CAPÍTULO 17: Glucólisis y la oxidación de piruvato

Casi todos los tejidos tienen al menos cierto requerimiento de glucosa. En el cerebro, el requerimiento es considerable, e incluso en ayuno prolongado el cerebro no puede satisfacer más de alrededor de 20% de sus necesidades de energía a partir de cuerpos cetónicos. La glucólisis, la principal vía para el metabolismo de la glucosa, ocurre en el citosol de todas las células. Es singular, por cuanto puede funcionar de manera aerobia o anaerobia, según la disponibilidad de oxígeno y la cadena de transporte de electrones. Los eritrocitos, que carecen de mitocondrias, dependen por completo de la glucosa como su combustible metabólico y la metabolizan mediante glucólisis anaeróbica. Sin embargo, oxidar glucosa más allá del piruvato (el producto terminal de la glucólisis) requiere tanto oxígeno como sistemas de enzimas mitocondriales: el complejo de piruvato deshidrogenasa, el ciclo del ácido cítrico (capítulo 16) y la cadena respiratoria (capítulo 13).

La glucólisis es la principal ruta para el metabolismo de los carbohidratos. La capacidad de la glucólisis para proporcionar ATP en ausencia de oxígeno tiene especial importancia, porque esto permite al músculo estriado tener un desempeño a cifras muy altas de gasto de trabajo cuando el aporte de oxígeno es insuficiente, y permite a los tejidos sobrevivir a episodios de anoxia. Sin embargo, el músculo cardiaco, que está adaptado para el desempeño aerobio, tiene actividad glucolítica relativamente baja, y poca supervivencia en condiciones de isquemia. Las enfermedades en las cuales hay deficiencia de las enzimas de la glucólisis (p. ej., piruvato cinasa) se observan sobre todo como anemias hemolíticas o, si el defecto afecta el músculo estriado (p. ej., fosfofructocinasa), como fatiga. En las células cancerosas en crecimiento rápido, la glucólisis procede a un índice alto, formando grandes cantidades de piruvato, el cual es reducido hacia lactato y exportado. Esto produce un ambiente local hasta cierto punto ácido en el tumor, mismo que puede tener inferencias para la terapia del cáncer. El lactato se usa para gluconeogénesis en el hígado (capítulo 19), proceso costoso en cuanto a energía, del cual depende gran parte del hipermetabolismo que se observa en la caquexia por cáncer. La acidosis láctica se produce por varias causas, entre ellas actividad alterada de la piruvato deshidrogenasa, especialmente en la deficiencia de tiamina (vitamina B₁).

En las primeras investigaciones de la glucólisis quedó de manifiesto que la fermentación en levaduras era similar a la desintegración de glucógeno en el músculo. Fue evidente que cuando un músculo se contrae en un medio anaerobio, el glucógeno desaparece y aparece lactato; cuando se admite oxígeno, tiene lugar la recuperación aerobia, y ya no se produce lactato. No obstante, si ocurre contracción en condiciones aerobias, no hay acumulación de lactato, y el piruvato es el principal producto terminal de la glucólisis. El piruvato se oxida más hacia CO₂ y agua (figura 17-1). Cuando hay carencia de oxígeno, la reoxidación mitocondrial de NADH formado durante la glucólisis está alterada, y el NADH se reoxida al reducir piruvato a lactato, de modo que se permite que continúe la glucólisis. Si bien la glucólisis puede ocurrir en condiciones anaerobias, esto tiene un precio, puesto que limita la cantidad de ATP formado por cada mol de glucosa oxidada, de modo que debe metabolizarse mucha más glucosa en condiciones anaerobias que en condiciones aerobias (cuadro 17-1). En levaduras y algunos otros microorganismos, el piruvato formado en la glucólisis anaerobia no se reduce a lactato, sino que se descarboxila y reduce a etanol.

La ecuación general para la glucólisis de glucosa a lactato es como sigue:

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.

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 (K_m 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 K_m 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.

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.

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 (P_i), lo que forma 1,3-bisfosfoglicerato y el grupo —SH se reconstituye.

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 (P_i) 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.

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.

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).

Lo anterior es cierto para el músculo estriado, en particular las fibras blancas, donde el índice de gasto de trabajo y, por ende, la necesidad de formación de ATP, puede exceder el índice al cual se puede captar oxígeno y utilizarlo. La glucólisis en los eritrocitos siempre termina en lactato, porque las reacciones subsiguientes de oxidación de piruvato son mitocondriales, y los eritrocitos carecen de mitocondrias.

Otros tejidos que en circunstancias normales obtienen gran parte de su energía de la glucólisis y producen lactato son el cerebro, el tubo digestivo, la médula renal, la retina y la piel. La producción de lactato también se incrementa en el choque séptico; asimismo, muchos cánceres producen lactato. El hígado, los riñones y el corazón por lo general captan lactato y lo oxidan, pero lo producen en condiciones de hipoxia.

Cuando la producción de lactato es alta, como en el ejercicio vigoroso, el choque séptico y la caquexia por cáncer, gran parte se utiliza en el hígado para gluconeogénesis (capítulo 19), lo que lleva a un incremento del índice metabólico para proporcionar el ATP y GTP necesarios. El aumento del consumo de oxígeno como resultado de incremento de la oxidación de combustibles metabólicos para proporcionar el ATP y GTP necesarios para la gluconeogénesis se observa como deuda de oxígeno después de ejercicio vigoroso.

En algunas circunstancias llega a formarse lactato en el citosol, pero después entra en la mitocondria para ser oxidado hacia piruvato para metabolismo anterógrado. Esto proporciona una vía para la transferencia de equivalentes reductores desde el citosol hacia la mitocondria para la cadena de transporte de electrones además de las lanzaderas de glicerofosfato (figura 13-12) y malato-aspartato (figura 13-13).

Aunque la mayor parte de las reacciones de la glucólisis son reversibles, tres son en gran medida exergónicas y, por ende, deben considerarse irreversibles desde el punto de vista fisiológico. Estas reacciones, catalizadas por la hexocinasa (y glucocinasa), fosfofructocinasa y piruvato cinasa, son los principales sitios de regulación de la glucólisis. La fosfofructocinasa está significativamente inhibida a concentraciones intracelulares normales de ATP; esta inhibición puede aliviarse con rapidez mediante 5’ AMP que se forma a medida que empieza a acumularse ADP, lo que señala la necesidad de índice de glucólisis aumentado (capítulo 19). Las células que tienen la capacidad de gluconeogénesis (que revierten la vía glucolítica, capítulo 19) tienen diferentes enzimas que catalizan reacciones para revertir estos pasos irreversibles; glucosa 6-fosfatasa, fructosa 1,6-bisfosfatasa y, para revertir la reacción de la piruvato cinasa, piruvato carboxilasa y fosfoenolpiruvato carboxicinasa. La regulación recíproca de la fosfofructocinasa en la glucólisis, y de la fructosa 1,6-difosfatasa en la gluconeogénesis se comentan en el capítulo 19.

La fructosa entra a la glucólisis mediante fosforilación hacia fructosa 1-fosfato, y evita los principales pasos reguladores; de este modo, da por resultado la formación de más piruvato (y acetil-CoA) que el necesario para la formación de ATP. En el hígado y el tejido adiposo, esto lleva a aumento de la lipogénesis y una ingestión alta de fructosa puede ser un factor en la aparición de obesidad.

En los eritrocitos es posible evitar el paso por el primer sitio de formación de ATP en la glucólisis

En los eritrocitos, es factible evitar hasta cierto grado el paso por la reacción catalizada por la fosfoglicerato cinasa mediante la reacción de la bisfosfoglicerato mutasa, que cataliza la conversión de 1,3-bisfosfoglicerato en 2,3-bisfosfoglicerato, seguida por hidrólisis hacia 3-fosfoglicerato y P_i, catalizada por la 2,3-bisfosfoglicerato fosfatasa (figura 17-4). Esta vía comprende rendimiento neto nulo de ATP por glucólisis, sin embargo, sirve para proporcionar 2,3-bisfosfoglicerato, que se une a la hemoglobina, lo que disminuye su afinidad por el oxígeno y, así, hace que el oxígeno esté disponible con más facilidad para los tejidos (véase capítulo 6).

El piruvato, formado en el citosol, es transportado hacia la mitocondria mediante un simportador (symporter) de protón. Dentro de la mitocondria, se descarboxila de manera oxidativa hacia acetil-CoA mediante un complejo de múltiples enzimas relacionado con la membrana mitocondrial interna. Este complejo de piruvato deshidrogenasa es análogo al complejo de α-cetoglutarato deshidrogenasa del ciclo del ácido cítrico (capítulo 16). El piruvato es descarboxilado por la piruvato deshidrogenasa componente del complejo enzimático hacia un derivado hidroxietilo del anillo tiazol de tiamina difosfato unido a enzima que, a su vez, reacciona con lipoamida oxidada, el grupo prostético de la dihidrolipoil transacetilasa, para formar acetil lipoamida (figura 17-5). La tiamina es la vitamina B₁ (capítulo 44) y, cuando hay deficiencia, el metabolismo de la glucosa está alterado, y hay acidosis láctica y pirúvica importantes (y que en potencia ponen en peligro la vida). La acetil lipoamida reacciona con la coenzima A para formar acetil-CoA y lipoamida reducida. La reacción se completa cuando la lipoamida reducida se vuelve a oxidar mediante una flavoproteína, la dihidrolipoil deshidrogenasa, que contiene FAD. Por último, la flavoproteína reducida se oxida mediante NAD⁺ que, a su vez, transfiere equivalentes reductores a la cadena respiratoria. La reacción es:

El complejo de piruvato deshidrogenasa consta de varias cadenas polipeptídicas de cada una de las tres enzimas componentes, y los intermediarios no se disocian, sino que permanecen unidos a las enzimas. Ese complejo de enzimas, en el cual los sustratos pasan desde una enzima hacia la siguiente, aumenta el índice de reacción y previene reacciones colaterales, lo que aumenta la eficiencia general.

La piruvato deshidrogenasa está regulada mediante inhibición por producto terminal y modificación covalente

La piruvato deshidrogenasa es inhibida por sus productos, acetil-CoA y NADH (figura 17-6). También está regulada por fosforilación (catalizada por una cinasa) de tres residuos serina sobre el componente piruvato deshidrogenasa del complejo de múltiples enzimas, lo que da por resultado decremento de la actividad, y por desfosforilación (catalizada por una fosfatasa) que causa un aumento de la actividad. La cinasa se activa por incrementos de las proporciones [ATP]/[ADP], [acetil-CoA]/[CoA], y [NADH]/[NAD⁺]. De este modo, la piruvato deshidrogenasa y, por ende, la glucólisis, son inhibidas cuando se dispone de ATP adecuado (y coenzimas reducidas para la formación de ATP), y también cuando los ácidos grasos se están oxidando. En el ayuno, cuando aumentan las concentraciones de ácido graso libre no esterificado, hay un decremento de la proporción de la enzima en la forma activa, lo que lleva a una preservación de carbohidrato. En el tejido adiposo, donde la glucosa proporciona acetil-CoA para lipogénesis, la enzima se activa en respuesta a insulina.

La inhibición del metabolismo del piruvato lleva a acidosis láctica

La arsenita y los iones mercúricos reaccionan con los grupos —SH del ácido lipoico, e inhiben la piruvato deshidrogenasa, como lo hace una deficiencia de tiamina en la dieta (capítulo 44), lo que permite que se acumule piruvato. Muchos alcohólicos tienen deficiencia de tiamina (tanto por llevar una dieta inadecuada como porque el alcohol inhibe la absorción de tiamina) y a menudo presentan acidosis pirúvica y láctica que en potencia es mortal. Los pacientes con deficiencia hereditaria de piruvato deshidrogenasa, que puede ser el resultado de defectos en uno o más de los componentes del complejo de enzimas, también presentan acidosis láctica, en particular después de una carga de glucosa. Debido a la dependencia del cerebro de la glucosa como un combustible, estos defectos metabólicos por lo general causan alteraciones neurológicas.

La deficiencia hereditaria de aldolasa A y la deficiencia de piruvato cinasa en los eritrocitos causan anemia hemolítica. Los pacientes con deficiencia de fosfofructocinasa muscular tienen baja capacidad para hacer ejercicio, en particular si están recibiendo dietas con alto contenido de carbohidratos. Al proporcionar lípido como un combustible alternativo, por ejemplo, durante la inanición, cuando los ácidos grasos libres y los cuerpos cetónicos en la sangre están aumentados, la capacidad para desempeñar trabajo mejora.

• La glucólisis es la vía citosólica de todas las células de mamífero para el metabolismo de la glucosa (o del glucógeno) hacia piruvato y lactato.

• Puede funcionar de manera anaeróbica al regenerar NAD⁺ oxidado (que se requiere en la reacción de la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa), al reducir piruvato hacia lactato.

• El lactato es el producto terminal de la glucólisis en condiciones anaeróbicas (p. ej., en músculo que está haciendo ejercicio) o, en eritrocitos, cuando no hay mitocondrias para permitir la oxidación adicional de piruvato.

• La glucólisis está regulada por tres enzimas que catalizan reacciones desequilibradas: hexocinasa, fosfofructocinasa y piruvato cinasa.

• En los eritrocitos, puede evitarse el paso por el primer sitio en la glucólisis para la generación de ATP, lo que lleva a la formación de 2,3-bisfosfoglicerato, que tiene importancia en el decremento de la afinidad de la hemoglobina por el O₂.

• El piruvato se oxida hacia acetil-CoA mediante un complejo de múltiples enzimas, piruvato deshidrogenasa, que es dependiente del factor derivado de vitamina, difosfato de tiamina.

• Las condiciones que involucran un deterioro del metabolismo del piruvato suelen llevar a acidosis láctica.