Glycolysis

Figura 1. Las vías glicolíticas de Escherichia coli. La vía más a la izquierda es la de Emden-Meyerhof-Parnas; la más a la derecha es la de Entner-Doudoroff. Los genes que codifican las principales enzimas de las vías se muestran en cursiva. Las flechas en negrita indican la producción o el consumo de enlaces de alta energía (en forma de ATP o PEP) o de poder reductor (como NADH o NADPH). La línea curva, en negrita, cerca de la parte superior de la figura representa la membrana citoplasmática; las reacciones por encima de esa línea curva ocurren en el periplasma, las que están por debajo ocurren en el citoplasma.

La vía EMP está presente en organismos de todas las ramas de las bacterias, archaea y eukarya. Claramente, se trata de una adaptación evolutiva temprana, probablemente presente en el ancestro de todas las formas de vida actuales. Esto sugiere que la vía EMP evolucionó en un mundo anaeróbico y fermentativo. Sin embargo, la vía también funciona eficazmente como base para la respiración aeróbica de la glucosa. Las diferencias entre la fermentación y la respiración residen en gran medida en los distintos destinos del piruvato producido (véase más adelante). Para simplificar, esta discusión se centra en la vía de la AEM en la conocida bacteria Escherichia coli, aunque las características básicas de la vía son casi universales.

Antes de que comience el metabolismo de la glucosa, ésta debe ser transportada al interior de la célula y fosforilada. En E. coli, estos dos procesos están íntimamente acoplados de manera que la glucosa es fosforilada por el sistema de fosfotransferasa (PTS) a medida que pasa a la célula. Dado que la glucosa-6-fosfato (G-6-P), como la mayoría de los fosfatos de azúcares, si no todos, es tóxica en concentraciones celulares elevadas, este proceso de transporte está estrechamente regulado. La transcripción del gen transportador específico de la glucosa, ptsG, es máxima sólo cuando se acumula el monofosfato de adenosina cíclico (AMPc) (que señala la limitación de energía). Además, la traducción del ARN mensajero (ARNm) del ptsG es inhibida por el pequeño ARN sgrS, que se produce cuando se acumula G-6-P. Así, la importación y fosforilación concomitante a G-6-P se reduce siempre que la demanda de más energía es baja o la concentración de G-6-P es peligrosamente alta.

En ausencia de una proteína PtsG, otros transportadores ligados a PTS, especialmente el transportador específico de manosa, ManXYZ, también pueden transportar y fosforilar glucosa. Sin embargo, los mutantes PTSG crecen más lentamente con glucosa que las cepas de tipo salvaje. La glucosa libre también puede acumularse intracelularmente a partir de la degradación de oligosacáridos que contienen glucosa, como la lactosa o la maltosa. La entrada de la glucosa intracelular en la vía de la AEM se produce a través de una hexoquinasa codificada por el gen glk.

Los dos pasos siguientes en la vía de la AEM preparan la G-6-P para su escisión en dos fosfatos de triosa. En primer lugar, una fosfoglucosa isomerasa reversible (gen pgi) convierte la G-6-P en fructosa-6-fosfato. Un mutante pgi puede seguir creciendo lentamente con glucosa utilizando otras vías glicolíticas (véase más adelante), pero la vía EMP está bloqueada en un mutante pgi. La fructosa-6-fosfato resultante es fosforilada en la posición C1 a fructosa-1,6,-bifosfato a expensas de adenosín trifosfato (ATP) por una fosfofructocinasa codificada por pfkA. Una segunda isozima menor de la fosfofructocinasa codificada por pfkB permite el crecimiento lento de los mutantes de pfkA. Un conjunto de fosfatasas potencialmente competidoras que eliminan el fosfato C1 de la fructosa-1,6,-bifosfato funcionan durante la gluconeogénesis, pero son controladas durante la glucólisis por una serie de mecanismos de retroalimentación para evitar ciclos inútiles.

La siguiente reacción en la vía es la escisión de la fructosa-1,6-bifosfato en dos fosfatos de triosa que da nombre a la vía (glucólisis = rotura del azúcar). Esta reacción reversible es llevada a cabo por la fructosa bifosfato aldolasa (gen fbaA) y produce dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y gliceraldehído fosfato (GAP). Una segunda aldolasa no relacionada (gen fbaB) sólo se produce durante la gluconeogénesis y, por tanto, no desempeña ningún papel en la glucólisis. Las dos triosas fosfato son libremente interconvertibles a través de la triosa fosfato isomerasa (gen tpi). La DHAP es un sustrato clave para la biosíntesis de lípidos. La GAP es un nodo importante en la glucólisis; otras dos vías glucolíticas comunes (véase más adelante) se unen a la vía de la EMP en la GAP.

Hasta este punto, la vía de la EMP puede considerarse una vía biosintética, ya que produce tres bloques de construcción biosintéticos clave (G-6-P, fructosa-6-fosfato y DHAP) a expensas del ATP y sin ningún paso oxidativo. El siguiente paso es la fosforilación oxidativa de GAP a ácido 1,3-difosfoglicérico, un compuesto de alta energía. La incorporación de fosfato inorgánico por parte de la GAP deshidrogenasa (gen gapA) está acoplada a la reducción de NAD+ a NADH. En condiciones aeróbicas, este NADH se reoxida mediante la cadena respiratoria para producir ATP. En condiciones anaeróbicas, este NADH se reoxida acoplándose a la reducción de productos derivados del piruvato u otros intermediarios de la vía EMP. La enzima fosfoglicerato quinasa (gen pgk) fosforila entonces el adenosín difosfato (ADP) a ATP a expensas del fosfato C1 del 1,3-difosfoglicerato. Esta es la primera de las dos fosforilaciones a nivel de sustrato en las que el fosfato se transfiere desde un sustrato altamente reactivo directamente a ADP sin la participación de la ATP sintasa de membrana.

Los dos pasos siguientes reordenan el 3-fosfoglicerato resultante hasta el último intermedio de alta energía de la vía, el fosfoenolpiruvato (PEP). En primer lugar, el fosfato es transferido de la posición C3 a la posición C2 por una fosfoglicerato mutasa. Existen dos isozimas evolutivamente no relacionadas, una de las cuales (codificada por el gen gpmA) requiere un 2,3-bisfosfoglicerato como cofactor y la otra (gen gpmM) no. Aunque E. coli, Bacillus subtilis y algunas otras bacterias tienen ambas isozimas, muchos organismos sólo tienen una o la otra. Por ejemplo, la levadura Saccharomyces cerevisiae, la bacteria Mycobacterium tuberculosis y todos los vertebrados sólo tienen la enzima dependiente del cofactor, mientras que las plantas superiores, las arqueas y la bacteria Pseudomonas syringae sólo tienen la enzima independiente del cofactor. Una tercera isoenzima (gen ytjC) parece existir en E. coli, aunque su papel es menos claro.

El 2-fosfoglicerato reordenado es entonces deshidratado por una enolasa (gen eno) para producir el intermedio clave, PEP. Aunque generalmente se considera que el piruvato es el producto final de la vía del PEM, se puede argumentar que el PEP comparte ese honor. El PEP es la fuente final de fosfato para el transporte/fosforilación de glucosa mediado por el PtsG que inicia la vía. Además, la enzima enolasa es una parte necesaria del degradasoma que funciona con el pequeño ARN sgrS (descrito anteriormente) para inhibir la traducción del ARNm de ptsG y estimular la degradación del ARNm de ptsG. Esto reduce la generación de la acumulación de G-6-P, que de otro modo sería tóxica.

Cabe destacar que la PEP es un punto de ramificación tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas. La carboxilación del PEP por la PEP carboxilasa (gen ppc) proporciona oxaloacetato, que se condensa con el acetil-CoA derivado del piruvato para formar citrato para ejecutar tanto el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) como la derivación del glioxilato aeróbicamente. Durante la fermentación, este mismo oxaloacetato es un intermediario en la vía reductora (regeneradora de NAD) hacia el succinato. Además, el oxaloacetato derivado del PEP se utiliza (a través de una parte del ciclo del TCA) para la biosíntesis del ácido glutámico incluso en condiciones anaeróbicas.

La última reacción es una fosforilación a nivel de sustrato del ADP a ATP a expensas del PEP para producir piruvato. Las dos isozimas de la piruvato quinasa (genes pykA y pykF) son activadas por los fosfatos de los azúcares y el producto del gen pykF muestra una cooperatividad positiva con respecto al sustrato PEP, tendiendo de nuevo a evitar la acumulación de este intermedio fosforilado y evitando así la generación de más G-6-P a través del mecanismo de transporte PtsG dependiente de PEP.

Al final de la vía de la PEP, 1 mol de glucosa se convierte en 2 mol de piruvato, que puede utilizarse para el catabolismo posterior o para la biosíntesis. También se obtienen 2 mol de ATP y 2 mol de NADH (que deben reoxidarse para que la vía siga funcionando). Dado que la vía genera varios productos intermedios tóxicos, no es de extrañar que el flujo a través de la vía esté estrechamente regulado. Las enzimas de la vía responden rápidamente a las variaciones de la oferta y la demanda mediante la inhibición por retroalimentación y la activación de sustrato de las actividades enzimáticas. También responden (más lentamente) mediante la regulación transcripcional de la expresión génica en respuesta a reguladores globales que varían de un organismo a otro.

La vía de la AEM funciona para generar tanto intermediarios biosintéticos como energía catabólica a partir de la glucosa. Sin embargo, también sirve como línea troncal central en la que se alimentan muchas otras vías catabólicas. La G-6-P, la fructosa-6-fosfato, la DHAP y la GAP son puntos de unión comunes en los que las vías catabólicas de los azúcares, los alcoholes, las grasas y los ácidos orgánicos se alimentan de la vía de la EMP.