Glucólisis

Los primeros cinco pasos de la glucólisis se consideran la fase preparatoria (o de inversión), ya que consumen energía para convertir la glucosa en dos fosfatos de azúcar de tres carbonos ^{[ 5 ]} ( G3P ).

Una vez que la glucosa ingresa a la célula, el primer paso es su fosforilación por una familia de enzimas llamadas hexoquinasas para formar glucosa-6-fosfato (G6P). Esta reacción consume ATP, pero mantiene baja la concentración de glucosa dentro de la célula, promoviendo el transporte continuo de glucosa sanguínea hacia el interior celular a través de los transportadores de la membrana plasmática. Además, la fosforilación impide que la glucosa salga de la célula, ya que esta carece de transportadores para G6P y su difusión libre hacia el exterior se ve impedida por su carga. Alternativamente, la glucosa puede formarse mediante la fosforólisis o hidrólisis del almidón o glucógeno intracelular.

En los animales , el hígado también utiliza una isoenzima de la hexocinasa llamada glucocinasa , la cual tiene una afinidad mucho menor por la glucosa (K _m cercana a la glucemia normal) y difiere en sus propiedades reguladoras. Las diversas afinidades por el sustrato y la regulación de esta enzima reflejan el papel del hígado en el mantenimiento de los niveles de glucosa en sangre.

Cofactores: Mg ²⁺

La glucosa fosfato isomerasa transforma la G6P en fructosa 6-fosfato (F6P) . En este punto, la fructosa también puede incorporarse a la vía glucolítica mediante fosforilación.

El cambio estructural es una isomerización, en la que la G6P se convierte en F6P. Esta reacción requiere la acción de la enzima fosfoglucosa isomerasa. En condiciones celulares normales, esta reacción es reversible. Sin embargo, suele avanzar debido a la baja concentración de F6P, que se consume constantemente durante la siguiente etapa de la glucólisis. En condiciones de alta concentración de F6P, la reacción se invierte fácilmente. Este fenómeno se explica mediante el principio de Le Chatelier . La isomerización a un cetoazúcar es necesaria para la estabilización del carbanión en la cuarta etapa de la reacción (véase más abajo).

El gasto energético de otra molécula de ATP en este paso se justifica de dos maneras: el proceso glucolítico (hasta este punto) se vuelve irreversible y la energía suministrada desestabiliza la molécula. Dado que la reacción catalizada por la fosfofructocinasa 1 (PFK-1) está acoplada a la hidrólisis del ATP (un paso energéticamente favorable), es, en esencia, irreversible, y debe utilizarse una vía metabólica distinta para llevar a cabo la conversión inversa durante la gluconeogénesis . Esto convierte a esta reacción en un punto regulador clave (véase más adelante).

Además, el segundo evento de fosforilación es necesario para permitir la formación de dos grupos cargados (en lugar de solo uno) en el paso subsiguiente de la glucólisis, lo que garantiza la prevención de la difusión libre de sustratos fuera de la célula.

La misma reacción también puede ser catalizada por la fosfofructocinasa dependiente de pirofosfato ( PFP ​​o PPi-PFK ), que se encuentra en la mayoría de las plantas, algunas bacterias, arqueas y protistas, pero no en animales. Esta enzima utiliza pirofosfato (PPi) como donador de fosfato en lugar de ATP. Es una reacción reversible, lo que aumenta la flexibilidad del metabolismo glucolítico. ^{[ 18 ]} Se ha identificado una variante menos frecuente de la enzima PFK dependiente de ADP en especies de arqueas. ^{[ 19 ]}

Cofactores: Mg ²⁺

La desestabilización de la molécula en la reacción previa permite que la aldolasa divida el anillo de hexosa en dos azúcares triosa: dihidroxiacetona fosfato (una cetosa) y gliceraldehído 3-fosfato (una aldosa). Existen dos clases de aldolasas: las de clase I, presentes en animales y plantas, y las de clase II, presentes en hongos y bacterias. Ambas clases emplean mecanismos distintos para la ruptura del anillo de cetosa.

Los electrones deslocalizados en la ruptura del enlace carbono-carbono se asocian con el grupo alcohol. El carbanión resultante se estabiliza por resonancia y por un grupo prostético con carga positiva.

La triosafosfato isomerasa interconvierte rápidamente el dihidroxiacetona fosfato con el gliceraldehído 3-fosfato ( GADP ), que continúa su ciclo en la glucólisis. Esto resulta ventajoso, ya que dirige el dihidroxiacetona fosfato por la misma vía metabólica que el gliceraldehído 3-fosfato, simplificando así su regulación.

La segunda mitad de la glucólisis se conoce como la fase de recompensa, caracterizada por una ganancia neta de las moléculas ricas en energía ATP y NADH. ^{[ 5 ]} Dado que la glucosa produce dos triosas en la fase preparatoria, cada reacción en la fase de recompensa ocurre dos veces por molécula de glucosa. Esto produce 2 moléculas de NADH y 4 moléculas de ATP, lo que resulta en una ganancia neta de 2 moléculas de NADH y 2 moléculas de ATP de la vía glucolítica por molécula de glucosa.

Los grupos aldehído de los azúcares triosa se oxidan y se les añade fosfato inorgánico , formando 1,3-bisfosfoglicerato .

El hidrógeno se utiliza para reducir dos moléculas de NAD ⁺ , un transportador de hidrógeno, para dar NADH + H ⁺ por cada triosa.

El equilibrio de átomos e iones de hidrógeno y el equilibrio de carga se mantienen porque el grupo fosfato (P _i ) existe en realidad en forma de un anión hidrogenofosfato ( HPO 2− 4 ), ^{[ 6 ]} que se disocia para aportar el ion H ⁺ adicional y da una carga neta de −3 en ambos lados.

Aquí, el arseniato ( [ AsO₄ ] ^{³⁻ ), un anión similar al fosfato inorgánico} _, puede reemplazar al fosfato como sustrato para formar 1-arseno-3-fosfoglicerato. Sin embargo, este es inestable y se hidroliza fácilmente para formar 3-fosfoglicerato , el intermediario en el siguiente paso de la vía metabólica. Como consecuencia de omitir este paso, la molécula de ATP generada a partir de 1-3-bisfosfoglicerato en la siguiente reacción no se producirá, aunque la reacción continúe. Por lo tanto, el arseniato actúa como desacoplador de la glucólisis. ^{[ 20 ]}

Este paso consiste en la transferencia enzimática de un grupo fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato al ADP por la fosfoglicerato quinasa , formando ATP y 3-fosfoglicerato . En este punto, la glucólisis ha alcanzado el equilibrio: se han consumido 2 moléculas de ATP y se han sintetizado 2 nuevas moléculas. Este paso, uno de los dos pasos de fosforilación a nivel de sustrato , requiere ADP; por lo tanto, cuando la célula dispone de abundante ATP (y poco ADP), esta reacción no se produce. Dado que el ATP se degrada con relativa rapidez cuando no se metaboliza, este es un punto de regulación importante en la vía glucolítica.

El ADP existe en realidad como ADPMg ⁻ , y el ATP como ATPMg ²⁻ , equilibrando las cargas en −5 en ambos lados.

Cofactores: Mg ²⁺

La fosfoglicerato mutasa isomeriza el 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato .

A continuación, la enolasa convierte el 2-fosfoglicerato en fosfoenolpiruvato . Esta reacción es una reacción de eliminación que implica un mecanismo E1cB .

Cofactores: 2 Mg ²⁺ , un ion "conformacional" que se coordina con el grupo carboxilato del sustrato y un ion "catalítico" que participa en la deshidratación.

Una fosforilación final a nivel de sustrato forma una molécula de piruvato y una molécula de ATP mediante la enzima piruvato quinasa . Esto constituye un paso regulador adicional, similar al paso de la fosfoglicerato quinasa.

Cofactores: Mg ²⁺

La existencia de más de un punto de regulación indica que los intermediarios entre dichos puntos entran y salen de la vía glucolítica mediante otros procesos. Por ejemplo, en el primer paso regulado, la hexocinasa convierte la glucosa en glucosa-6-fosfato. En lugar de continuar por la vía glucolítica, este intermediario puede transformarse en moléculas de almacenamiento de glucosa, como el glucógeno o el almidón . La reacción inversa, que degrada, por ejemplo, el glucógeno, produce principalmente glucosa-6-fosfato; se forma muy poca glucosa libre en la reacción. La glucosa-6-fosfato así producida puede entrar en la glucólisis después del primer punto de control.

En el segundo paso regulado (el tercer paso de la glucólisis), la fosfofructocinasa convierte la fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-bisfosfato, que luego se convierte en gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato. La dihidroxiacetona fosfato puede eliminarse de la glucólisis mediante su conversión en glicerol-3-fosfato, que puede utilizarse para formar triglicéridos. ^{[ 21 ]} A la inversa, los triglicéridos pueden descomponerse en ácidos grasos y glicerol; este último, a su vez, puede convertirse en dihidroxiacetona fosfato, que puede entrar en la glucólisis después del segundo punto de control.

El cambio en la energía libre, ΔG , para cada paso de la vía glucolítica se puede calcular usando ΔG = ΔG ° ′ + RT ln Q , donde Q es el cociente de reacción . Esto requiere conocer las concentraciones de los metabolitos . Todos estos valores están disponibles para los eritrocitos , con la excepción de las concentraciones de NAD ⁺ y NADH. La relación de NAD ⁺ a NADH en el citoplasma es aproximadamente 1000, lo que hace que la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato (paso 6) sea más favorable.

Utilizando las concentraciones medidas de cada paso y los cambios de energía libre estándar, se puede calcular el cambio de energía libre real. (Es muy común omitir este paso, ya que el delta G de la hidrólisis del ATP en las células no es el cambio de energía libre estándar de la hidrólisis del ATP que se cita en los libros de texto).

A partir de la medición de las concentraciones fisiológicas de metabolitos en un eritrocito, parece que aproximadamente siete de los pasos de la glucólisis se encuentran en equilibrio para ese tipo de célula. Tres de los pasos —aquellos con grandes cambios negativos de energía libre— no están en equilibrio y se denominan irreversibles ; estos pasos suelen estar sujetos a regulación.

El paso 5 de la figura se muestra detrás de los demás pasos, ya que se trata de una reacción secundaria que puede disminuir o aumentar la concentración del intermediario gliceraldehído-3-fosfato. Este compuesto se convierte en dihidroxiacetona fosfato mediante la enzima triosa fosfato isomerasa, que es una enzima catalíticamente perfecta ; su velocidad es tan rápida que se puede asumir que la reacción está en equilibrio. El hecho de que ΔG no sea cero indica que las concentraciones reales en el eritrocito no se conocen con exactitud.

En los animales, la regulación de los niveles de glucosa en sangre por el páncreas junto con el hígado es una parte vital de la homeostasis . Las células beta en los islotes pancreáticos son sensibles a la concentración de glucosa en sangre. ^{[ 32 ]} Un aumento en la concentración de glucosa en sangre hace que liberen insulina en la sangre, lo que tiene un efecto particularmente en el hígado, pero también en las células adiposas y musculares , haciendo que estos tejidos eliminen la glucosa de la sangre. Cuando el azúcar en sangre baja, las células beta pancreáticas cesan la producción de insulina, pero, en cambio, estimulan a las células alfa pancreáticas vecinas para que liberen glucagón en la sangre. ^{[ 32 ]} Esto, a su vez, hace que el hígado libere glucosa en la sangre mediante la descomposición del glucógeno almacenado y a través de la gluconeogénesis. Si la caída del nivel de glucosa en sangre es particularmente rápida o severa, otros sensores de glucosa hacen que las glándulas suprarrenales liberen epinefrina en la sangre. Esto tiene la misma acción que el glucagón sobre el metabolismo de la glucosa, pero su efecto es más pronunciado. ^{[ 32 ]} En el hígado, el glucagón y la epinefrina provocan la fosforilación de las enzimas clave y reguladas de la glucólisis, la síntesis de ácidos grasos , la síntesis de colesterol , la gluconeogénesis y la glucogenólisis. La insulina tiene el efecto opuesto sobre estas enzimas. ^{[ 33 ]} La fosforilación y desfosforilación de estas enzimas (en última instancia, en respuesta al nivel de glucosa en sangre) es la principal forma en que estas vías se controlan en las células del hígado, el tejido adiposo y el músculo. Así, la fosforilación de la fosfofructocinasa inhibe la glucólisis, mientras que su desfosforilación por la acción de la insulina la estimula. ^{[ 33 ]}

Las tres enzimas reguladoras son la hexocinasa (o glucocinasa en el hígado), la fosfofructocinasa y la piruvato cinasa . El flujo a través de la vía glucolítica se ajusta en respuesta a las condiciones tanto internas como externas a la célula. Los factores internos que regulan la glucólisis lo hacen principalmente para proporcionar ATP en cantidades adecuadas para las necesidades celulares. Los factores externos actúan principalmente sobre el hígado , el tejido adiposo y los músculos , que pueden eliminar grandes cantidades de glucosa de la sangre después de las comidas (previniendo así la hiperglucemia al almacenar el exceso de glucosa como grasa o glucógeno, según el tipo de tejido). El hígado también es capaz de liberar glucosa en la sangre entre comidas, durante el ayuno y el ejercicio, previniendo así la hipoglucemia mediante la glucogenólisis y la gluconeogénesis . Estas últimas reacciones coinciden con la detención de la glucólisis en el hígado.

Además, la hexocinasa y la glucocinasa actúan independientemente de los efectos hormonales como reguladores en los puntos de entrada de la glucosa a las células de distintos tejidos. La hexocinasa responde al nivel de glucosa-6-fosfato (G6P) en la célula o, en el caso de la glucocinasa, al nivel de glucosa en sangre para ejercer un control totalmente intracelular de la vía glucolítica en distintos tejidos (véase más adelante ). ^{[ 33 ]}

Cuando la glucosa se ha convertido en G6P por acción de la hexocinasa o la glucocinasa, puede convertirse en glucosa-1-fosfato (G1P) para su conversión en glucógeno , o bien, mediante la glucólisis, en piruvato , que entra en la mitocondria donde se convierte en acetil-CoA y luego en citrato . El exceso de citrato se exporta de la mitocondria al citosol, donde la ATP citrato liasa regenera acetil-CoA y oxalacetato (OAA). El acetil-CoA se utiliza entonces para la síntesis de ácidos grasos y la síntesis de colesterol , dos formas importantes de utilizar el exceso de glucosa cuando su concentración es alta en sangre. Las enzimas reguladas que catalizan estas reacciones realizan estas funciones cuando se han desfosforilado por la acción de la insulina en las células hepáticas. Entre comidas, durante el ayuno , el ejercicio o la hipoglucemia, se liberan glucagón y epinefrina en la sangre. Esto hace que el glucógeno hepático se convierta de nuevo en G6P, y luego se convierta en glucosa por la enzima específica del hígado glucosa 6-fosfatasa y se libere en la sangre. El glucagón y la epinefrina también estimulan la gluconeogénesis, que convierte sustratos no carbohidratos en G6P, que se une al G6P derivado del glucógeno, o lo sustituye cuando las reservas de glucógeno hepático se han agotado. Esto es fundamental para la función cerebral, ya que el cerebro utiliza la glucosa como fuente de energía en la mayoría de las condiciones. ^{[ 34 ]} La fosforilación simultánea, en particular, de la fosfofructocinasa , pero también, en cierta medida, de la piruvato cinasa, evita que la glucólisis ocurra al mismo tiempo que la gluconeogénesis y la glucogenólisis.

Hexocinasa y glucocinasa

Todas las células contienen la enzima hexocinasa , que cataliza la conversión de la glucosa que ha entrado en la célula en glucosa-6-fosfato (G6P). Dado que la membrana celular es impermeable a la G6P, la hexocinasa actúa esencialmente transportando la glucosa al interior de las células, desde donde ya no puede escapar. La hexocinasa se inhibe por altos niveles de G6P en la célula. Por lo tanto, la velocidad de entrada de glucosa en las células depende parcialmente de la rapidez con que la G6P se elimina mediante la glucólisis y la síntesis de glucógeno (en las células que almacenan glucógeno, es decir, el hígado y los músculos). ^{[ 33 ] [ 35 ]}

La glucocinasa , a diferencia de la hexocinasa, no es inhibida por la G6P. Se encuentra en las células hepáticas y solo fosforila la glucosa que ingresa a la célula para formar G6P cuando la glucosa en la sangre es abundante. Siendo este el primer paso de la vía glucolítica en el hígado, proporciona un nivel adicional de control de dicha vía en este órgano. ^{[ 33 ]}

Fosfofructocinasa

La fosfofructocinasa es un punto de control importante en la vía glucolítica, ya que es uno de los pasos irreversibles y tiene efectores alostéricos clave, el AMP y la fructosa 2,6-bisfosfato (F2,6BP).

La F2,6BP es un activador muy potente de la fosfofructocinasa (PFK-1), que se sintetiza cuando la F6P es fosforilada por una segunda fosfofructocinasa ( PFK2 ). En el hígado, cuando la glucemia es baja y el glucagón eleva el AMPc, la PFK2 es fosforilada por la proteína quinasa A. La fosforilación inactiva la PFK2, y otro dominio de esta proteína se activa como fructosa bifosfatasa-2 , que convierte la F2,6BP de nuevo en F6P. Tanto el glucagón como la epinefrina provocan altos niveles de AMPc en el hígado. El resultado de niveles más bajos de F2,6BP hepática es una disminución de la actividad de la fosfofructocinasa y un aumento de la actividad de la fructosa 1,6-bisfosfatasa , de modo que se favorece la gluconeogénesis (en esencia, "glucólisis inversa"). Esto concuerda con la función del hígado en tales situaciones, ya que la respuesta del hígado a estas hormonas es liberar glucosa en la sangre.

El ATP compite con el AMP por el sitio efector alostérico en la enzima PFK. Las concentraciones de ATP en las células son mucho mayores que las de AMP, típicamente 100 veces mayores, ^{[ 36 ]} pero la concentración de ATP no cambia más de un 10% en condiciones fisiológicas, mientras que una disminución del 10% en ATP resulta en un aumento de 6 veces en AMP. ^{[ 37 ]} Por lo tanto, la relevancia del ATP como efector alostérico es cuestionable. Un aumento en AMP es consecuencia de una disminución en la carga energética en la célula.

El citrato inhibe la fosfofructocinasa en ensayos in vitro al potenciar el efecto inhibidor del ATP. Sin embargo, es dudoso que este efecto sea significativo in vivo , ya que el citrato en el citosol se utiliza principalmente para su conversión en acetil-CoA, enzima esencial para la síntesis de ácidos grasos y colesterol .

TIGAR , una enzima inducida por p53, es responsable de la regulación de la fosfofructocinasa y actúa para proteger contra el estrés oxidativo. ^{[ 38 ]} TIGAR es una enzima única con doble función que regula la F2,6BP. Puede comportarse como una fosfatasa (fructosa-2,6-bisfosfatasa) que escinde el fosfato en el carbono-2 produciendo F6P. También puede comportarse como una cinasa (PFK2) que añade un fosfato al carbono-2 de la F6P, lo que produce F2,6BP. En humanos, la proteína TIGAR está codificada por el gen C12orf5 . La enzima TIGAR obstaculizará la progresión de la glucólisis, creando una acumulación de fructosa-6-fosfato (F6P) que se isomeriza en glucosa-6-fosfato (G6P). La acumulación de G6P desviará carbonos hacia la vía de las pentosas fosfato. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

piruvato quinasa

El paso final de la glucólisis es catalizado por la piruvato quinasa para formar piruvato y otro ATP. Está regulado por una variedad de mecanismos de regulación transcripcional, covalente y no covalente, que pueden variar ampliamente. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]} Por ejemplo, en el hígado, la piruvato quinasa se regula en función de la disponibilidad de glucosa. Durante el ayuno (sin glucosa disponible), el glucagón activa la proteína quinasa A que fosforila la piruvato quinasa para inhibirla. ^{[ 44 ]} Un aumento en el azúcar en sangre conduce a la secreción de insulina , que activa la proteína fosfatasa 1 , lo que conduce a la desfosforilación y reactivación de la piruvato quinasa. ^{[ 44 ]} Estos controles impiden que la piruvato quinasa esté activa al mismo tiempo que las enzimas que catalizan la reacción inversa ( piruvato carboxilasa y fosfoenolpiruvato carboxiquinasa ), evitando así un ciclo fútil . ^{[ 44 ]} Por el contrario, la isoforma de piruvato quinasa que se encuentra en el músculo no se ve afectada por la proteína quinasa A (que se activa por la adrenalina en ese tejido), de modo que la glucólisis permanece activa en los músculos incluso durante el ayuno. ^{[ 44 ]}

Un método para lograr esto consiste simplemente en que el piruvato realice la oxidación; en este proceso, el piruvato se convierte en lactato (la base conjugada del ácido láctico) en un proceso llamado fermentación láctica :

Piruvato + NADH + H ⁺ → Lactato + NAD ⁺

Este proceso se produce en las bacterias que intervienen en la elaboración del yogur (el ácido láctico provoca la coagulación de la leche). También se da en animales en condiciones de hipoxia (o anaerobiosis parcial), como en los músculos sobrecargados que sufren falta de oxígeno. En muchos tejidos, este es un último recurso celular para obtener energía; la mayoría de los tejidos animales no toleran las condiciones anaeróbicas durante un periodo prolongado.

Algunos organismos, como la levadura, convierten el NADH de nuevo en NAD ⁺ en un proceso llamado fermentación de etanol . En este proceso, el piruvato se convierte primero en acetaldehído y dióxido de carbono, y luego en etanol.

La fermentación láctica y la fermentación etanólica pueden ocurrir en ausencia de oxígeno. Esta fermentación anaeróbica permite que muchos organismos unicelulares utilicen la glucólisis como su única fuente de energía.

La regeneración anóxica de NAD ⁺ es un medio eficaz de producción de energía únicamente durante el ejercicio intenso y breve en vertebrados, durante un período que oscila entre 10 segundos y 2 minutos durante un esfuerzo máximo en humanos. (A intensidades de ejercicio menores, puede mantener la actividad muscular en animales buceadores , como focas, ballenas y otros vertebrados acuáticos, durante períodos mucho más prolongados). En estas condiciones, el NAD ⁺ se repone mediante la donación de electrones del NADH al piruvato para formar lactato. Esto produce 2 moléculas de ATP por molécula de glucosa, o aproximadamente el 5% del potencial energético de la glucosa (38 moléculas de ATP en bacterias). Sin embargo, la velocidad a la que se produce el ATP de esta manera es aproximadamente 100 veces mayor que la de la fosforilación oxidativa. El pH en el citoplasma desciende rápidamente cuando se acumulan iones de hidrógeno en el músculo, lo que finalmente inhibe las enzimas implicadas en la glucólisis.

La sensación de ardor en los músculos durante el ejercicio intenso se atribuye a la liberación de iones de hidrógeno durante la transición de la oxidación de glucosa a dióxido de carbono y agua a la fermentación de glucosa, cuando el metabolismo aeróbico ya no puede satisfacer las demandas energéticas de los músculos. Estos iones de hidrógeno forman parte del ácido láctico. El cuerpo recurre a este método menos eficiente pero más rápido de producción de ATP en condiciones de bajo oxígeno. Se cree que este fue el principal medio de producción de energía en los organismos primitivos antes de que el oxígeno alcanzara altas concentraciones en la atmósfera hace entre 2000 y 2500 millones de años, y por lo tanto representaría una forma de producción de energía más antigua que la reposición aeróbica de NAD ⁺ en las células.

En los mamíferos, el hígado elimina este exceso de lactato transformándolo de nuevo en piruvato en condiciones aeróbicas; véase el ciclo de Cori .

La fermentación del piruvato a lactato a veces también se denomina "glucólisis anaeróbica"; sin embargo, la glucólisis termina con la producción de piruvato independientemente de la presencia o ausencia de oxígeno.

En los dos ejemplos de fermentación anteriores, el NADH se oxida transfiriendo dos electrones al piruvato. Sin embargo, las bacterias anaeróbicas utilizan una amplia variedad de compuestos como aceptores terminales de electrones en la respiración celular : compuestos nitrogenados, como nitratos y nitritos; compuestos de azufre, como sulfatos, sulfitos, dióxido de azufre y azufre elemental; dióxido de carbono; compuestos de hierro; compuestos de manganeso; compuestos de cobalto; y compuestos de uranio.

En los eucariotas aerobios , se ha desarrollado un mecanismo complejo para utilizar el oxígeno del aire como aceptor final de electrones, en un proceso llamado fosforilación oxidativa . Los procariotas aerobios , que carecen de mitocondrias, utilizan una variedad de mecanismos más simples .

• En primer lugar, el NADH + H ⁺ generado por la glucólisis debe transferirse a la mitocondria para oxidarse y regenerar así el NAD ⁺ necesario para que la glucólisis continúe. Sin embargo, la membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH y al NAD ⁺ . ^{[ 45 ]} Por lo tanto, se utilizan dos "transportadores" para transportar los electrones del NADH a través de la membrana mitocondrial. Estos son el transportador malato-aspartato y el transportador glicerol fosfato . En el primero, los electrones del NADH se transfieren al oxalacetato citosólico para formar malato . El malato luego atraviesa la membrana mitocondrial interna hacia la matriz mitocondrial, donde es reoxidado por el NAD ⁺ formando oxalacetato intramitocondrial y NADH. El oxalacetato se recicla al citosol mediante su conversión a aspartato, que se transporta fácilmente fuera de la mitocondria. En el ciclo del fosfato de glicerol, los electrones del NADH citosólico se transfieren a la dihidroxiacetona para formar glicerol-3-fosfato , que atraviesa fácilmente la membrana mitocondrial externa. El glicerol-3-fosfato se reoxida a dihidroxiacetona, donando sus electrones al FAD en lugar del NAD ⁺ . ^{[ 45 ]} Esta reacción tiene lugar en la membrana mitocondrial interna, lo que permite que el FADH2 _done sus electrones directamente a la coenzima Q ( ubiquinona ) _, que forma parte de la cadena de transporte de electrones que finalmente transfiere electrones al oxígeno molecular O2 , con la formación de agua y la liberación de energía que finalmente se captura en forma de ATP .
• El producto final de la glucólisis, el piruvato (más NAD ^{+ )} _, se convierte en acetil-CoA , CO2 y NADH + H ⁺ dentro de las mitocondrias en un proceso llamado descarboxilación del piruvato .
• El acetil-CoA resultante entra en el ciclo del ácido cítrico (o ciclo de Krebs), donde el grupo acetilo del acetil-CoA se convierte en dióxido de carbono mediante dos reacciones de descarboxilación con la formación de aún más NADH + H ⁺ intramitocondrial .
• El NADH intramitocondrial + H ⁺ se oxida a NAD ⁺ mediante la cadena de transporte de electrones , utilizando oxígeno como aceptor final de electrones para formar agua. La energía liberada durante este proceso se utiliza para crear un gradiente de iones de hidrógeno (o protones) a través de la membrana interna de la mitocondria .
• Finalmente, el gradiente de protones se utiliza para producir aproximadamente 2,5 ATP por cada NADH + H ⁺ oxidado en un proceso llamado fosforilación oxidativa . ^{[ 45 ]}

El piruvato producido por la glucólisis es un intermediario importante en la conversión de carbohidratos en ácidos grasos y colesterol . ^{[ 46 ]} Esto ocurre a través de la conversión de piruvato en acetil-CoA en la mitocondria . Sin embargo, este acetil-CoA necesita ser transportado al citosol donde ocurre la síntesis de ácidos grasos y colesterol. Esto no puede ocurrir directamente. Para obtener acetil-CoA citosólico, el citrato (producido por la condensación de acetil-CoA con oxalacetato ) se retira del ciclo del ácido cítrico y se transporta a través de la membrana mitocondrial interna hacia el citosol . ^{[ 46 ]} Allí es escindido por la ATP citrato liasa en acetil-CoA y oxalacetato. El oxalacetato regresa a la mitocondria como malato (y luego de nuevo a oxalacetato para transferir más acetil-CoA fuera de la mitocondria). El acetil-CoA citosólico puede ser carboxilado por la acetil-CoA carboxilasa en malonil-CoA , el primer paso comprometido en la síntesis de ácidos grasos , o puede combinarse con acetoacetil-CoA para formar 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA ( HMG-CoA ), que es el paso limitante de la velocidad que controla la síntesis de colesterol . ^{[ 47 ]} El colesterol puede usarse tal cual, como componente estructural de las membranas celulares, o puede usarse para sintetizar las hormonas esteroides , las sales biliares y la vitamina D. ^{[ 35 ] [ 46 ] [ 47 ]}

Las moléculas de piruvato producidas por la glucólisis se transportan activamente _a través de la membrana mitocondrial interna y hacia la matriz donde pueden oxidarse y combinarse con la coenzima A para formar CO₂ , acetil-CoA y NADH, ^{[ 35 ]} o pueden carboxilarse (por la piruvato carboxilasa ) para formar oxalacetato . Esta última reacción "llena" la cantidad de oxalacetato en el ciclo del ácido cítrico y, por lo tanto, es una reacción anaplerótica (del griego que significa "llenar"), aumentando la capacidad del ciclo para metabolizar acetil-CoA cuando las necesidades energéticas del tejido (por ejemplo, en el corazón y el músculo esquelético ) aumentan repentinamente por la actividad. ^{[ 48 ]} En el ciclo del ácido cítrico, todos los intermediarios (por ejemplo, citrato, isocitrato, alfa-cetoglutarato, succinato, fumarato, malato y oxalacetato) se regeneran durante cada vuelta del ciclo. Por lo tanto, añadir más de cualquiera de estos intermediarios a la mitocondria significa que esa cantidad adicional se retiene dentro del ciclo, aumentando todos los demás intermediarios a medida que uno se convierte en el otro. De ahí que la adición de oxalacetato aumente considerablemente las cantidades de todos los intermediarios del ácido cítrico, incrementando así la capacidad del ciclo para metabolizar el acetil-CoA, convirtiendo su componente acetato en _CO₂ y agua, con la liberación de suficiente energía para formar 11 moléculas de ATP y 1 de GTP por cada molécula adicional de acetil-CoA que se combina con oxalacetato en el ciclo. ^{[ 48 ]}

Para eliminar catapleróticamente el oxalacetato del ciclo del ácido cítrico, el malato puede transportarse desde la mitocondria al citoplasma, disminuyendo la cantidad de oxalacetato que puede regenerarse. ^{[ 48 ]} Además, los intermediarios del ácido cítrico se utilizan constantemente para formar diversas sustancias como las purinas, las pirimidinas y las porfirinas . ^{[ 48 ]}

Varios eucariotas anaeróbicos han adquirido la capacidad de realizar hidrólisis extendida . El ejemplo prototípico es el hidrogenosoma , pero también existen mitocondrias productoras de H₂ transitorias _con esta función. Este proceso requiere: ^{[ 49 ]}

• Piruvato:ferredoxina oxidorreductasa , que convierte el piruvato en acetil-CoA y CO ₂ mientras reduce la ferredoxina .
• Hidrogenasa , que convierte H ⁺ en H ₂ mientras oxida la ferredoxina.
• La acetil-CoA sintetasa (en sentido inverso) convierte la acetil-CoA y el ADP + Pi en acetato, coenzima A y ATP. (Una variante de la reacción utiliza la acetato:succinato CoA transferasa y la succinil-CoA sintetasa en sentido inverso). ^{[ 50 ]}

La reacción neta es la conversión de equivalentes singulares de piruvato , ADP y Pi en ATP, CO ₂ , acetato y H ₂ . ^{[ 49 ]}

La captación celular de glucosa se produce en respuesta a las señales de insulina, y posteriormente la glucosa se degrada mediante la glucólisis, reduciendo así los niveles de azúcar en sangre. Sin embargo, la resistencia a la insulina o los bajos niveles de insulina observados en la diabetes dan lugar a hiperglucemia, donde los niveles de glucosa en sangre aumentan y las células no la captan adecuadamente. Los hepatocitos contribuyen aún más a esta hiperglucemia mediante la gluconeogénesis . La glucólisis en los hepatocitos controla la producción hepática de glucosa, y cuando el hígado produce glucosa en exceso sin que el organismo tenga un mecanismo para degradarla, se produce hiperglucemia. ^{[ 53 ]}

Las mutaciones glucolíticas son generalmente raras debido a la importancia de la vía metabólica; la mayoría de las mutaciones que ocurren provocan la incapacidad de la célula para respirar y, por lo tanto, causan la muerte celular en una etapa temprana. Sin embargo, se observan algunas mutaciones ( enfermedades de almacenamiento de glucógeno y otros errores congénitos del metabolismo de los carbohidratos ), siendo un ejemplo notable la deficiencia de piruvato quinasa , que conduce a anemia hemolítica crónica. ^{[ 54 ]}

En la aciduria malónica y metilmalónica combinada (CMAMMA) debida a la deficiencia de ACSF3 , la glucólisis se reduce en un −50%, lo cual es causado por la lipoilación reducida de enzimas mitocondriales como el complejo piruvato deshidrogenasa y el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa . ^{[ 55 ]}

Las células tumorales malignas realizan la glucólisis a una velocidad diez veces mayor que sus contrapartes de tejido no canceroso. ^{[ 56 ]} Durante su génesis, el soporte capilar limitado a menudo produce hipoxia (disminución del suministro de O2) dentro de las células tumorales. Por lo tanto, estas células dependen de procesos metabólicos anaeróbicos como la glucólisis para obtener ATP (adenosín trifosfato). Algunas células tumorales sobreexpresan enzimas glucolíticas específicas que resultan en tasas más altas de glucólisis. ^{[ 57 ]} A menudo, estas enzimas son isoenzimas de enzimas glucolíticas tradicionales, que varían en su susceptibilidad a la inhibición por retroalimentación tradicional. El aumento en la actividad glucolítica contrarresta en última instancia los efectos de la hipoxia al generar suficiente ATP a partir de esta vía anaeróbica. ^{[ 58 ]} Este fenómeno fue descrito por primera vez en 1930 por Otto Warburg y se conoce como el efecto Warburg . La hipótesis de Warburg afirma que el cáncer es causado principalmente por una disfunción en el metabolismo mitocondrial, en lugar de por el crecimiento celular descontrolado. Se han propuesto varias teorías para explicar el efecto Warburg. Una de ellas sugiere que el aumento de la glucólisis es un proceso protector normal del organismo y que los cambios malignos podrían deberse principalmente al metabolismo energético. ^{[ 59 ]}

Esta elevada tasa de glucólisis tiene importantes aplicaciones médicas, ya que la alta glucólisis aeróbica de los tumores malignos se utiliza clínicamente para diagnosticar y monitorizar las respuestas al tratamiento del cáncer mediante la captación por imagen de 2-18F -2-desoxiglucosa (FDG) (un sustrato de hexocinasa modificado radiactivo ) con tomografía por emisión de positrones ⁽ PET). ^{[ 60 ] [ 61 ]}

Se están realizando investigaciones para afectar el metabolismo mitocondrial y tratar el cáncer reduciendo la glucólisis y, por lo tanto, privando de nutrientes a las células cancerosas de diversas maneras nuevas, incluida una dieta cetogénica . ^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]}