADH y dos mas de piruvato.

Referencias.

• Koolman, J., Röhm, K. & Wirth, J. (2012). Bioquímicas humana, texto y atlas (4.a ed.). Medica Panamericana. (pp., 130-131)
• Nelson, D., Cox, M. & Foix, C. (2018, 30 noviembre). Lehninger Principios de Bioquímica (7.a ed.). EDICIONES OMEGA, S.A. (pp., 538-544)