¿Qué es la glucólisis? Dónde tiene lugar la glucólisis, definición y pasos de la vía de la glucólisis.
Objetivos clave del aprendizaje
- Aprender sobre las vías de descomposición y oxidación de la glucosa
- Averiguar cómo el metabolismo de la glucosa contribuye a la producción de energía celular
- Aprender cómo el metabolismo de la glucosa está asociado al proceso de envejecimiento
- Descubrir cómo se puede apoyar el metabolismo de la glucosa
¿Qué es la glucólisis?
La glucólisis es la vía metabólica que descompone el carbohidrato glucosa para producir energía celular en forma de ATP. La glucólisis genera ATP directamente, como producto de las reacciones químicas de la vía, e indirectamente, utilizando la energía generada por los electrones extraídos de los enlaces químicos de la glucosa. Estos electrones son transportados por la molécula NAD a la cadena de transporte de electrones mitocondrial, donde se utilizan para alimentar la producción de ATP a través de la fosforilación oxidativa (OXPHOS).
En este artículo, veremos estos procesos con más detalle. Pero antes es importante repasar algunos conceptos que nos ayudarán a entender qué es la glucólisis y el papel que juega en el metabolismo celular.
La glucólisis es una vía del metabolismo celular
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que sostienen la vida. Entre ellas están las que nos permiten obtener energía de los alimentos y utilizar esa energía para sintetizar moléculas necesarias para la actividad celular. El metabolismo se divide en dos tipos de procesos 1) el catabolismo, el conjunto de vías degradativas que descomponen las moléculas grandes en moléculas más pequeñas, liberando la energía almacenada en los enlaces químicos; y 2) el anabolismo, el conjunto de vías de biosíntesis constructivas que construyen moléculas grandes a partir de moléculas más pequeñas y almacenan la energía celular en sus enlaces químicos. Esto significa que la descomposición de los alimentos para obtener energía tiene lugar mediante reacciones catabólicas, mientras que la síntesis de las moléculas celulares complejas a partir de unidades más simples tiene lugar mediante reacciones anabólicas .
La energía contenida en los alimentos no está fácilmente disponible para ser utilizada por las células y debe ser convertida mediante reacciones metabólicas en una forma de energía que las células puedan utilizar. Esta forma es una molécula llamada trifosfato de adenosina (ATP), «la moneda energética de la célula» común a todos los sistemas biológicos. El ATP se utiliza para todo tipo de funciones biológicas en todos los tipos de células y tejidos, incluyendo, por ejemplo, la potencia de la contracción muscular o el mantenimiento de la actividad neuronal.
El metabolismo es la suma de procesos interconectados que requieren y consumen energía para mantener la vida.
El conjunto de reacciones metabólicas a través de las cuales se extrae energía de los nutrientes para generar ATP se denomina respiración celular. En el proceso de respiración se consume oxígeno (O2) y se produce dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y calor. La energía se extrae de los nutrientes a través de un tipo de reacción química denominada reacciones redox (de reducción -ganancia de electrones- + oxidación -pérdida de electrones-). En las reacciones redox, los electrones (las partículas cargadas eléctricamente que orbitan alrededor de los núcleos de los átomos) se transfieren de una molécula (que se oxida) a otra (que se reduce). Por tanto, decimos que, en la respiración celular, los nutrientes se oxidan para generar energía celular en forma de ATP.
La glucosa, obtenida de la descomposición de los hidratos de carbono, y los ácidos grasos, obtenidos de la descomposición de los triglicéridos (grasas), son los principales combustibles que utilizan las células para generar ATP; los aminoácidos obtenidos de la descomposición de las proteínas también se utilizan, pero en menor medida.
La respiración celular se produce en tres etapas principales. En la primera, las moléculas de combustible se oxidan para dar lugar a fragmentos de dos carbonos en forma del grupo acetilo de la acetil-coenzima A (acetil-CoA). En la segunda etapa, los grupos acetilo se oxidan en las mitocondrias en el ciclo del ácido cítrico, y los electrones se transfieren a los portadores de electrones nicotinamida adenina dinucleótido (NAD), que depende de la vitamina B3, y flavina adenina dinucleótido (FAD), que depende de la vitamina B2. En la tercera etapa de la respiración, los electrones se transfieren al oxígeno a través de la cadena de transporte de electrones (ETC) en las mitocondrias, y su energía se utiliza para impulsar la producción de ATP mediante un proceso denominado fosforilación oxidativa (OXPHOS) .
La glucólisis forma parte de la primera etapa de la respiración celular: es la vía que oxida la glucosa. La glucólisis genera la molécula piruvato, que luego se convierte en acetil-CoA para ser utilizada en la segunda etapa de la respiración celular.
La respiración celular es como una reacción de combustión muy lenta: quema combustibles para generar energía, consumiendo oxígeno y liberando dióxido de carbono y calor en el proceso.
Figura 1: Extracción metabólica y almacenamiento de energía de los alimentos. Fuente: OpenStax, Anatomía y Fisiología; 24.1 Visión general de las reacciones metabólicas. Licencia CC BY 4.0.
¿Qué es la glucosa? ¿Por qué es importante la glucólisis?
La glucosa es un carbohidrato. Los carbohidratos son un tipo de biomoléculas formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno que incluyen azúcares, almidones y celulosa. Más concretamente, la glucosa es un monosacárido, la forma más simple de azúcar y el tipo más básico de hidrato de carbono.
Obtenemos glucosa en la dieta a partir de la descomposición de hidratos de carbono complejos, como el almidón, formado por varias o muchas unidades de monosacáridos unidas (es decir, son polisacáridos). También obtenemos glucosa de la descomposición de azúcares alimentarios más simples, como los disacáridos (formados por dos unidades de monosacáridos), entre los que se encuentran la sacarosa o la lactosa, por ejemplo. Otros monosacáridos, como la fructosa o la galactosa, también pueden utilizarse para la producción de energía, pero primero deben convertirse en otras moléculas que puedan utilizarse en las vías metabólicas de la glucosa.
La glucólisis es importante porque es la vía metabólica a través de la cual la glucosa genera energía celular. La glucosa es la fuente de energía más importante para todos los organismos vivos. En el cuerpo humano, la glucosa es el combustible preferido para la gran mayoría de las células: es el único combustible que pueden utilizar los glóbulos rojos, el combustible preferido por el cerebro en condiciones de no inanición y el principal combustible utilizado por los músculos durante el ejercicio extenuante.
La glucosa es tan importante que nuestro cuerpo dispone de varios mecanismos para garantizar que los niveles de azúcar en sangre se mantengan relativamente constantes, de modo que el cerebro siempre reciba un suministro adecuado de glucosa. Después de una comida, el aumento de la glucosa en sangre incrementa la liberación de la hormona pancreática insulina, que a su vez estimula la captación de glucosa por los tejidos, principalmente el hígado y el músculo esquelético, y el almacenamiento de glucosa en forma de glucógeno. Entre las comidas, una disminución de los niveles de glucosa en sangre aumenta la liberación de la hormona pancreática glucagón, que a su vez estimula la descomposición de las reservas de glucógeno en glucosa y su liberación en la sangre. Las reservas de glucógeno también se movilizan cuando la glucosa se utiliza para apoyar la actividad física.
La glucosa, que es un hidrato de carbono, es la fuente de energía más importante para la mayoría de las células. Sus niveles en sangre se mantienen relativamente constantes para garantizar un suministro estable al cerebro.
La glucosa se oxida en la glucólisis para producir ATP
La glucólisis tiene lugar en la matriz fluida de las células (el citosol) en una secuencia de diez reacciones divididas en dos etapas. En la primera etapa, la glucosa (que tiene seis carbonos) se divide en dos fragmentos de tres carbonos en un proceso que realmente consume ATP para preparar la glucosa para su degradación. En la segunda etapa, cada fragmento de tres carbonos se oxida a una molécula llamada piruvato en un proceso que produce ATP.
Los electrones extraídos en las reacciones de oxidación se transfieren al NAD+, una molécula redox que transporta electrones a la cadena de transporte de electrones (ETC) mitocondrial para producir más ATP mediante la fosforilación oxidativa (OXPHOS).
Figura 2: Glucólisis. Fuente: OpenStax, Anatomía y Fisiología; 24.2 Metabolismo de los carbohidratos.
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La glucólisis es la vía metabólica que descompone la glucosa para producir ATP.
La primera etapa de la glucólisis utiliza ATP
La glucosa puede entrar y salir fácilmente de las células a través de los transportadores de membrana. Sin embargo, una simple modificación estructural es suficiente para mantenerla dentro de las células para ser metabolizada: la adición de una estructura química llamada grupo fosforilo (un átomo de fósforo con tres átomos de oxígeno unidos) en una reacción conocida como fosforilación. La glucólisis comienza haciendo precisamente eso: fosforila la glucosa y la atrapa dentro de las células.
La fosforilación de la glucosa la lleva a cabo una enzima llamada hexoquinasa que toma un grupo fosforilo del ATP y lo transfiere a la glucosa, produciendo glucosa 6-fosfato (véase el paso 1 de la figura 3) . La hexoquinasa pertenece a una familia de enzimas denominadas quinasas (que es la clasificación de las enzimas que fosforilan un sustrato utilizando un grupo fosforilo del ATP o viceversa). Todas las enzimas cinasas requieren magnesio para su actividad. Por tanto, el magnesio desempeña un papel importante en esta reacción. De hecho, el magnesio tiene un papel clave en la glucólisis en general porque es un cofactor para todas las quinasas que participan en esta vía. Una de las principales razones por las que Qualia Life (antes llamada Eternus) contiene magnesio es para apoyar las reacciones de la glucólisis.
En los siguientes pasos de la glucólisis, la glucosa 6-fosfato se convierte en fructosa 6-fosfato (paso 2, figura 3), que a su vez se fosforila de nuevo para producir fructosa 1,6-bisfato (paso 3, figura 3). Esta segunda fosforilación es llevada a cabo por otra quinasa (fosfofructoquinasa) utilizando otra molécula de ATP y magnesio como cofactor. Esta molécula de seis carbonos se escinde entonces en dos moléculas de tres carbonos (paso 4, figura 3), que son diferentes pero interconvertibles (paso 5, figura 3); la forma de gliceraldehído-3-fosfato se utiliza en la segunda etapa de la glucólisis .
Figura 3: La primera etapa de la glucólisis. Fuente: OpenStax, Biología; 7.2 Glucólisis.
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La primera etapa de la glucólisis utiliza ATP para preparar la glucosa para su degradación; es una inversión de ATP que dará sus frutos.
La segunda etapa de la glucólisis produce ATP
La primera reacción de la segunda etapa transforma el gliceraldehído 3-fosfato en 1,3-bisfosfoglicerato (paso 6, figura 4) . Esta reacción incluye dos procesos acoplados: una oxidación y una adición de fosfato. La reacción de oxidación extrae dos electrones del gliceraldehído 3-fosfato, que se transfieren a la molécula redox NAD+ (derivada de la vitamina B3), reduciéndola a la forma NADH. En el siguiente paso, el 3-fosfoglicerato es producido por otra quinasa (fosfoglicerato quinasa, con magnesio como cofactor) con la producción concomitante de ATP (paso 7, figura 4). Qualia Life apoya estas reacciones mediante el suministro de magnesio y vitamina B3 en forma de niacinamida y ácido nicotínico .
En los dos pasos siguientes, el 3-fosfoglicerato se reordena (paso 8, figura 4) y luego se deshidrata (paso 9, figura 3) para formar fosfoenolpiruvato. En el último paso de la glucólisis, el fosfoenolpiruvato se convierte en piruvato y se produce otra molécula de ATP piruvato quinasa utilizando magnesio como cofactor (paso 10, figura 4).
En la segunda etapa, se generan dos moléculas de ATP a partir de cada unidad de tres carbonos, lo que significa que cada molécula de glucosa produce cuatro moléculas de ATP. Dado que la primera etapa de la glucólisis utiliza dos moléculas de ATP para preparar la glucosa para su descomposición, el resultado neto de la glucólisis es la producción de dos moléculas de ATP por molécula de glucosa.
Este mecanismo de producción de ATP se denomina fosforilación a nivel de sustrato. Utiliza la energía química liberada por la conversión de un sustrato de mayor energía en un producto de menor energía para impulsar la transferencia de un grupo fosforilo para producir la molécula de alta energía ATP. La fosforilación a nivel de sustrato es una fuente de ATP más rápida, pero menos eficiente. También tiene el coste de utilizar un NAD+, que se convierte en NADH. Como veremos en la parte 4 de esta serie, la mayor parte del ATP se genera por fosforilación oxidativa, y el NAD+ se recuperará durante esa etapa final de la respiración celular.
Figura 4: La segunda mitad de la glucólisis. Fuente: OpenStax, Biología; 7.2 Glucólisis.
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La segunda etapa de la glucólisis genera piruvato, NADH y ATP; el resultado neto de la glucólisis es la producción de dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa pero a costa de un NAD+.
El piruvato producido en la glucólisis produce acetil-CoA en la mitocondria
La glucólisis produce sólo una fracción del ATP que puede producirse a partir de la oxidación completa de la glucosa. Esto se debe a que las moléculas de piruvato producidas en la glucólisis aún pueden ser oxidadas posteriormente. Es en las siguientes vías de generación de energía celular, el ciclo del ácido cítrico y la OXPHOS, donde tiene lugar la gran mayoría de la producción de ATP.
Mientras que la glucólisis tiene lugar en el citosol, el ciclo del ácido cítrico y la OXPHOS tienen lugar en las mitocondrias . Por lo tanto, el piruvato, el producto final de la glucólisis, es transportado a las mitocondrias, donde se convierte en fragmentos de dos carbonos -unidades de acetilo- y en dióxido de carbono (CO2). En esta reacción, llevada a cabo por un grupo de enzimas llamado complejo piruvato deshidrogenasa, los electrones extraídos del piruvato se transfieren al NAD+, reduciéndolo a NADH. Las unidades de acetilo se transfieren a la coenzima A (CoA, derivada del ácido pantoténico, es decir, la vitamina B5) para formar acetil-CoA, la molécula que alimenta las unidades de dos carbonos al ciclo del ácido cítrico, donde se oxidarán aún más. Los electrones extraídos de cada unidad de acetilo se utilizarán entonces para generar ATP a través de la OXPHOS.
Figura 5: Oxidación del piruvato. Fuente: OpenStax, Anatomía y Fisiología; 24.2 Metabolismo de los carbohidratos.
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La conversión mitocondrial del piruvato en acetil-CoA es el enlace entre la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico. Esta es una reacción importante que requiere varios cofactores: CoA (derivado del ácido pantoténico), NAD+ (sintetizado a partir de compuestos con actividad de la vitamina B3 o utilizando L-triptófano como sustrato y vitamina B6 como cofactor), FAD+ (dinucleótido de flavina adenina, derivado de la vitamina B2, es decir, de la riboflavina), la coenzima pirofosfato de tiamina (derivada de la vitamina B1, es decir, de la tiamina) y ácido lipoico .
Qualia Life apoya estas reacciones mediante el suministro de niacinamida y ácido nicotínico (vitamina B3), riboflavina (vitamina B2), ácido pantoténico (vitamina B5), tiamina HCl (vitamina B1), piridoxal-5′-fosfato (vitamina B6), ácido lipoico, L-triptófano y magnesio.
El piruvato se convierte en acetil-CoA en las mitocondrias; este paso une la glucólisis con el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa. Tiene un coste de una unidad de NAD+ (que posteriormente se recuperará).
El NADH producido en la glucólisis genera ATP en la mitocondria
El NAD+ es una molécula redox que lleva electrones a la cadena de transporte de electrones (ETC) mitocondrial para producir ATP a través de la OXPHOS. En la oxidación de cada molécula de glucosa a acetil-CoA, se utilizan cuatro moléculas de NAD+, cada una de las cuales recibe dos electrones y se convierte en la forma NADH. Como el NAD+ es un elemento central en la producción de ATP, es importante que las células mantengan una reserva de NAD+ disponible para recibir electrones .
Qualia Life contiene un conjunto de ingredientes que favorecen el aumento de la reserva de NAD+ en las células. Entre ellos se encuentran las proantocianidinas de uva (en el extracto de uva, BioVin®) , el resveratrol (en el extracto de uva, BioVin®) , la coenzima Q10 y el ácido lipoico.
El NADH transporta electrones a la cadena de transporte de electrones mitocondrial para producir ATP a través de la fosforilación oxidativa. El NAD+ se regenera en el proceso.
Cómo influye el metabolismo de la glucosa en el envejecimiento
La glucosa y otros monosacáridos tienen la capacidad de reaccionar con los grupos amino de las proteínas, los lípidos y los ácidos nucleicos para producir una modificación estructural denominada glicación no enzimática. Estas moléculas modificadas se denominan productos finales de glicación avanzada (AGE) y pierden su función: son moléculas dañadas.
Los AGE suelen ser degradados por los mecanismos de control de calidad celular, pero pueden acumularse en los tejidos. La producción de AGE aumenta cuando hay una exposición prolongada a niveles altos de glucosa en sangre, por ejemplo. La degradación de los AGE disminuye con el envejecimiento debido a la pérdida progresiva de la eficiencia metabólica y de los mecanismos de defensa celular.
La acumulación de AGE es un factor importante en el envejecimiento y en el desarrollo de disfunciones relacionadas con la edad. Por ejemplo, la glicación de proteínas puede contribuir al endurecimiento de los vasos sanguíneos y a la agregación neurodegenerativa de proteínas en el cerebro. Además, aparte de ser moléculas dañadas, los AGE pueden activar vías de señalización que contribuyen a la disfunción de los tejidos al aumentar el estrés oxidativo y la producción de otras moléculas dañinas.
Por lo tanto, la eficiencia del metabolismo de los carbohidratos es importante no sólo para la producción de energía celular, sino también para la minimización del daño celular asociado a la glicación. Si los azúcares no se utilizan en las vías energéticas de las células, pueden reaccionar con las proteínas, las grasas y otras moléculas y contribuir a un envejecimiento poco saludable. Por estas razones, es importante apoyar las vías metabólicas de la glucosa para ayudar a nuestro cuerpo a protegerse contra la acumulación de AGE.
La pérdida de eficiencia del metabolismo de la glucosa y de los mecanismos de defensa celular relacionada con la edad puede conducir a la acumulación de productos finales de glicación avanzada (AGE) perjudiciales.
Por qué es importante apoyar el metabolismo de la glucosa/glicólisis
Apoyar el metabolismo de la glucosa contribuye a mantener un flujo glucolítico saludable. Esto es crucial, ante todo, porque la glucosa es la fuente de energía más importante para nuestras células y tejidos. Un metabolismo saludable de los carbohidratos es importante para una producción eficiente de ATP para impulsar los procesos biológicos.
Un metabolismo eficiente de la glucosa también es fundamental para el mantenimiento de niveles saludables de azúcar en la sangre. Entre otros beneficios (como la señalización saludable de la insulina, por ejemplo), esto ayuda a disminuir la probabilidad de reacciones de glicación perjudiciales de las proteínas y las grasas.
El metabolismo de la glucosa puede ser apoyado proporcionando precursores para los cofactores que participan en la glucólisis y la producción de acetil-CoA. Como hemos visto, Qualia Life proporciona esos ingredientes. Qualia Life también proporciona ingredientes que apoyan las enzimas reguladoras de la glucosa, como el extracto de hoja de Rosmarinus officinalis (50% de ácido ursólico) . Además, Qualia LIfe también contiene ingredientes que apoyan las vías de control de calidad celular que funcionan para proteger contra los AGE. Estos incluyen Sirtmax® Kaempferia parviflora Root Extract y Rosmarinus officinalis Leaf Extract (50% de ácido ursólico).
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