Glicólisis y fermentación

• El constante suplemento de energía que las células necesitan para generar y mantener el orden biológico que las mantiene vivas, proviene de los enlaces químicos de las moléculas de alimentos que sirven como combustibles para las células.

Figure 2-69 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Las células usan la energía de la oxidación de los carbohidratos.

Glucosa: excelente combustible y precursor de

biomoléculas.

¿Cómo la energía química almacenada en la glucosa y otras moléculas se libera para hacer trabajo biológico?

Glucólisis• En esta ruta se obtiene ATP sin ocupar oxígeno

molecular.

• Una molécula de glucosa (6C) se convierte en dos moléculas de piruvato (3C).

• La glucólisis se encuentra muy conservada en los organismos vivos.

• Es una ruta central, casi universal del catabolismo de la glucosa.

• Es la vía metabólica más estudiada.

• Se cree que es una ruta metabólica muy antigua (atmósfera primitiva anóxica).

Ocurre en 10 pasos divididos en dos etapas:

Fase preparatoria

1. Hexoquinasa

2. Fosfohexosaisomerasa

3. Fosfofructoquinasa

4. Aldolasa

5. Triosa fosfato isomerasa

Fase de beneficios

6. Gliceraldeído 3-fosfato deshidrogenasa

7. Fosfoglicerato quinasa

8. Fosfoglicerato mutasa

9. Enolasa

10. Piruvato quinasa

• Fase preparatoria.

– Se utilizan 2 moléculas de ATP.

– Producto Final: 2 Gliceraldehído 3-P.

• Fase de beneficios.

– Se producen 4 moléculas de ATP.

– Producto: 2 Piruvato + 4ATP +2NADH + 2 H2O

Figure 2-70 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

¿Cuál es la ganancia neta de ATP en la glucólisis?

¿Cuál es la fórmula condensada de la glucólisis?

Ganancia neta de ATP

Glucosa + 2ATP + 4ADP + 2NAD+ +2Pi → 2Piruvato + 2ADP + 4ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O

Glucosa + 2ATP + 2NAD+ +2Pi → 2Piruvato + 4ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O

Los 2 NADH producidos deben regresar a la forma de NAD+

para continuar esta ruta.

En condiciones aeróbicas, los NADH entran a la cadena de transporte de electrones donde se utilizan para producir ATP.

• En la glucólisis solo se obtiene una pequeña parte de la energía almacenada en la glucosa. El piruvato formado todavía tiene gran cantidad de energía.

Intermediarios fosforilados

• Todos los intermediarios glucolíticos están fosforilados. Esto parece tener 3 funciones:

1. Los grupos fosfato se ionizan a pH neutro → cargan neta negativa. No pueden cruzar la membrana plasmática a pesar de la gran diferencia de concentración.

2. Conserva los grupos fosfato necesarios para la síntesis de ATP.

3. Los grupos fosfato en los sitios activos de las enzimas contribuyen a reducir la energía de activación y aumentar la especificidad de las reacciones enzimáticas. Forma complejos con el Mg2+ y muchas enzimas glicolíticas requieren de este ión para su actividad.

La glucólisis está bajo regulación estricta

• “efecto Pasteur” : en levaduras, tanto la velocidad de la glucólisis como la cantidad de glucosa consumida en condiciones anaeróbicas es mucho mayor que en aeróbicas.

• Glucólisis: 2ATP por glucosa.

• Respiración aeróbica: 36 ATP por molécula de glucosa.

• Para obtener la misma cantidad de ATP se debe consumir 18 veces más glucosa en condiciones anaeróbicas.

• El flujo a través de la glucólisis se regula para tener niveles constantes de ATP y un suministro adecuado para procesos biosintéticos.

• Regulación: fosfofructoquinasa y priuvato quinasa.

Otros carbohidratos también pueden alimentar la glucólisis

La glucosa no es el único carbohidrato que pueden entrar a la glucólisis.

• Polisacáridos: Ej. glucógeno y almidón

• Otros monosacáridos: ej. Fructosa, gliceraldehído, galactosa, manosa.

• Disacáridos: se hidrolizan a monosacáridos.

– Maltosa → 2 glucosas (maltasa)

– Lactosa → galactosa + glucosa (lactasa)

– Sacarosa → fructosa + glucosa (sacarasa)

• La intolerancia a la lactosa es una enfermedad causada por la ausencia de actividad de lactasa de las células intestinales.

• Degradación anaeróbica de la glucosa u otros nutrientes orgánicos a diversos productos para obtener energía en forma de ATP.

• La degradación de la glucosa a piruvato es la forma en la que se puede sintetizar ATP en condiciones anaerobias

• Los 2 NADH formados en la glucolisis tienen que regresar a NAD+, la diferencia entre los distintos tipos de fermentación se debe al mecanismo utilizado para este proceso.

Fermentación

Principales destinos catabólicos del piruvato

Fermentación Láctica

• El piruvato producido por la degradación de la lactosa, se reduce a lactato por acción de la lactato deshidrogenasa (LDH).

• Los productos lácteos como el yoghurt, el jocoque y el queso están hechos a partir de fermentaciones bacterianas del ácido láctico.

• Músculo durante la contracción vigorosa, retina, cerebro, eritrocitos. Microorganismos.

Fermentación del ácido láctico

• Las bacterias de los géneros Lactobacillus y Streptococcus son las involucradas en los procesos de fermentación láctica.

• Los productos como los quesos madurados adquieren su sabor característico por fermentaciones subsecuentes de ácido propiónico.

• En este proceso, las bacterias del género Propionibacterium convierten el piruvato en propionato a través de una serie de reacciones complejas.

Fermentación alcohólica

• El piruvato es descarboxilado por la piruvatodescarboxilasa para formar acetaldehído; éste es reducido por la alcohol deshridrogenasa a etanol con la oxidación concomitante de NADH.

Fermentación alcohólica

• Las bebidas alcohólicas provienen de la fermentación de productos vegetales con alto contenido de carbohidratos.

• Las levaduras y algunas bacterias son las responsables de este tipo de fermentación.

• Saccharomyces cerevisiae se reproduce asexualmente por gemación y puede vivir en condiciones aerobias o anaerobias.

• Pulque, tepache, mezcal.

Producción de cerveza

• La cebada es la materia prima tradicional para la elaboración de la cerveza.

• Los cereales son ricos en almidón pero prácticamente no contienen azúcares libres, por eso los granos se dejan germinar y así sintetizan amilasas.

• Una gran parte del almidón se degrada formando maltosa que en la fermentación se degrada a glucosa → etanol y CO2.

Malta (semilla

germinada)Mosto

MalteadoCebada

Otros productos de fermentaciones microbianas

• Aunque el lactato y el etanol son los productos mas comunes de las fermentaciones microbianas, no son los únicos.

• Otros productos: metanol, ácido fórmico, acético, propiónico, butírico y succínico, glicerol, isopropanol, butanol y butanodiol.

• El sueño de un ingeniero!!! reacciones químicas de muchos pasos, rendimientos elevados, pocos productos secundarios, bajo costo.

Glucólisis alterada en Diabetes y Cáncer

• La diabetes tipo 1 tiene un fuerte efecto sobre el metabolismo de carbohidratos y grasas.

• En muchos tipos de tumores humanos la asimilación de glucosa es aprox. 10 veces mas rápido de lo normal.

• Esto se utiliza para detectar mediante tomografía la distribución de 2-Fluoro-2-deoxiglucosa en el cuerpo indicando posibles tumores.