Bioquímica del Metabolismo

La glucólisis y fermentación

Contenido de esta página: reacciones vía de glicolisis 
Resumen de vía 
fermentación 
Reglamento de la glucólisis
La glucólisis Pathway vía La glucólisis se describe a continuación y se resumen en la Fig. 17,3 p. 584 de Bioquímica, por Voet y Voet, tercera edición.
Las reacciones de la glucólisis tienen lugar en el citosol de las células.
La glucosa entra en la vía de glicolisis por conversión en glucosa-6-fosfato . Inicialmente, no hay entrada de energía correspondiente a la escisión de dos ~ P lazos de ATP.
1. hexoquinasa cataliza:  glucosa + ATP glucosa-6-fosfato + ADP

La reacción hexoquinasa implica el ataque nucleofílico del oxígeno hidroxilo C6 de la glucosa en el fósforo del fosfato terminal del ATP.ATP se une a la enzima como un complejo con Mg ++ .

La carga positiva Mg ++ interactúa con átomos de oxígeno cargados negativamente fosfato de ATP, proporcionando compensación de carga y la promoción de una conformación favorable de ATP en el sitio activo. (Véase también el diagrama p. 585.)La reacción catalizada por la hexoquinasa es altamente espontánea . Un bono fosfoanhídrido de ATP ( ~ P ) se escinde. El éster de fosfato formada en glucosa-6-fosfato tiene un menor D G de hidrólisis.

Ajuste inducido :  glucosa de unión a hexoquinasa estabiliza una conformación en la que El hidroxilo C6 de la glucosa unido es cerca de la terminal de fosfato de ATP, la promoción de la catálisis. W ater se excluye del sitio activo. Esto evita que la enzima que cataliza la hidrólisis de ATP, en vez de la transferencia de fosfato a la glucosa.  Es un motivo común para una enzima de sitio activo que se encuentra en una interfaz entre los dominios de proteínas que están conectadas por una región bisagra flexible.La flexibilidad estructural permite el acceso al sitio activo, al tiempo que permite un posicionamiento preciso de los residuos del sitio activo, y en algunos casos la exclusión de agua, promueve la unión del sustrato como una conformación particular.

2. Fosfoglucosa isomerasa cataliza:
glucosa-6-fosfato (aldosa) fructosa-6-fosfato (cetosa)

El mecanismo Fosfoglucosa Isomerasa implica la catálisis ácido / base, con la apertura del anillo, isomerización mediante soporte intermedio enediolate, y luego el cierre del anillo (. Diagrama p 587). Una reacción similar catalizada por Triosa fosfato isomerasa se presenta en más detalle a continuación.

3. fosfofructoquinasa cataliza:

fructosa-6-fosfato + ATP fructosa-1,6-bisfosfato + ADP

Esta altamente espontánea de reacción tiene un mecanismo similar a la de la hexoquinasa.La reacción fosfofructoquinasa es el paso limitante de la velocidad de la glucólisis. La enzima está altamente regulada, como se discutirá más adelante.

4. aldolasa cataliza:

fructosa-1,6-bisfosfato dihidroxiacetona fosfato + gliceraldehído-3-fosfato .

La reacción de la aldolasa es una escisión de aldol , el reverso de una condensación aldólica. Tenga en cuenta que los átomos de carbono se vuelven a numerar en productos de reacción.

A lisina residuos en el sitio activo de las funciones de la enzima aldolasa en la catálisis.El grupo ceto de la fructosa-1,6-BISp reacciona con el e -amino grupo del sitio activo lisina , para formar un protonada base de Schiff intermedia. La escisión del enlace entre C3 y C4 sigue. (Ver pág. 590).

5. Triosa fosfato isomerasa (TIM) cataliza (diagramas p 591-594.):
dihidroxiacetona fosfato (cetosa) gliceraldehído-3-fosfato (aldosa)
La glucólisis continúa desde la gliceraldehído-3-fosfato. La constante de equilibrio (K _eq ) para la reacción TIM favorece dihidroxiacetona fosfato, pero la eliminación de gliceraldehído-3-fosfato por una reacción espontánea posterior permite el rendimiento.

La conversión cetosa / aldosa reductasa de TIM implica catálisis ácido / base, y se cree que proceder a través de un intermedio enediol , como con Fosfoglucosa isomerasa,Sitio de Active Glu y Sus restos se piensan para extraer y donar protones durante la catálisis.

2-phosphoglycolate es un ejemplo de un análogo de estado de transición que une fuertemente en el sitio activo de fosfato de triosa isomerasa. Este inhibidor de la catálisis por TIM es similar en estructura a la enediolate propuesto intermedio.TIM se considera una "enzima perfecto", porque la velocidad de reacción está limitado sólo por la velocidad a la que choca con sustrato de la enzima.

La estructura del Triosa fosfato isomerasa es una ab barril , o TIM barril . En un ab barril hay 8 paralelas b -capítulos rodeadas de 8 a -hélices. Bucles cortos conectan alternando b -capítulos y unas hélices. Barriles TIM sirven como andamios para los residuos de sitio activo en una diversa gama de enzimas. Los residuos que forman el sitio activo siempre están situados en el mismo extremo del barril, asociada con los extremos C-terminales de b -capítulos y los bucles que conectan estos a un hélices. Existe un debate sobre si los muchos diferentes enzimas barril TIM están evolutivamente relacionados, ya que a pesar de las similitudes estructurales existe una enorme diversidad de funciones catalíticas de estas enzimas y poca homología de secuencia.

Explore a la derecha de la estructura del homodímero triosafosfato isomerasa (TIM), con el inhibidor de estado de transición de 2 phosphoglycolate unido a uno de los monómeros de TIM. Nota la estructura del barril TIM, y el bucle que forma una tapa que se cierra sobre el sitio activo después de la unión del sustrato.

Triosa fosfato isomerasa

6. gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa cataliza:
gliceraldehído-3-fosfato + NAD ⁺ + P _i 1,3, difosfoglicerato + NADH + H ⁺

Oxidación exergónico del aldehído en gliceraldehído-3-fosfato, a un ácido carboxílico, impulsa la formación de un fosfato de acilo, un bono de "alta energía" (~ P ), en 1,3-difosfoglicerato . Este es el único paso de la glucólisis en los que NAD + se reduce a NADH.

Un tiol de cisteína en el sitio activo de la deshidrogenasa gliceraldehído-3-fosfato tiene un papel en la catálisis (p. 596). El aldehído de la gliceraldehído-3-fosfato reacciona con el tiol de cisteína del sitio activo para formar un intermedio thiohemiacetal. La oxidación de un ácido carboxílico (en un tioéster "alta energía") se produce, como NAD + se reduce a NADH.  La "alta energía" tioéster acilo es atacado por P i para dar el fosfato de acilo ( ~ P ) del producto.

Recordemos que el NAD + acepta 2 e - más uno H + (un hidruro) en ir a su forma reducida.

7. fosfoglicerato quinasa cataliza:
1,3-difosfoglicerato + ADP 3-fosfoglicerato + ATP

Esta transferencia de fosfato a ADP, desde el grupo carboxilo en 1,3-difosfoglicerato, es reversible (bajo D G), ya que uno ~ P enlace se escinde y otro se sintetiza.La enzima experimenta un cambio conformacional inducido por el sustrato similar a la de hexoquinasa.

8. fosfoglicerato mutasa cataliza:  3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato

Fosfato se desplaza desde el hidroxilo en C3 de 3-fosfoglicerato para el hidroxilo en C2.

Un sitio de histidina cadena lateral activa participa en la transferencia de fosfato, donando y aceptar el fosfato. El proceso implica un intermedio 2,3-bisfosfato.

La reacción fosfoglicerato mutasa se ilustra en la animación de la derecha.

de fosfoglicerato mutasa

9. enolasa cataliza:  2-fosfoglicerato fosfoenolpiruvato + H ₂ O

Esta reacción de deshidratación es Mg ++ dependiente .2 Mg ++ iones interactúan con los átomos de oxígeno del sustrato carboxilo grupo en el sitio activo. Los Mg ++ iones ayudan a estabilizar el anión enolato intermedio que se forma cuando un grupo amino de cadena lateral de lisina extrae un protón del carbono # 2.

10. El piruvato quinasa cataliza:  fosfoenolpiruvato + ADP piruvato + ATP

Esta transferencia de fosfato de PEP a ADP es espontánea . PEP tiene un mayor D G de la hidrólisis de fosfato de ATP, debido a la eliminación de fosfato del PEP produce un enol inestable, que convierte espontáneamente a la forma ceto de piruvato (p. 602). Inorgánicos requeridos cationes K + y Mg++ se unen a residuos aniónicos en el sitio activo de la piruvato quinasa.

Resumen de la glucólisis:

La vía continúa desde la gliceraldehído-3-fosfato. Recordemos que hay dos gliceraldehído-3-fosfato por la glucosa metabolizada. El balance de los bonos de alta energía de ATP: 2 ATP gastado 4 ATP producido (2 de cada uno de dos 3C fragmentos de glucosa)  La producción neta de 2 ~ P lazos de ATP por glucosa .

La glucólisis Camino (omitiendo H ⁺ ):
   glucosa + 2 NAD ⁺ + 2 ADP + 2 P _i 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP
En aeróbicas organismos, piruvato producido en la glucólisis se oxida a CO ₂ a través de ciclo de Krebs , y el NADH producido en la glucólisis y el ciclo de Krebs se reoxidado a través de la cadena respiratoria, con una producción de gran parte de ATP adicional. 
Fermentación 
Organismos anaerobios carecen de una cadena respiratoria. Ellos deben oxidar NADH producido en la glucólisis a través de alguna otra reacción, porque NAD ⁺ es necesario para la reacción deshidrogenasa gliceraldehído-3-fosfato (véase más arriba). Por lo general, el NADH se reoxida como piruvato se convierte en una más reducida compuesto.
La vía completa, incluyendo la glucólisis y la re-oxidación de NADH, se llama fermentación .

Por ejemplo, lactato deshidrogenasa cataliza la reducción del grupo ceto en piruvato a un hidroxilo, produciendo lactato, como NADH se oxida a NAD + .L actate , además de ser un producto final de la fermentación, sirve como un móvil forma de energía de nutrientes , y, posiblemente, como una señal de molécula en organismos mamíferos. Las membranas celulares contienen proteínas transportadoras que facilitan el transporte de lactato. Los músculos esqueléticos fermentan la glucosa a lactato durante el ejercicio, cuando el esfuerzo es breve e intenso. Lactato liberada al sangre puede ser tomado por otros tejidos, o por el músculo esquelético después del ejercicio, y se convierte a través de lactato deshidrogenasa de nuevo a piruvato, que puede ser oxidado en el ciclo de Krebs o (en el hígado) se convierta en una copia a la glucosa a través de la gluconeogénesis . Lactato sirve como fuente de combustible para el músculo cardíaco , así como las neuronas del cerebro . Los astrocitos , que rodean y protegen las neuronas en el cerebro, la glucosa fermento a lactato y liberarlo. lactato asumido por las neuronas adyacentes se convierte en piruvato que se oxida a través del ciclo de Krebs .

Algunos organismos anaerobios metabolizan piruvato a etanol , que se excreta como un producto de desecho. NADH se convierte en NAD + en la reacción catalizada por la alcohol deshidrogenasa.  El pirofosfato de tiamina , el cofactor para la alcohol deshidrogenasa, se discute en otro lugar.

Fermentación Pathway , a partir de glucosa a lactato (omitiendo H ⁺ ):
   glucosa + 2 ADP + 2 P _i 2 lactato + 2 ATP
Un catabolismo naerobic de los rendimientos de glucosa sólo 2 bonos de ATP "alta energía".

Reglamento de la glucólisis
 

La glucólisis Enzyme *	D G o '(kJ / mol)	D G (kJ / mol)
Hexoquinasa	-20.9	-27.2
Fosfoglucosa Isomerasa	2.2	-1,4
Fosfofructoquinasa	-17.2	-25.9
Aldolasa	22.8	-5,9
Triosafosfato Isomerasa	7.9	negativo
Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, y fosfoglicerato quinasa	-16.7	-1,1
Fosfoglicerato mutasa	4.7	-0,6
Enolasa	-3,2	-2,4
Piruvato quinasa	-23.0	-13.9

* Los valores de esta tabla de D. Voet y Voet JG (2004) Bioquímica, tercera edición, John Wiley & Sons, Nueva York, p. 613.
Flux a través de la vía de glicolisis está regulada por el control de las 3 enzimas que catalizan altamente espontáneas   reacciones:  hexoquinasa , fosfofructoquinasa , y la piruvato quinasa .

• El control local del metabolismo implica efectos reguladores de diversas concentraciones de vía de sustratos o productos intermedios , en beneficio de la célula.
• Control global es para el beneficio de todo el organismo, y a menudo implica cascadas de señales hormonales activados. hepáticos células tienen un papel importante en el metabolismo, incluyendo el mantenimiento de los niveles en sangre varias de nutrientes como la glucosa. Por lo tanto el control global implica especialmente el hígado. Algunos aspectos de la lucha mundial por cascadas de señales hormonales activados serán discutidos en la sección sobre la gluconeogénesis .

Hexoquinasa , el primer paso en la vía de la glucólisis, se inhibió por su producto de glucosa-6-fosfato :

• por la competencia en el sitio activo , y
• por interacción alostérica en un sitio separado en la enzima.

Las células trampa de glucosa por fosforilación , impidiendo la salida de los transportistas de glucosa. Producto inhibición de hexoquinasa asegura que las células no continuarán para acumular la glucosa de la sangre, si [glucosa-6-fosfato] dentro de la célula es amplio.
La glucoquinasa es una variante de hexoquinasa encontrado en el hígado .

• Glucoquinasa tiene una alta K _M para la glucosa . Por tanto, es activa solamente en alto [glucosa] .
• Un efecto de la insulina , una hormona producida en respuesta a glucosa en la sangre alta, es la activación en el hígado de la transcripción del gen que codifica la glucoquinasa enzima.
• La glucoquinasa es no sujetos a la inhibición del producto por la glucosa-6-fosfato. El hígado tomará y fosforilar la glucosa incluso cuando el hígado [glucosa-6-fosfato] es alta.
• La glucoquinasa hepática está sujeta a la inhibición por una proteína reguladora de la glucoquinasa ( GKRP ). La relación de glucoquinasa a GKRP en cambios en el hígado en diferentes estados metabólicos, proporcionando un mecanismo para modular las tasas de fosforilación de la glucosa. 

Glucoquinasa , con su alto K M para la glucosa, permite que el hígado para almacenar la glucosa en forma de glucógeno en el estado alimentado cuando la sangre [glucosa] es alta.La enzima hepática de glucosa-6-fosfatasa cataliza la liberación hidrolítica de P i a partir de glucosa-6-fosfato. De este modo se libera la glucosa desde el hígado a la sangre como sea necesario para mantener la sangre [glucosa]. Las enzimas glucoquinasa y glucosa-6-fosfatasa, ambos se encuentran en el hígado , pero no en la mayoría de las otras células del cuerpo, permiten que el hígado para controlar la sangre [glucosa].

La piruvato quinasa , el último paso de la vía de la glucólisis, se controla en el hígado en parte por la modulación de la cantidad de enzima .

• Alta [glucosa] dentro de las células del hígado provoca un factor de transcripción sensible elemento vinculante proteína de hidratos de carbono ( ChREBP ) para ser transferido en el núcleo, donde activa la transcripción del gen de la piruvato quinasa.
• Esto facilita la conversión de algunos de los exceso de glucosa a piruvato , que se metaboliza a acetil-CoA , el precursor principal para la síntesis de ácidos grasos , para el almacenamiento de energía a largo plazo.

Fosfofructoquinasa es generalmente el paso limitante de la velocidad de la vía de la glucólisis. fosfofructoquinasa cataliza: fructosa-6-fosfato + ATP fructosa-1,6-bisfosfato + ADP  Fosfofructoquinasa (PFK) se alostéricamente inhibida por ATP .  A baja concentración, el sustrato ATP se une sólo en el sitio activo. En altas concentraciones, el ATP se une también a una menor afinidad sitio regulador , promoviendo la conformación tensa. La conformación tensa de fosfofructoquinasa tiene una menor afinidad por su otro sustrato, la fructosa-6-fosfato.  Dependencia sigmoidal de velocidad de reacción en [fructosa-6-fosfato] que se observa a alta [ATP], como se muestra a la derecha.

Efecto de [ATP] en ​​fosfofructoquinasa

AMP , que está presente en niveles significativos sólo cuando hay una extensa hidrólisis de ATP, antagoniza el efecto de la alta [ATP].

La inhibición de la fosfofructoquinasa , el paso limitante de la glucólisis, cuando [ATP] es alta , previene la descomposición de la glucosa, en una vía cuya función principal es producir ATP. Es más útil para la célula para almacenar glucosa en forma de glucógeno cuando el ATP es abundante (ver el diagrama de vías interconectadas arriba).