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La ecuación general para la glucólisis de glucosa a lactato es como sigue:
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Todas las enzimas de la glucólisis (figura 17-2) son citosólicas. La glucosa entra a la glucólisis por medio de fosforilación hacia glucosa 6-fosfato, catalizada por la hexocinasa, usando ATP como el donador de fosfato. En condiciones fisiológicas, la fosforilación de glucosa hacia glucosa 6-fosfato puede considerarse irreversible. La hexocinasa es inhibida de manera alostérica por su producto, la glucosa 6-fosfato.
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En tejidos que no son el hígado (y en las células β de los islotes pancreáticos), la disponibilidad de glucosa para glucólisis (o para síntesis de glucógeno en el músculo, capítulo 18, y lipogénesis en el tejido adiposo, capítulo 23) se controla mediante transporte hacia la célula, que a su vez está regulado por la insulina. La hexocinasa tiene afinidad alta (Km baja) por la glucosa, y en el hígado está saturada en condiciones normales y, así, actúa a un índice constante para proporcionar glucosa 6-fosfato para satisfacer las necesidades hepáticas. Las células del hígado también contienen una isoenzima de la hexocinasa, la glucocinasa, que tiene una Km mucho más alta que la concentración intracelular normal de glucosa. La función de la glucocinasa en el hígado es eliminar glucosa de la sangre portal hepática después de una comida, de modo que regula la concentración de glucosa disponible para los tejidos periféricos. Esto proporciona más glucosa 6-fosfato que la que se requiere para la glucólisis; se usa para la síntesis de glucógeno y la lipogénesis. La glucocinasa también se encuentra en las células beta de los islotes pancreáticos, donde funciona para detectar concentraciones altas de glucosa. Conforme más glucosa es fosforilada por la glucocinasa, hay un aumento de la glucólisis, lo cual lleva a incremento de la formación de ATP. Esto conduce al cierre de un canal de ATP-potasio, lo cual causa despolarización de membrana y abertura de un canal de calcio sensible a voltaje. El flujo hacia adentro de iones de calcio resultante lleva a fusión de los gránulos secretores de insulina con la membrana celular y liberación de insulina.
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La glucosa 6-fosfato es un importante compuesto en la unión de varias vías metabólicas: glucólisis, gluconeogénesis (capítulo 19), la vía de la pentosa fosfato (capítulo 20), glucogénesis y glucogenolisis (capítulo 18). En la glucólisis se convierte en fructosa 6-fosfato mediante la fosfohexosa isomerasa, que comprende una isomerización aldosa-cetosa. Esta reacción va seguida por otra fosforilación catalizada por la enzima fosfofructocinasa (fosfofructocinasa-1) que forma fructosa 1,6-bisfosfato. En condiciones fisiológicas puede considerarse que la reacción de la fosfofructocinasa es funcionalmente irreversible; y es tanto inducible como sujeta a regulación alostérica, y tiene una participación importante en la regulación del índice de glucólisis. La aldolasa (fructosa 1,6-bisfosfato aldolasa) divide a la fructosa 1,6-bisfosfato en dos triosa fosfatos, el gliceraldehído 3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato. La enzima fosfotriosa isomerasa interconvierte estos dos últimos compuestos.
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La glucólisis continúa con la oxidación de gliceraldehído 3-fosfato a 1,3-bisfosfoglicerato. La enzima que cataliza esta oxidación, gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, es dependiente del NAD. Desde el punto de vista estructural consta de cuatro polipéptidos idénticos (monómeros) que forman un tetrámero. En cada polipéptido hay cuatro grupos —SH, derivados de residuos cisteína dentro de la cadena polipeptídica. Uno de los grupos —SH se encuentra en el sitio activo de la enzima (figura 17-3). El sustrato inicialmente se combina con este grupo —SH, lo que forma un tiohemiacetal que se oxida hacia un tiol éster; los hidrógenos eliminados en esta oxidación se transfieren al NAD+. El tiol éster después pasa por fosforólisis; se agrega fosfato inorgánico (Pi), lo que forma 1,3-bisfosfoglicerato y el grupo —SH se reconstituye.
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En la reacción siguiente, catalizada por la fosfoglicerato cinasa, el fosfato se transfiere desde el 1,3-bisfosfoglicerato hacia ADP, lo que forma ATP (fosforilación en el ámbito de sustrato) y 3-fosfoglicerato. Dado que se forman dos moléculas de triosa fosfato por cada molécula de glucosa que pasa por glucólisis, en esta reacción se forman dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que pasa por glucólisis. La toxicidad del arsénico depende de la competencia del arsenato con el fosfato inorgánico (Pi) en esta reacción anterior para dar 1-arseno-3-fosfoglicerato, que se hidroliza de manera espontánea hacia 3-fosfoglicerato sin formar ATP. La fosfoglicerato mutasa isomeriza el 3-fosfoglicerato hacia 2-fosfoglicerato. Es probable que el 2,3-bisfosfoglicerato (difosfoglicerato, DPG) sea un intermediario en esta reacción.
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El paso subsiguiente es catalizado por la enolasa, y comprende una deshidratación, lo que forma fosfoenolpiruvato. La enolasa es inhibida por el fluoruro, y cuando se obtienen muestras de sangre para medición de glucosa, la glucólisis es inhibida al tomar la muestra en tubos que contienen fluoruro. La enolasa también depende de la presencia de Mg2+ o Mn2+. El fosfato del fosfoenolpiruvato se transfiere hacia el ADP en otro nivel de sustrato de fosforilación catalizado mediante la piruvato cinasa para formar dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa oxidada. La reacción de la piruvato cinasa es en esencia irreversible en condiciones fisiológicas, debido en parte al gran cambio de energía libre involucrado, y en parte a que el producto inmediato de la reacción catalizada por enzima es el enol-piruvato, que pasa por isomerización espontánea hacia piruvato, de modo que el producto de la reacción no está disponible para pasar por la reacción inversa.
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La disponibilidad de oxígeno ahora determina cuál de las dos vías se sigue. En condiciones anaeróbicas, el NADH no puede ser reoxidado por medio de la cadena respiratoria y el piruvato se reduce a lactato, lo cual es catalizado por la lactato deshidrogenasa. Esto permite la oxidación de NADH, lo que hace posible que otra molécula de glucosa pase por glucólisis. En condiciones aeróbicas, el piruvato es transportado hacia las mitocondrias y pasa por descarboxilación oxidativa a acetil-CoA y después oxidación a CO2 en el ciclo del ácido cítrico (capítulo 16). Los equivalentes reductores del NADH formado en la glucólisis son captados hacia mitocondrias para oxidación por medio de la lanzadera (shuttle) de malato-aspartato o la lanzadera de glicerofosfato (capítulo 13).