bioquimica metabolica

Editorial Tbar. Prohibida la reproduccin sin la autorizacin expresa de la editorial

FUNDAMENTOSDE BIOQUMICA

METABLICA


FUNDAMENTOSDE BIOQUMICA

METABLICA

Ramn Bordes GonzlezCatedrtico de Bioqumica. Doctor en Ciencias Qu-micas. E.U. de Ciencias de la Salud. Universidad deGranada.

Francisco Javier Caldern MonteroProfesor Titular de Fisiologa. Doctor en Medicina yCiruga. INEF. Madrid.

Fernando de Jess FrancoProfesor Titular de Farmacologa. Doctor en Farma-cia. Universidad Alfonso X el Sabio. Madrid.

Rosa Olmo LpezProfesora de Bioqumica y Biologa Molecular. Es-cuela Universitaria de Enfermera y Fisioterapia.San Juan de Dios integrada en la UniversidadPontificia de Comillas. Doctora en Ciencias Qumi-cas (Bioqumica).

Beln Castel SeguiMdico Adjunto del Hospital Universitario San Du-reta. Palma de Mallorca.

Csar Teijn LpezProfesor de Bioqumica y Biologa Molecular. Doc-tor en Medicina y Ciruga. Colaborador HonorficoDpto. de Bioqumica. Universidad Alfonso X El Sa-bio. Madrid.

Ricardo Ruiz VillaverdeDoctor en Medicina y Ciruga. Facultativo Especia-lista del Complejo Hospitalario de Jan.

Jess Javier Rojo GonzlezProfesor Titular de Anatoma. Doctor en Medicina yCiruga. INEF. Madrid.

Amando Garrido PertierraCatedrtico de Bioqumica y Biologa Molecular.Doctor en Ciencias Qumicas y Farmacia. Universi-dad Complutense de Madrid. Acadmico de la RealAcademia de Doctores y de la Real Academia deFarmacia.

Carmen Villaverde GutirrezCatedrtica de Fisiologa. Doctora en Medicina yCiruga. Escuela Universitaria de Ciencias de la Sa-lud. Universidad de Granada.

M Dolores Blanco GaitnProfesora Titular de Universidad de Bioqumica yBiologa Molecular. Doctora en Ciencias Biolgicas.Universidad Complutense de Madrid.

Jos M Teijn RiveraCatedrtico de Bioqumica y Biologa Molecular.Catedrtico de Fsica y Qumica de I.B. Doctor enCiencias Qumicas. Universidad Complutense deMadrid.

Carlos Mendoza OtrasCatedrtico de Ciencias Fisiolgicas. Doctor enCiencias Biolgicas. Escuela Universitaria de Cien-cias de la Salud. Universidad de Granada.

Jess Ramrez RodrigoProfesor de Bioqumica y Fisiologa. Doctor enCiencias Biolgicas. Escuela Universitaria de Enfer-mera de Ceuta. Universidad de Granada.

COLABORADORES

AUTORES

Amando Garrido PertierraCatedrtico de Bioqumica y Biologa Molecular.Doctor en Ciencias Qumicas y Farmacia. Universi-dad Complutense de Madrid. Acadmico de la RealAcademia de Doctores y de la Real Academia deFarmacia.

Jos M Teijn RiveraCatedrtico de Bioqumica y Biologa Molecular.Catedrtico de Fsica y Qumica de I.B. Doctor enCiencias Qumicas. Universidad Complutense deMadrid.

COORDINACIN Y DIRECCIN CIENTFICA


Datos de catalogacin bibliogrfica:

FUNDAMENTOS DE BIOQUMICA METABLICA3 edicinAmando Garrido PertierraJos Mara Teijn Rivera

EDITORIAL TBAR, S.L., Madrid, ao 2006

ISBN digital: 978-84-7360-459-8Materias: 577, Bioqumica

Formato: 165 240 mm Pginas: 422

www.editorialtebar.com

Todos los derechos reservados.Queda prohibida, salvo excepcin prevista en la Ley, cualquier forma de reproduc-cin, distribucin, comunicacin pblica y transformacin de esta obra sin contarcon la autorizacin expresa de Editorial Tbar. La infraccin de estos derechos pue-de ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y siguientesdel Cdigo Penal).

Fundamentos de Bioqumica Metablica3 edicin 2009 2006 Editorial Tbar, S.L.C/ de las Aguas, 428005 Madrid (Espaa)Tel.: 91 550 02 60Fax: 91 550 02 [email protected]

ISBN digital: 978-84-7360-459-8Depsito legal:

Diseo editorial: Rebeca IrazbalDiseo de portada: Omega Estudio Grfico


Prlogo

La Ciencia avanza, por una parte con nuevos conceptos yteoras y, por otra, con la invencin de nuevos mtodos e ins-trumentos. El afn y la curiosidad natural de los hombres porconocer la naturaleza de los seres vivos les llev, desde los al-bores de su existencia, a la observacin directa de los organis-mos enteros y sus partes ms visibles y, en la mayora de lasocasiones, se ayudaban de materiales que utilizaban en sus ta-reas domsticas como cuchillos y tijeras. Siglos despus, la in-vencin y el desarrollo del microscopio permiti estudiar los te-jidos y establecer el hecho general de que todos los seres estnformados por un gran nmero de unidades vivas denominadasclulas y surgi la teora celular. Estas observaciones aunqueimportantes no proporcionaron respuestas a cuestiones funda-mentales como qu sustancias componen los seres vivos? ycmo obtienen los organismos la energa y la utilizan paramanifestar las propiedades de la vida? Las respuestas a estaspreguntas se encuentran en la Bioqumica.

La Bioqumica es una ciencia que estudia los seres vivos anivel molecular. Uno de sus objetivos es el aislamiento de com-puestos de los seres vivos y la determinacin de sus estructuras;esto es, un tipo de microanatoma que dilucida la estructura ala diminuta escala molecular. Por ello su desarrollo ha estadomuy condicionado a la invencin y desarrollo de nuevas tcni-cas e instrumentos. stos han permitido a esta ciencia identifi-car las molculas que constituyen los organismos, las reaccio-nes que transforman unas sustancias en otras y los procesosque les permiten desarrollar las actividades vitales. De esta for-ma, la descripcin y el estudio de la inmensa mayora de losprocesos vitales pueden expresarse mediante conceptos, mto-dos y procedimientos bioqumicos. Se ha comprobado que anivel molecular no hay grandes diferencias entre los organis-mos y ello ha dado lugar a la teora de la unidad bioqumica dela vida. En los ltimos aos la utilizacin de refinadas tcnicasmoleculares ha permitido caracterizar la naturaleza del materialhereditario. Los estudios sobre los genomas de los organismoshan refrendado la utilizacin de molculas para describir los


procesos de la vida, su evolucin y su variedad. El conocimien-tos de los genes, su descripcin y, sobre todo, su comprensinest posibilitando entender los aspectos morfolgicos, la evolu-cin de las especies, el comportamiento de sus productos y lafuncin y disfuncin de ellos. Adems est permitiendo contro-lar el desarrollo y la diferenciacin de los rganos, el metabolis-mo y proliferacin de las clulas y, lo que es muy importante,descifrar la causa y el origen de muchas enfermedades.

Con la idea de facilitar la comprensin de dichos procesos ymecanismos vitales a los estudiantes de las licenciaturas y di-plomaturas de Ciencias de la Salud y, basado en la experienciacomo profesores de la materia, han surgido estos libros de Bio-qumica. El primero se dedica a los aspectos estructurales y enl se describen las sustancias, sus propiedades y las funcionesque realizan en el organismo; en el segundo se tratan los aspec-tos metablicos, y en l se estudian las transformaciones de lassustancias las cuales sirven para el funcionamiento normal delorganismo. Al inicio de cada tema se incluye una pequea in-troduccin que fija el (o los) objetivo(s) a cumplir y, al final, unresumen que repasa los conceptos ms importantes y un apar-tado dedicado a aplicaciones clnicas en el que se describen al-gunos casos prcticos relativos al contenido del mismo.

Los autores desean expresar su agradecimiento a todos losque han participado en la elaboracin de la obra. Las crticas,sugerencias y comentarios acerca de los contenidos de la mis-ma sern bien recibidos y tenidos en cuenta en ediciones pos-teriores.

Queremos agradecer la magnfica labor editorial desarrolla-da por Beatriz Heras de Editorial Tbar, y la excelente maque-tacin de Rebeca Irazbal.


Tema 1: Metabolismo ...................................................................... 13Introduccin al metabolismo ................................................. 13Reacciones catablicas y anablicas: etapas ......................... 14El flujo de energa en las clulas ........................................... 16La localizacin de las rutas metablicas en la clula ............. 17Regulacin del metabolismo ................................................. 18Resumen ............................................................................... 19Aplicaciones clnicas .............................................................. 19

Tema 2: La ruta glucoltica ............................................................. 21La ruta glucoltica ................................................................. 21Las rutas de los tomos de carbono, la de la energa y la

de los electrones ............................................................. 27Rutas afluentes de la glucoltica ............................................. 28La regulacin de la gluclisis ................................................. 30Resumen ............................................................................... 31Aplicaciones clnicas .............................................................. 31

Tema 3: El ciclo de Krebs ............................................................... 33La reaccin del complejo piruvato deshidrogenasa ............... 33El ciclo de Krebs: reacciones y regulacin ............................. 37Reacciones anaplerticas ...................................................... 40Resumen ............................................................................... 42Aplicaciones clnicas .............................................................. 43

Tema 4: La ruta de las pentosas fosfato ...................................... 45La ruta de las pentosas fosfato .............................................. 45Etapa I .................................................................................. 45Etapa II ................................................................................. 46Rendimiento energtico ........................................................ 49Regulacin de la ruta ............................................................ 51Resumen ............................................................................... 51Aplicaciones clnicas .............................................................. 52

Tema 5: Gluconeognesis Glucognesis-glucogenlisis ............ 53Gluconeognesis ................................................................... 53Regulacin de la ruta gluconeognica ................................... 57Glucognesis y glucogenlisis ................................................ 59Los ciclos de substrato .......................................................... 65Resumen ............................................................................... 67Aplicaciones clnicas .............................................................. 67

Tema 6: Metabolismo Lipdico ....................................................... 71Digestin, movilizacin y transporte de los lpidos ................ 71-oxidacin de los cidos grasos ........................................... 75Rendimiento energtico de la oxidacin de los cidos

grasos ............................................................................. 81Control de la oxidacin de los cidos grasos ......................... 86Resumen ............................................................................... 88Aplicaciones clnicas .............................................................. 89

ndice


Tema 7: Formacin de cuerpos cetnicos. Cetosis ocetognesis .................................................................. 91

Formacin de cuerpos cetnicos. Cetosis o cetognesis ........ 91Resumen ............................................................................... 96Aplicaciones clnicas .............................................................. 97

Tema 8: Biosntesis de cidos grasos ........................................... 99Biosntesis de cidos grasos .................................................. 99Biosntesis de cidos grasos saturados a partir de

Acetil-CoA ...................................................................... 100El complejo cido graso sintasa ............................................ 110Control de la sntesis de cidos grasos .................................. 111Resumen ............................................................................... 113Aplicaciones clnicas .............................................................. 113

Tema 9: Metabolismo de acilgliceroles y esfingolpidos ........... 115Metabolismo de triacilgliceroles ............................................. 115Hidrlisis y movilizacin de triacilgliceroles ........................... 117Metabolismo de glicerofosfolpidos ........................................ 118Metabolismo de esfingolpidos .............................................. 123Resumen ............................................................................... 126Aplicaciones clnicas .............................................................. 127

Tema 10: Metabolismo del colesterol ............................................. 129Biosntesis del colesterol ........................................................ 129Transporte y excrecin de colesterol ...................................... 132Regulacin de la biosntesis de colesterol .............................. 133Resumen ............................................................................... 134Aplicaciones clnicas .............................................................. 135

Tema 11: Metabolismo de los derivados del colesterol ............... 137Sntesis de hormonas esteroideas .......................................... 137Sntesis de cidos biliares ...................................................... 139Circulacin enteroheptica de las sales biliares ..................... 141Sntesis de vitamina D ........................................................... 141Resumen ............................................................................... 142Aplicaciones clnicas .............................................................. 143

Tema 12: Lipoprotenas ..................................................................... 145Lipoprotenas ........................................................................ 145Receptores de lipoprotenas .................................................. 147Metabolismo de las lipoprotenas .......................................... 148Regulacin de los depsitos de colesterol en el organismo .... 153Resumen ............................................................................... 155Aplicaciones clnicas .............................................................. 156

Tema 13: Aspectos bioqumicos de la nutricin ........................... 157Requerimientos proteicos de la dieta ..................................... 158Digestin de las protenas. Activacin de enzimas

proteolticas .................................................................... 160Absorcin de pptidos y aminocidos ................................... 164Resumen ............................................................................... 165Aplicaciones clnicas .............................................................. 166

Tema 14: Degradacin de los aminocidos ................................... 169Transaminacin y degradacin oxidativa .............................. 169Destino de los esqueletos carbonados de los aminocidos .... 173Resumen ............................................................................... 190Aplicaciones clnicas .............................................................. 191

Tema 15: Excrecin del nitrgeno proteico ................................... 193Excrecin del nitrgeno proteico ........................................... 193Ciclo de la urea ..................................................................... 196Conexin entre el ciclo de la urea y el ciclo de Krebs ............ 198


Resumen ............................................................................... 198Aplicaciones clnicas .............................................................. 199

Tema 16: Biosntesis de aminocidos ............................................. 203Biosntesis de amiocidos no esenciales ................................ 203Biosntesis de amiocidos esenciales ..................................... 208Resumen ............................................................................... 215Aplicaciones clnicas .............................................................. 216

Tema 17: Biosntesis de porfirinas .................................................. 217Biosntesis de porfirinas y del grupo hemo ............................ 217Regulacin ............................................................................ 220Formacin de pigmentos biliares ........................................... 221Resumen ............................................................................... 223Aplicaciones clnicas .............................................................. 223

Tema 18: Metabolismo de los nucletidos: biosntesis ydegradacin ........................................................................ 225Digestin de purinas y pirimidinas: vas de recuperacin o

salvamento ..................................................................... 226Biosntesis de novo de los nucletidos de purina .................. 228Biosntesis de novo de nucletidos de pirimidina .................. 234Sntesis de desoxirribonucletidos ......................................... 237Biosntesis de los desoxirribonucletidos de timina ............... 242Degradacin de purinas: sntesis de cido rico .................... 243Degradacin de pirimidinas .................................................. 246Frmacos anticancerosos que bloquean las vas de

biosntesis de nucletidos ............................................... 246Resumen ............................................................................... 249Aplicaciones clnicas .............................................................. 251

Tema 19: Integracin del metabolismo en mamiferos ................. 255Absorcin, transporte y regulacin ........................................ 255Bases bioqumicas de la nutricin ......................................... 261Resumen ............................................................................... 266Aplicaciones clnicas .............................................................. 267

Tema 20: Caractersticas metablicas de los principalesrganos ............................................................................... 269Hgado .................................................................................. 269Cerebro ................................................................................. 272Corazn ................................................................................ 273Rin .................................................................................... 273Msculo esqueltico .............................................................. 273Resumen ............................................................................... 276Aplicaciones clnicas .............................................................. 276

Tema 21: La regulacin hormonal del metabolismo .................... 279La accin de las hormonas ................................................... 279Hormonas activas en la superficie celular ............................. 280Receptores ............................................................................ 280Segundos mensajeros ............................................................ 282Hormonas activas en el interior de la clula .......................... 282Efectos biolgicos .................................................................. 283Resumen ............................................................................... 285Aplicaciones clnicas .............................................................. 286

Tema 22: Estructura de cromosomas y genes ............................... 289Cromosomas ......................................................................... 289Genes ................................................................................... 292ADN: estructura y propiedades ............................................. 293Mutaciones ............................................................................ 296Resumen ............................................................................... 299Aplicaciones clnicas .............................................................. 300


Tema 23: Replicacin y transcripcin del ADN ............................ 301Replicacin del ADN ............................................................. 301ADN polimerasas .................................................................. 308Transcripcin ......................................................................... 311Polinucletido fosforilasa ....................................................... 316Transcriptasa inversa y replicasas .......................................... 316Resumen ............................................................................... 317Aplicaciones clnicas .............................................................. 318

Tema 24: Sntesis de protenas ........................................................ 321Ribosomas ............................................................................ 322Activacin de aminocidos ................................................... 323Iniciacin y ciclo de elongacin ............................................. 325Inhibidores de la sntesis de protenas ................................... 329El cdigo gentico ................................................................. 330Resumen ............................................................................... 333Aplicaciones clnicas .............................................................. 334

Tema 25: Tecnologa de ADN recombinante ................................. 337Fundamentos de la clonacin ............................................... 337Vectores de clonacin ........................................................... 341Estrategia de la clonacin ..................................................... 346Aplicaciones a las ciencias mdicas ....................................... 350Resumen ............................................................................... 351Aplicaciones clnicas .............................................................. 352

Tema 26: Regulacin de la expresin gnica ................................. 353El modelo del opern ........................................................... 353Genomas eucariticos ........................................................... 357Protenas reguladoras de la transcripcin .............................. 361Resumen ............................................................................... 364Aplicaciones clnicas .............................................................. 365

Tema 27: Introduccin a la inmunologa molecular ..................... 367Sistema Inmunitario .............................................................. 367Inmunoglobulinas: estructura y funcin ................................. 376Clases de inmunoglobulinas .................................................. 378Resumen ............................................................................... 380Aplicaciones clnicas .............................................................. 382

Tema 28: Estructura molecular del msculo ................................. 383Estructura de la fibra muscular esqueltica ............................ 383Estructura molecular del msculo esqueltico ....................... 384Mecanismo de la contraccin muscular ................................. 386Control de la contraccin muscular por calcio ....................... 389El msculo cardaco .............................................................. 392El msculo liso ...................................................................... 393Fuentes de energa en el msculo ......................................... 395Resumen ............................................................................... 396Aplicaciones clnicas .............................................................. 397

Tema 29: Estructura y funcin del nervio ...................................... 399Estructura y funcin del nervio ............................................. 399Sinapsis y neurotransmisores ................................................ 405Resumen ............................................................................... 410Aplicaciones clnicas .............................................................. 411

Tema 30: Bioqumica de la visin ................................................... 413Fotorreceptores ..................................................................... 413Resumen ............................................................................... 419Aplicaciones clnicas .............................................................. 419

Bibliografa ........................................................................................... 421


En la bioqumica estructural hemos examinado las propie-dades y estructura de las molculas que constituyen las clulas.En esta parte, Bioqumica metablica, vamos a estudiar cmointeraccionan esas molculas para originar y mantener la pro-piedad que denominamos vida. Para ello, las clulas realizanun conjunto de reacciones catalizadas por enzimas que se de-nomina metabolismo. Estas reacciones se llevan a cabo de for-ma constante desde la absorcin de nutrientes, su degradacinpara obtener energa, la utilizacin de sta, la sntesis de nue-vos componentes y la liberacin de productos de deshecho. To-dos estos procesos los realiza la clula manteniendo un equili-brio dinmico, autorregulndose y cumpliendo con el principiode mxima economa.

INTRODUCCIN AL METABOLISMO

El metabolismo se puede definir como el conjunto de reac-ciones catalizadas enzimticamente que tienen lugar en la clu-la viva. En l se pueden distinguir cuatro funciones especficas:

1. Obtener la energa qumica de los nutrientes.2. Transformar las molculas de los nutrientes en unidades

constitutivas o sillares, precursores de los componentesmacromoleculares de las clulas.

3. Unir o ensamblar los sillares en protenas, cidos nu-cleicos y lpidos, polisacridos y otros componentes ce-lulares.

4. Sintetizar y degradar las biomolculas con funciones es-pecializadas.

TEMA 1 MetabolismoIntroduccin al metabolismo. Reacciones catabli-cas y anablicas: etapas. El flujo de energa en lasclulas. La localizacin de las rutas metablicasen la clula. Regulacin del metabolismo.

El metabolismo es elconjunto de reaccio-nes que tiene lugaren las clulas vivas.


Estas funciones no se realizan de forma aislada o inde-pendiente sino de forma coordinada y organizada. Cadaorgnulo o subunidad celular posee funciones especficaspara establecer y mantener la vida de la clula. As, algunasestn comprometidas en generar energa para la absorcinde sustancias nutritivas, otras en la movilidad celular o en lasntesis de biomolculas. En los organismos superiores, comoel hombre, existen determinadas clulas o tejidos especializa-dos en funciones como los glbulos rojos para el transportede oxgeno, las clulas musculares para la locomocin, lasclulas glandulares endocrinas para la secrecin de hormo-nas y las clulas nerviosas (neuronas) para la coordinacinintercelular.

Las secreciones metablicas estn controladas con precisinpor sistemas intrnsecos y extrnsecos, estrechamente interrela-cionados. El estado dinmico del metabolismo y sus mecanis-mos reguladores son las caractersticas ms excepcionales de lavida, por ello su comprensin es primordial en el entendimien-to e interpretacin de los procesos vitales.

REACCIONES CATABLICAS YANABLICAS: ETAPAS

El metabolismo tiene lugar a travs de secuencias de reac-ciones consecutivas en las que se transforman los intermedia-rios qumicos o metabolitos.

El metabolismo se divide en catabolismo y anabolismo. Elcatabolismo es la fase degradativa del metabolismo en la quelos nutrientes (carbohidratos, lpidos, protenas) provenientesdel medio externo o de los depsitos de la misma clula pue-den degradarse generalmente por reacciones oxidativas en pro-ductos ms sencillos como cido lctico, cido actico, amona-co, urea o CO2. El catabolismo va acompaado de liberacinde la energa inherente en la estructura compleja de las grandesmolculas orgnicas. La energa es transformada en forma deadenosina trifosfato (ATP).

El anabolismo es la fase constructiva o de sntesis del meta-bolismo. Tambin se denomina biosntesis. En el anabolismolas pequeas molculas precursoras de las clulas se ensam-blan para originar componentes celulares como polisacridos,cidos nucleicos, protenas y lpidos. Puesto que del proceso debiosntesis resultan molculas de mayor tamao y complejidadestructural, requiere energa libre, la cual es proporcionada porla hidrlisis del ATP. El catabolismo y el anabolismo tienen lu-gar simultneamente en la clula.

14 FUNDAMENTOS DE BIOQUMICA METABLICA

El metabolismo com-prende el anabolismoo conjunto de reac-ciones de sntesis y elcatabolismo o con-junto de reaccionesde degradacin.


El metabolismo se puede organizar en etapas: tres para elcatabolismo y tres para el anabolismo (Fig. 1.1). En la etapa Idel catabolismo los nutrientes de la clula (lpidos, carbohidra-tos y protenas) son degradados a sus unidades constituyentes:grasas, monosacridos y aminocidos. En la etapa II estos pro-ductos se convierten en molculas ms sencillas que convergenen su intermediario comn: acetil-CoA. En la etapa II el grupoacetilo del acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs para ser oxida-do a CO2 y H2O, los productos finales del proceso catablico.

METABOLISMO 15

La etapa III del cata-bolismo es la mismaque la etapa I delanabolismo y se de-nomina anfiblica.

Figura 1.1. Las etapas del catabolismo y del anabolismo. La etapa III delcatabolismo y I del anabolismo coinciden, por ello se denomina anfiblica.

El anabolismo tambin transcurre en tres etapas. Co-mienza con las pequeas molculas de la etapa III del cata-bolismo, como son los intermediarios del ciclo de Krebs, loscuales son aminados o transformados en aminocidos, ci-


dos grasos o monosacridos. En la etapa III del anabolismoestas molculas se ensamblan para formar protenas, lpidosy polisacridos.

Hay que destacar dos hechos:

1. Cada etapa en el catabolismo o en el anabolismo im-plica una serie de reacciones catalizadas enzimtica-mente.

2. La etapa III del catabolismo coincide con la etapa I delanabolismo, por eso debido a su funcin doble se de-nomina anfiblica.

EL FLUJO DE ENERGA EN LAS CLULAS

Cuando una molcula como la glucosa es degradada a CO2y H2O, proporciona por cada mol 686 kcal; sta es la mismacantidad de calor que se libera cuando se quema en un calor-metro; y es que las oxidaciones biolgicas son en esencia com-bustiones. El calor no puede ser utilizado como fuente deenerga por los organismos vivos, los cuales son esencialmenteisotermos, por eso se dice que es energa degradada o degene-rada. Como se sabe, el calor slo puede producir trabajo desdeun recipiente a otro con menor temperatura. Por ello, la energacontenida en los nutrientes celulares se conserva en forma deenerga qumica que puede realizar trabajo en condiciones iso-termas. La energa qumica de los combustibles metablicos setransforma en adenosina trifosfato (ATP), el cual se forma apartir de ADP y fosfato inorgnico mediante reacciones en-zimticas acoplados a reacciones oxidativas especficas duranteel catabolismo.

El ATP puede difundir a aquellos lugares de la clula enque se requiere. El ATP es en realidad una forma de transpor-te de energa qumica que se libera al hidrolizarse el fosfatoterminal y es transferido a aceptores especficos los cuales seenergizan y pueden reaccionar con facilidad y/o unirse aotras molculas para originar grandes molculas durante elanabolismo.

Hay otra forma de transferir energa qumica desde las reac-ciones del catabolismo a aquellas que requieren energa de sn-tesis y es mediante la forma de tomos de hidrgeno o electro-nes. Estas molculas portadoras son coenzimas como elNADH, NADPH o FMNH2 y actan reduciendo a otras mol-culas o, en ocasiones, transformando su capacidad reductoraen molculas de ATP.


El NAD+ es la coenzi-ma de la mayora delas reacciones de oxi-dacin. El NADPH, lacoenzima de la ma-yora de las reaccio-nes de reduccin.

El ATP es la formauniversal de transpor-te de la energa quetransfiere al hidroli-zarse en ADP y Pi.


LA LOCALIZACIN DE LAS RUTASMETABLICAS EN LA CLULA

En las clulas de los organismos superiores las rutas me-tablicas se realizan en orgnulos o compartimentos, lo que fa-cilita el desarrollo de las mismas y su regulacin. Esta conclu-sin se ha obtenido de trabajos de investigacin en los que sehan separado los orgnulos o subfracciones y, a partir de ellos,aislado y purificado las enzimas correspondientes. Se ha com-probado, por ejemplo, que las enzimas que catalizan la conver-sin de glucosa en cido lctico se encuentran en el citosol,que es la porcin soluble del citoplasma, mientras las del ciclode Krebs se localizan en las mitocondrias. De la misma formase ha comprobado que las enzimas del transporte electrnicose encuentran en la membrana interna de las mitocondrias ylas que intervienen en la sntesis de las protenas, en los riboso-mas. Una visin ms amplia de la localizacin de las enzimasen una clula heptica se puede observar en la figura 1.2.

METABOLISMO 17

Las enzimas de glu-clisis se encuentranen el citosol y las delciclo de Krebs, en lasmitocondrias.

Figura. 1.2. Localizacin de las enzimas de algunas rutas metablicasen una clula de hgado.


REGULACIN DEL METABOLISMO

Como se ha indicado anteriormente, la clula realiza todoslos procesos con la mxima eficacia y utilizando el menor con-sumo de energa posible. Por ello, el metabolismo celular se en-cuentra regulado de forma precisa y constante. En realidad yde forma general se puede establecer que el ritmo del metabo-lismo se controla por las necesidades energticas de la clula,esto es, las clulas oxidan las molculas combustibles a la mis-ma velocidad que requieren energa.

La regulacin de las rutas metablicas se puede efectuarmediante tres clases diferentes de mecanismos. La primera yms inmediata respuesta es a travs de las enzimas regulado-ras. Estas enzimas ejercen su accin prxima a la cabecerade las rutas metablicas catalizando la reaccin limitante dela secuencia. En las rutas catablicas que conducen a la for-macin de ATP o NADH estos compuestos son los inhibido-res alostricos, mientras en las rutas anablicas es el produc-to final de la ruta el que acta de inhibidor. Como se ha des-crito en el tema 16 de la Parte 1, las enzimas alostricassuelen ser activadas o estimuladas por moduladores positivosespecficos como ADP y NAD.

El segundo nivel de regulacin metablica se ejerce a travsdel control de la concentracin de una enzima. La concentra-cin de una enzima en cualquier momento es el resultado deun equilibrio entre la velocidad de sntesis y su degradacin. Lavelocidad de la sntesis de las enzimas vara dependiendo delas condiciones. Las enzimas que se encuentran presentes encantidades constantes en la clula se denominan constitutivas.Las que son sintetizadas en respuesta a la presencia de algunossubstratos se denominan inducibles. Los genes que especificanla sntesis de las inducidas estn generalmente reprimidas yactan nicamente solo en respuesta a la presencia de substra-tos especficos.

El control metablico se ejerce tambin a un tercer nivelen los organismos superiores. Las hormonas, sintetizadas ysecretadas por varias glndulas endocrinas, son mensajerosqumicos que estimulan o inhiben actividades metablicas enotros rganos y tejidos. Por ejemplo, la deficiencia de la se-crecin de insulina por el pncreas origina un defecto en eltransporte de glucosa en las clulas del msculo y del hgado,lo cual conduce a una serie de efectos metablicos secunda-rios como un descenso en la biosntesis de cidos grasos apartir de glucosa y una excesiva formacin de cuerpos cetni-cos por el hgado. La administracin de insulina repara estosdefectos.


Existen tres mecanis-mos por los que seregula el metabolis-mo en clulas de or-ganismos superiores.


APLICACIONES CLNICAS

Las clulas animales no pueden llevar a cabo un metabolis-mo completo como les sucede, por ejemplo, a las clulas bacte-rianas, debido a que a lo largo de la evolucin han perdido lacapacidad de sintetizar todos los compuestos que requierenpara la vida. Por ello dependen de otros organismos para el su-ministro de dichos compuestos. Pero, adems, en ocasiones lasclulas humanas sintetizan enzimas defectuosas o defectivas, obien producen cantidades insuficientes de una enzima que setraduce en un suministro insuficiente de un compuesto me-tablico esencial. Por ello, una enfermedad metablica puedederivar de la incorrecta expresin de una enzima.

La determinacin de la actividad de una enzima en los l-quidos biolgicos o tejidos constituye un indicador valioso deuna determinada enfermedad metablica.

METABOLISMO 19

RESUMEN

El metabolismo es el conjunto de reacciones cataliza-das enzimticamente que tienen lugar en las clulas vivas.Cumple con cuatro funciones especficas que se realizande forma coordinada: obtener energa qumica de los nu-trientes, transformar estos en molculas sencillas, unir ytransformar estos para obtener los componentes celularesy sintetizar y degradar las biomolculas especializadas. Elmetabolismo se puede dividir en catabolismo o procesosdegradativos y anabolismo o procesos biosintticos. Tantoel catabolismo como el anabolismo se pueden ordenar entres etapas que implica cada una, una serie de reaccionesenzimticas. La energa qumica que se obtiene de los nu-trientes se transforma en ATP que es el compuesto porta-dor de energa para los procesos que lo requieren: trabajomecnico, biosinttico y de transporte. En las clulas ani-males los procesos bioqumicos se localizan en diferentesorgnulos o compartimentos, lo que facilita la regulacinque se realiza a tres niveles; mediante las enzimas alostri-cas, la sntesis de enzimas y las hormonas.



Actividad enzimtica disminuida

Diagnstico probable

Amilasa Enfermedad pancretica

Alanina aminotransferasa Enfermedad cardaca

Aspartato aminotransferasa Enfermedad cardaca

Glutamato aminotransferasa Enfermedad cardaca

Fosfatasa cida Carcinoma prosttico

Fosfatasa alcalina Enfermedad sea

Creatina Enfermedad cardaca o muscular

Glucosa 6-fosfato deshidrogenasa Anemia hemoltica

Lactato deshidrogenasa Enfermedad cardaca

Hexosa 1-P uridil transferasa Galactosemia

Glutatin reductasa Anemia

Elastasa Enfermedad del colgeno

Tabla 1.1. Algunos ensayos enzimticos que se utilizan enel diagnstico de enfermedades.


La gluclisis (hidrlisis de azcar) es el proceso por el quelos organismos escinden la glucosa en cido lctico en ausenciade oxgeno molecular con el propsito de obtener energa.Otros hidratos de carbono utilizan esta ruta para degradarse,por eso se denomina tambin la ruta central del metabolismode carbohidratos, la ruta de Embden-Meyerhof o la fermenta-cin glucoltica. Hay otros tipos de fermentacin en que el pro-ducto final no es el cido lctico, como las fermentaciones al-cohlicas o actica.

Los hidratos de carbono constituyen la principal fuentede energa en la dieta humana (aprox. el 47%) y la mayorparte corresponde a polisacridos como glucgeno y al-midn, el resto a la glucosa y disacridos como lactosa, glu-cosa y maltosa.

LA RUTA GLUCOLTICA

Los carbohidratos de la dieta son digeridos y absorbidosen el intestino delgado pasando por va portal a la sangre. Enun perodo de 30-60 minutos despus de la comida se alcan-za en sangre, generalmente, un nivel mximo de 130 mg/dl(7,2 mol/L) que disminuye a las dos o dos horas y media a70-90 mg/dl. Por la sangre la glucosa llega al hgado donde semetaboliza ms del 60%. En condiciones normales el hgadocontiene poca glucosa libre ya que bien la convierte en gluc-geno o la fosforila a glucosa 6-fosfato, que como es impermea-ble a la membrana plasmtica la mantiene retenida en la clulay en el tejido muscular.

TEMA 2 La ruta glucolticaLa ruta glucoltica. Las rutas de los tomos de car-bono, la de la energa y la de los electrones. Rutasafluentes de la glucoltica. La regulacin de lagluclisis.

La gluclisis anaer-bica (fermentacin) yla gluclisis aerobiaoriginan piruvato.Despus el destinode este compuesto esdiferente.


En el hgado y en el tejido muscular la glucosa se degradamediante una serie de intermediarios fosforilados que se deno-mina ruta glucoltica o ruta de Embden-Meyerhof. En la rutaglucoltica se pueden considerar dos etapas. La primera sirvede preparacin y en ella varias hexoras pueden entrar median-te fosforilacin a expensas de ATP. Estos compuestos se con-vierten en fructosa 1,6-bisfosfato que se excinde para dar dehi-doxiacetona fosfato y gliceraldehdo 3-fosfato.

Fosforilacin de la glucosa. Es la primera reaccin de laprimera etapa y en ella la glucosa se fosforiza a glucosa 6-fosfa-to a expensas de ATP. Esta reaccin que es irreversible en con-diciones intracelulares es catalizada por la hexoquinasa:

*D-glucosa ATP D-glucosa-6-fosfato ADPG 0 4,0 kcal/mol

La hexoquinasa cataliza tambin la fosforilacin de otrashexosas como fructosa y manosa. La enzima requiere ionesMg2 que se combinan con ATP para formar el verdadero subs-trato Mg ATP2, es inhibida por su propio producto y algunosreactivos sulfhidrilos.

El hgado funciona como un regulador de la glucosa sangu-nea: cuando los niveles de glucosa son elevados, sta se meta-boliza a travs de la ruta glucoltica o almacenada como gluc-geno; cuando los niveles son bajos, se moviliza a partir de

hexoquinasaMg2


La glucoquinasa ac-ta cuando el nivelde glucosa es alto enla sangre.

* A partir de ahora y mientras no se especifique lo contrario todos los mono-sacridos y sus derivados son D.


glucgeno. En el hgado hay una segunda enzima que fosforilala glucosa en el hgado, la glucoquinasa, que es especfica de laglucosa; esta enzima tiene menor afinidad por la glucosa que lahexoguinasa y acta nicamente cuando el nivel de glucosasangunea es anormalmente alto, como ocurre en la enferme-dad diabetes mellitus.

Isomerizacin de la glucosa 6-fosfato. La conversinde glucosa 6-fosfato a fructosa 6-fosfato es catalizada por lafosfogluco isomerasa:

glucosa 6-fosfato fructosa 6-fosfatoG 0 0,4 kcal/mol

La reaccin transcurre rpidamente en ambas direccionesdebido a su pequea variacin de energa libre. La enzima re-quiere para su actividad Mg2 o Mn2.

Fosforilacin de fructosa 6-P. Es la segunda reaccin defosforilacin por otra molcula de ATP y catalizada por la fosfo-fructoquinasa (Fig. 2.1).

fructosa 6-fosfato ATP fructosa 1,6-bisfosfato ADPG 0 3,40 kcal/mol

fosfofructoquinasa

fosfogluco isomerasaMg2

LA RUTA GLUCOLTICA 23

Figura 2.1. La primera etapa de la gluclisis. En ella se utiliza ATPpara fosforilar los azcares.


La fosforilacin de la fructosa 6-P es una reaccin esen-cialmente irreversible como corresponde al valor de G 0 y esun punto clave en la ruta glucoltica. La fosfofructoquinasa esuna enzima reguladora alostrica, con un peso molecular alto(360.000); es activada por moduladores positivos como ADP,AMP y fructosa 2,6-bisfosfato, e inhibida por moduladoresnegativos como ATP y citrato. La fructosa 1,6-bisfosfato au-menta la afinidad de la enzima por la fructosa 6-fosfato y dis-minuye la inhibicin por ATP; adems, su activacin es sinr-gica con el AMP.

Escisin de fructosa 1,6-bisfosfato. Esta reaccin escatalizada por la aldolasa:

fructosa 1,6-bisfosfato dihidroxiacetona fostato gliceraldehdo 3-fosfato

G 0 5,73 kcal/mol

Aunque esta reaccin tiene un G 0 muy positivo en condi-ciones fisiolgicas, la reaccin transcurre hacia la formacin delas triosas fosfato porque el gliceraldehdo 3-fosfato desaparecerpidamente al seguir metabolizndose en la ruta glucoltica.

Interconversin de las triosas fosfato. Puesto quenicamente el gliceraldehdo 3-fosfato es metabolizado en lagluclisis toda la dihidroxiacetona fosfato se transforma engliceraldehdo 3-fosfato mediante la enzima triosa fosfato iso-merasa:

dihidroxiacetona fosfato gliceraldehdo 3-fosfatoG 0 1,83 kcal/mol

La segunda etapa de la gluclisis. La segunda etapade la gluclisis incluye las reacciones de oxido-reduccin yaquellas de fosforilacin en las que se genera ATP. Puesto que,como hemos visto, una molcula de glucosa se escinde en dosde gliceraldehdo 3-fosfato que siguen la misma ruta, por loque se considera slo una molcula.

Oxidacin de gliceraldehdo 3-fosfato. Esta reaccinest catalizada por la gliceraldehdo 3-fosfato deshidrogenasaque requiere como coenzima NAD.

gliceraldehdo 3-fosfato NAD Pi 1,3-bisfosfoglicerato NADH

G 0 1,5 kcal/mol

gliceraldehdo 3-fosfatodeshidrogenasa

triosa fosfatoisomerasa

aldolasaMg2


La gliceraldehdo 3-fosfato deshidrogena-sa cataliza la reac-cin de oxidacin dela gluclisis.

La aldolasa rompe lafructosa 1,6-bifosfatoen condiciones intra-celulares a pesar desu DG0' positivo encondiciones estndar.


sta es una de las reacciones ms importantes de la secuen-cia glucoltica puesto que se conserva la energa de oxidacindel grupo aldehdo del gliceraldehdo 3-fosfato en la forma deun compuesto rico en energa como es el 1,3-bisfosfoglicerato.La funcin de NAD es la de portador de electrones o tomosde hidrgeno. El mecanismo de accin de la enzima es bastan-te complejo ya que el substrato primeramente se combina conun grupo SH del centro activo de la enzima y sta reaccionacon el NAD. El complejo acil-enzima reacciona posteriormentecon el fosfato para producir 1,3-bisfosfoglicerato. Un hechoque apoya este mecanismo es que la enzima es inhibida poraquellos reactivos que bloquean el grupo SH.

Transferencia del fosfato de 1,3-bisfosfoglicerato. El1,3-bisfofoglicerato transfiere el fosfato al ADP mediante la en-zima fosfoglicerato quinasa (Fig. 2.2).

1,3-bisfofoglicerato ADP 3-fosfoglicerato ATPG 0 4,50 kcal/mol

fosfogliceratoquinasa


Figura 2.2. La etapa segunda de la ruta de la gluclisis. Transformacin degliceraldehdo 3-fosfato en lactato y formacin de 2 molculas de ATP.


sta es la primera reaccin glucoltica en que se forma ATPy, aunque este proceso requiere 7,3 kcal/mol, la reaccin globales exergnica porque el 1,3-bisfoglicerato es un componentemuy rico en energa y su hidrlisis aporta suficiente energapara la sntesis de ATP:

1,3-bisfosfoglicerato H2O 3-fosfoglicerato PiG 0 11,8 kcal/mol

ADP Pi ATP H2OG 0 7,3 kcal/mol

Suma de las dos reacciones:

1,3-bisfosfoglicerato ADP 3-fosfoglicerato ATP G 0total 4,5 kcal/mol

Isomerizacin del 3-fosfoglicerato. Esta reaccin es ca-talizada por la fosfoglicerato mutasa y requiere Mg2:

3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato.G 0 1,06 kcal/mol

Deshidratacin de 2-fosfoglicerato. Esta es la segundareaccin de la secuencia glucoltica en la que se genera un en-lace fosfato rico en energa; la enzima que cataliza la reaccines la enolasa que requiere Mg2 o Mn2 para su actividad:

2-fosfoglicerato fosfoenolpirato H2O G 0 0,44 kcal/mol

Transferencia del fosfato de fosfoenolpirato. El fosfatorico en energa del fosfoenolpirato es transferido al ADP por lapiruvato quinasa:

fosfoenolpirato ADP pirurato ATP G 0 7,5 kcal/mol

La enzima requiere Mg2 o Mn2 y K, y es una enzima regu-ladora alostrica con la que acta como modulador positivo lafructosa 1,6-bisfosfato y como moduladores negativos el ATP, elCa2 y la alanina.

Reduccin del piruvato. En el ltimo paso de la glucli-sis el piruvato es reducido a lactato a expensas de los electro-nes donados por el gliceraldehdo 3-fosfato a NAD. Estos elec-

piruvato quinasa

enolasaMg2

fosfoglicerato mutasaMg2


La piruvato quinasacataliza la segundareaccin de la rutaglucoltica que pro-porciona ATP.

La fosfoglicerato qui-nasa es la primera re-accin de la glucli-sis que proporcionaATP.


trones son transferidos por NADH y las reacciones catalizadaspor la lactato deshidrogenasa:

piruvato NADH H lactato NAD

G 0 6,0 kcal/mol

En el organismo humano existen al menos cinco formas di-ferentes de lactato deshidrogenasa o isoenzimas. El corazn, h-gado y riones son especialmente abundantes en isoenzimasdel tipo H, que tienen relativamente baja afinidad por piruvato,mientras el msculo esqueltico es rico en isoenzimas del tipoM, que tienen gran afinidad por piruvato y tienden hacia la for-macin de cido lctico.

LAS RUTAS DE LOS TOMOS DE CARBONO,LA DE LA ENERGA Y LA DE LOSELECTRONES

En la ruta glucoltica existen tres transformaciones qumicasque estn interconectadas:

La transformacin por la que el esqueleto carbonado de laglucosa se transforma en el del cido lctico, esto es, el destinode los tomos de carbono; la de la energa, donde y cmo seutiliza y forma ATP, y la de los electrones, las reacciones de xi-do-reduccin.

1. Destino de los tomos de C de glucosa. La molcula deglucosa de seis tomos de carbono en la ruta glucolticase transforma en dos molculas de cido lctico. Si seenumeran los carbonos asignando el n 1 al del grupoaldehdo, al escindirse la fructosa 1,6-bisfosfato, los car-bonos 1, 2 y 3 se confunden con los 6, 5 y 4, respecti-vamente, en el gliceraldehdo 3-fosfato y la posicin enel cido lctico ser:

lactatogliceraldehdo3-fosfato

glucosa

CH3l

COHl

COOH

(6)(3)

2 H(5)(2)

(1)(4)

COHl

COHl

CH2OPO32

(1)(4)

2 (2)H(5)

(3)(6)

1COHl

2COHl

3CHl

4COHl

5COHl

6CH2OH

H

HO

H

H

lactatodeshidrogenasa


En la gluclisis anae-robia no hay un cam-bio neto del estadode oxidacin de laglucosa en compara-cin con el lactato.

La lactato deshidroge-nasa cataliza la reac-cin de reduccin dela gluclisis. En con-diciones anaerobias oaerobias insuficientesoxida el NADH paraque la gluclisis con-tinue funcionando.


2. La secuencia de reacciones en las que se utiliza y seforma ATP:

glucosa ATP glucosa 6-P ADP

fructosa 6-P ATP fructosa 1,6-bisfosfato ADP

2 1,3 bisfosfoglicerato 2 ADP 2 3-fosfoglicerato 2 ATP

2 fosfoenolpiruvato 2 ADP 2 piruvato 2 ATP

3. La secuencia de reacciones de xido-reduccin:

2-gliceraldehdo 3-fosfato 2 NAD 2 Pi 2 1,3 difosfoglicerato 2 NADH 2 ATP

piruvato NADH H lactato NAD

Teniendo en cuenta estos procesos, la ecuacin global de lagluclisis es:

glucosa 2 ATP 2 NAD 2 Pi 4 ADP 2 NADH 2 H 2 lactato 2 ADP 2 NADH

2 H 2 NAD 4 ATP 2 H2O

cancelando los trminos iguales en los dos miembros:

glucosa 2 Pi 2 ADP 2 lactato 2 ATP 2H2O

Hay que destacar que, aunque existen dos reacciones dexido-reduccin, no hay un cambio neto en el estado de oxi-dacin.

RUTAS AFLUENTES DE LA GLUCOLTICA

Adems de la glucosa, otros carbohidratos entran en la rutaglucoltica para ser degradados. La glucosa de los polisacridosglucgeno y almidn entran en la ruta a travs de enzimas quedegradan las cadenas unitariamente y mediante procesos per-fectamente regulados.

Los disacridos maltosa, lactosa y sacarosa no se encuen-tran en la sangre de los organismos superiores. Cuando se in-gieren con la dieta, son hidrolizados enzimticamente en el in-testino delgado en sus componentes hexosas antes de pasarpor va portal al corriente sanguneo:

maltosa H2O glucosa glucosamaltasa



lactosa H2O galactosa glucosa

sacarosa H2O fructosa glucosa

Como la glucosa, la manosa es fosforilada en el hgado:

manosa ATP manosa 6-fosfato ADP

La manosa es isomerizada a fructosa 6-fosfato por la fosfo-manosa isomerasa:

manosa 6-fosfato fructosa 6-fosfato

En el hgado de vertebrados la fructosa entra en la gluclisispor otra ruta. La fructoquinasa cataliza la fosforilacin de lafructosa:

fructosa ATP fructosa 1-fosfato ADP

La fructosa 1-fosfato se escinde en gliceraldehdo y dihidro-xiacetona fosfato mediante la fructosa 1-fosfato aldolasa, unaenzima semejante a la aldolasa de la ruta glucoltica:

fructosa 1-fosfato gliceraldehdo dihidoxiacetona fosfato

La dihidroxiacetona fosfato es un intermediario de la gluc-lisis y el otro producto el gliceraldehdo es fosforilado a gliceral-dehdo 3-fosfato, otro intermediario de la gluclisis, mediantela reaccin:

gliceraldehdo ATP gliceraldehdo 3-fosfato ADP

La galactosa 1-fosfato es convertida en glucosa 1-fosfato atravs de las siguientes reacciones:

UTP galactosa 1-fosfato UDP-galactosa PP

UDP-galactosa UDP-glucosa

UDP-glucosa PP UTP glucosa 1-P

Como se puede observar, el UTP tiene, en estas reacciones,una funcin muy importante como transferidor de grupos glu-coslicos.

glucosa 1-fosfato-uridiltransferasa

UDP epimerasa

galactosa 1-fosfatouridil transferasa

gliceraldehdoquinasa

fructosa 1-fosfato aldolasa

fructoquinasa

fosfomanosa isomerasa

hexoquinasa

invertasa

lactasa


Todos los carbohidra-tos en ltimo trminose transforman enfructosa 6-fosfato


LA REGULACIN DE LA GLUCLISIS

En la ruta glucoltica existen tres puntos importantes de con-trol (Fig. 2.3). El primero es aquel en que la glucosa se fosforilaa glucosa 6-fosfato por ATP y la hexoquinasa. Otro importantepunto de control es la reaccin catalizada por la fosfofructoqui-nasa. Esta enzima reguladora es activada por AMP y ADP e in-hibida por ATP y citrato. El tercer punto de regulacin es lareaccin catalizada por la piruvato quinasa, que es activadapor fructosa 1,6-bisfosfato y AMP. Como se puede observar, lastres enzimas de control estn reguladas por un intermediariometablico, pero de una manera especial por la concentracinde AMP, ADP y ATP. De una manera simplificada se puede afir-mar que la relacin ADP/ATP regula el flujo metablico de laruta. Si esta relacin es alta porque la concentracin de ATP esbaja, la gluclisis se activa para formar ATP. Si, por el contrario,la relacin ADP/ATP es baja, la clula inhibe la fosfofructoqui-nasa y se interrumpe la gluclisis para no producir ms ATP.


La hexoquinasa, fosfo-fructoquinasa y piru-vato quinasa son losprincipales centros decontrol de la glucli-sis.

Figura 2.3. Las tres reacciones de control de la gluclisis ysus efectores positivos y negativos.



Diabetes mellitus y gluclisis

La insulina y el glucagn son dos hormonas esenciales enel control homeosttico del nivel de glucosa sangunea. Nor-malmente despus de cada comida experimentamos un au-mento de glucosa en sangre. Las clulas de los islotes deLangerhaus del pancreas perciben estos niveles de glucosa cir-culante y liberan insulina que disminuye el nivel de glucemiaprincipalmente estimulando el transporte activo de la glucosa atravs de las membranas celulares de los tejidos muscular yadiposo. Esto es as porque la insulina se fija a una protena re-ceptora especfica de la membrana celular y facilita la entradade glucosa. En la enfermedad de diabetes mellitus se produceun nivel insuficiente de insulina o una hormona defectuosacon una afinidad disminuida por los centros receptores. Debi-do a que la glucosa no puede ser captada por las clulas de losdiabticos, una caracterstica de estos enfermos es que el nivelde glucosa en sangre permanece alta y esto va acompaado


RESUMEN

La gluclisis es un proceso para obtener energa de laglucosa en ausencia de oxgeno. Tiene lugar en dos etapasy estn implicadas 11 reacciones catalizadas enzimtica-mente. En la primera etapa la glucosa es fosforilada porATP y, posteriormente, escindida en dos molculas de D-gliceraldehdo 3-fosfato. Otras hexosas, pentosas y glicerolentran en la ruta mediante otras reacciones en esta etapapara converger tambin en D-gliceraldehdo 3-fosfato.

En la segunda etapa el D-gliceraldehdo 3-fosfato esoxidado por NAD para formar un compuesto rico energ-ticamente, el 1,3-difosfoglicerato, que cede su fosfato alADP para obtener ATP y 3-fosfoglicerato; este compuestose isomeriza a 2-fosfoglicerato, el cual se deshidrata a fos-foenolpiruvato, que nuevamente dona su fosfato al ADPpara formar ATP y piruvato. El piruvato se reduce a lacta-to por NADH procedente de la deshidrogeneracin de latriosa-fosfato. En la ruta glucoltica entran dos moles deATP en la primera etapa y se forman cuatro de ATP en lasegunda. Existen en la ruta tres puntos de regulacin, unoen la entrada y otros dos en la ruta, los cuales sirven de re-acciones limitantes de la velocidad glucoltica.


de una mayor excrecin de orina (poliuria) con una constantedeshidratacin. En la diabetes no hay un control de la lipasa,por lo que se produce una movilizacin excesiva de cidosgrasos que llegan a acumularse en el hgado. La ausencia deinsulina favorece la glucogenlisis y la gluconeognesis por loque el estado hiperglucmico se ve exacerbado. El organismointenta compensar la falta de glucosa intracelular aumentandosu disponibilidad mediante la gluconeognosis, aun cuandohaya un suministro adecuado de carbohidratos. Como el orga-nismo es incapaz de utilizar la glucosa para obtener energa,sta debe ser obtenida de los lipidos. Los cidos grasos sonmovilizados y convertidos en acetil-CoA en el hgado, peroeste compuesto no puede ser oxidado a CO2 y H2O en el ciclode Krebs debido al inadecuado suministro de oxalacetato. Porello, el acetil-CoA es dirigido hacia la conversin de cuerposcetnicos como cido acetoactico y -hidroxibutrico. El teji-do muscular puede utilizar los cuerpos cetnicos para su meta-bolismo energtico, pero generalmente su produccin es tanexcesiva que hay una prdida de estas sustancias por va pul-monar y renal. El aceto-acetato se degrada fcilmente a aceto-na, que es exhalada con el aliento. La excrecin urinaria deacetoacetato y -hidroxibuterato produce prdida de Na ge-nerndose un estado de acidosis.

La administracin de insulina revierte estos efectos, aunquese requiere un ajuste de la dieta y una dosis de insulina ade-cuada.



Las clulas aerobias obtienen la mayor parte de su energade la respiracin, esto es, de la transferencia de electronesdesde las molculas combustibles hasta el oxgeno molecular.La respiracin implica la mayora de las reacciones de la rutaglicoltica, hasta el piruvato, pero el proceso oxidativo con-tina hasta la transformacin en dixido de carbono y agua.En este tema comenzaremos con la descripcin de la reaccincatalizada por la piruvato deshidrogenasa, un complejo en-zimtico que transforma el piruvato en acetil-CoA. ste es elcompuesto por el que la mayora de los tomos de carbonoprocedentes del catabolismo de carbohidratos, cidos grasosy aminocidos entran en el ciclo de Krebs. El ciclo tiene comofunciones primordiales, el ser la ruta final de la oxidacin delas molculas combustibles y el de proporcionar molculasprecursoras para las rutas biosintticas. Cuando acta coneste ltimo objetivo, requiere de reacciones denominadasanaplerticas que le proporcionan metabolitos y evitan quedeje de funcionar.

LA REACCIN DEL COMPLEJO PIRUVATODESHIDROGENASA

En el tema anterior hemos estudiado la va glicoltica en quela glucosa se convierte en piruvato. Para que este compuestosea oxidado completamente a dioxido de carbono y agua en elciclo de Krebs se requiere:

a) Que el piruvato pase al interior de la mitocondria.b) Que se transforme en acetil-CoA.

TEMA 3 El ciclo de KrebsLa reaccin del complejo piruvato deshidrogenasa.El ciclo de Krebs: reacciones y regulacin. Reac-ciones anaplerticas.


Las enzimas del ciclo de Krebs se localizan de forma orde-nada en el interior de la mitocondria. La membrana mitocon-drial es impermeable a los compuestos fosforilados y al acetil-CoA, por lo que el piruvato de la ruta glicoltica, que se originaen el citosol, es transportado, mediante difusin facilitada, alinterior de la mitocondria (Fig. 3.1). Posteriormente, el piruva-to, a travs de una descarboxilacin oxidativa, se transforma enacetil-CoA, segn la ecuacin global:

piruvato NAD CoA-SH acetil-CoA NADH H CO2

G0 8,0 kcal


Figura 3.1. El piruvato procedente de la gliclisis atraviesa la membrana mi-tocondrial para ser oxidado y descarboxilado a acetil-CoA en la matriz mito-

condrial.

La reaccin transcurre con una gran variacin negativa deenerga libre estndar, lo que indica que en la clula viva esesencialmente irreversible. La reaccin est catalizada por el

La oxidacin del pi-ruvato es una reac-cin irreversible en laque intervienen tresenzimas y cinco co-enzimas.


complejo piruvato deshidrogenasa (PDH) constituido por tresenzimas:

piruvato deshidrogenasa, dihidrolipoil transacetilasa ydihidrolipoil deshidrogenasa

y cinco coenzimas:

pirofosfato de tiamina (TPP), cido lipoico, coenzima A(CoA-SH), nicotinamina adenina dinucletido (NAD), yflavinadenina dinucletido (FAD).

Este complejo multienzimtico ha sido aislado y purificadode varios organismos. El de la especie humana tiene un pesode 8,5 106 daltons y est constituido por 30 molculas te-tramricas de la piruvato deshidrogenasa, que contiene unidauna molcula de TPP, 60 molculas de dihidrolipoil transaceti-lasa cada una con una molcula de cido lipoico y seis de dihi-drolipoil deshidrogenasa, cada una de las cuales se encuentraunida a una molcula de FAD. El proceso enzimtico se es-quematiza en la figura 3.2. Se ha postulado que la cadena late-ral del cido lipoico (lipoil-lisina) acta como un brazo oscilan-te para transferir grupos acetilo y tomos de hidrogeno (o loselectrones equivalentes), desde una enzima a la siguiente den-tro del complejo enzimtico.

EL CICLO DE KREBS 35

Figura 3.2. Descarboxilacin oxidativa del piruvato a acetil-CoA por el com-plejo piruvato deshidrogenasa. Las sustancias que entran y salen del complejoaparecen enmarcadas. Las enzimas que intervienen son: E1 piruvato deshi-drogenasa, E2 dihidrolipiol transacetilasa, E3 Dihidrolipoil deshidrogenasa.


La reaccin catalizada por el complejo piruvato deshidroge-nasa se encuentra en una posicin clave del metabolismo, noslo porque sirve de conexin entre la ruta glicoltica y el ciclode Krebs sino porque el piruvato y el acetil-CoA son compo-nentes de varias rutas biosintticas y degradativas (Fig. 3.3).As, el piruvato, adems de ser el producto final de la ruta gli-coltica, se forma en el catabolismo de aminocidos, en la oxi-dacin del lactato, y es un precursor de la sntesis de aminoci-dos, de la glucosa y del lactato. El acetil-CoA se forma en la de-gradacin de los cidos grasos y de aminocidos y es unprecursor de la sntesis de cidos grasos, cuerpos cetnicos, co-lesterol y otros lpidos de gran importancia biolgica.


Figura 3.3. La reaccin catalizada por el complejo PDH se encuentra en unaposicin clave del metabolismo. El piruvato y el acetil-CoA son productos fina-

les de varias rutas catablicas y precursores de otras anablicas.

No es de extraar que, dada la posicin tan estratgica delcomplejo piruvato deshidrogenasa en el metabolismo, su activi-dad se encuentre regulada con precisin. Exiten dos niveles deregulacin sobre el complejo: uno rpido, en el que los produc-tos de la reaccin (acetil-CoA y NADH) actan de inhibidores(Fig. 3.4) y otro lento mediante modificacin covalente y en elque participan dos enzimas ms: la PDH quinasa y la PDH fos-fatasa (Fig. 3.5). Estas enzimas, que tambin constituyen parteintegral del complejo PDH, regulan la actividad del mismo atravs de un mecanismo de fosforilacin y desfosforilacin. Va-

Figura 3.4. El complejoPDH est regulado dem a n e r a r p i d a p o rNADH y acetil-CoA quelo hacen como efectores

negativos.


lores elevados de las proporciones NADH/NAD, acetil-CoA/CoA-SH y/o ATP/ADP actan como efectores positivos de laPDH quinasa, favoreciendo la formacin de la PDH activa, nofosforilada, en PDH fosforilada, poco activa. El resultado netode este proceso es el descenso del ritmo en la transformacinpiruvato-acetil-CoA.

EL CICLO DE KREBS:REACCIONES Y REGULACIN

El ciclo del cido ctrico, de los cidos tricarboxlicos, delcido tricarboxlico o, simplemente, de Krebs, en honor de sudescubridor Hans Krebs, fue la consecuencia de propuestas,experimentos y deducciones brillantes que han marcado unhito en la historia y el desarrollo de la Bioqumica. Krebs bassus estudios en los realizados previamente por Thumberg,Szent Gyorgyi, Martius, Knoop y Ochoa y sus primeros resulta-dos los public en 1937 en las revistas Enzymologia y Lanzet.

El carcter cclico se debe a que, despus de una serie dereacciones, se regenera el compuesto de partida, el oxalacetato.En cada vuelta del ciclo de Krebs una molcula de acetilo (delacetil-CoA) de dos tomos de carbono se condensa con unamolcula de cido oxalactico de cuatro tomos de carbonopara formar cido ctrico, un compuesto de seis tomos de car-bono. Este ltimo se oxida mediante una secuencia de reaccio-nes, de tal modo que se liberan dos molculas de CO2 y se re-genera una molcula de cido oxalacetato. Este compuestopuede combinarse con otra molcula de acetilo, iniciando el ci-clo otra vuelta. En cada vuelta se incorpora una molcula de


Figura 3.5. El complejo PDH est regulado de manera lenta por un sistema defosforilacin/desfosforilacin en el que intervienen la PDH-quinasa y la PDH-

fosfatasa.

El ciclo de Krebs esla ruta de oxidacinde todos los combus-tibles metablicos encondiciones aerbi-cas.


acetilo y se eliminan dos de CO2. Cuando el ciclo est funcio-nando con fines energticos, una molcula de cido oxalacti-co sera suficiente para lograr la oxidacin de un nmero infi-nito de molculas de acetilo. En estas condiciones, por cadavuelta se liberan cuatro pares de hidrgeno (o sus electronesequivalentes), los cuales pasarn al oxgeno molecular para ob-tener energa en forma de ATP.

El conjunto de reacciones del ciclo se muestra en la figura 3.6.Del funcionamiento del ciclo de Krebs se puede destacar los

siguientes hechos:

1. La primera reaccin del ciclo es la condensacin de unamolcula de acetil-CoA con otra de cido oxalacticopor la accin cataltica de la citrato sintasa. La reaccin


Figura 3.6. Reacciones del ciclo de Krebs. Los nmeros corresponden a las siguientas enzimas: (1) Citratosintasa. (2) Aconitasa. (3) Aconitasa. (4) Isocitrato deshidrogenasa. (5) Complejo -cetoglutarato deshidro-genasa. (6) -cetoglutarato deshidrogenasa. (7) Succinil CoA sintetasa. (8) Succinato deshidrogenasa.(9) Fumarasa. (10) Malato deshidrogenasa. Los tomos de carbono del acetil-CoA aparecen en color naran-ja para que pueda observarse que despus de las dos descarboxilaciones permanecen integrados en la

molcula de succinato.

En el ciclo entran dostomos de carbonocon el acetil-CoA y sepierden dos en las re-acciones y .54


es irreversible porque la hidrlisis del enlace tioster delacetil-CoA implica la liberacin de una gran cantidad deenerga (G0 7,5 kcal) (Fig. 3.6).

2. Hay cuatro reacciones catalizadas por deshidrogenasasque reducen tres molculas de NAD y una de FAD: iso-citrato deshidrogenasa, complejo -cetoglutarato deshi-drogenasa, succinato deshidrogenasa y malato deshidro-genasa. En las dos primeras tambin se producen des-carboxilaciones.

3. El complejo -cetoglutarato deshidrogenasa que catali-za la transfomacin del -cetoglutarato en succinil-CoAtiene una estructura similar al de la piruvato deshidro-genasa; como ste, est constituido por tres enzimas ylas mismas coenzimas: TTP, cido lipoico, CoA-SH,FAD y NAD.

4. La reaccin catalizada por la succinil-CoA genera un en-lace fosfato de alta energa en forma de GTP (equivalen-te a ATP).

5. Los tomos de carbono que se liberan en forma de CO2por cada vuelta del ciclo no son los mismos que los cap-tados como acetilos.

6. Algunas sustancias inhiben el funcionamiento del ciclode Krebs, generalmente porque compiten con los sustra-tos por las enzimas del ciclo. As, el malonato inhibe lasuccinato deshidrogenasa y el fluoracitrato la aconitasa.Las sales de arsnico inhiben el complejo -cetoglutara-to deshidrogenasa.

La reaccin neta del ciclo es:

acetil-CoA 3 NAD FAD GDP Pi H2O 2CO2 3 NADH FADH2 GTP 2H CoA-SH

Las tres molculas de NADH y la de FADH2 se oxidan enla cadena de transporte electrnico, como hemos visto en eltema 28 de Fundamentos de Bioqumica Estructural. El ox-geno molecular no participa directamente en el ciclo deKrebs, pero ste slo funciona en condiciones aerbicas por-que el NADH y el FADH2 nicamente transfieren sus electro-nes al oxgeno molecular en la cadena respiratoria (Fig. 3.7).

El ciclo est regulado por la accin de enzimas alostricasque responden a las concentraciones de metabolitos celulares yque son limitantes en la velocidad metablica del ciclo. En ter-minos estrictos, el complejo PDH no forma parte del ciclo, perosu regulacin potencia la sensibilidad del sistema de regulacindel ciclo al controlar la cantidad de acetil-CoA que se incorporaal mismo. En el ciclo existen tres reacciones que se pueden


Cada vuelta del ciclode Krebs genera unfosfato de alta ener-ga por una fosforila-cin a nivel de sus-trato, 3 del NADH y 1del FADH2. Estos l-timos se reoxidarnen la cadena respira-toria.


Figura 3.7. El ciclo de Krebs y la cadena respiratoriaestn acoplados por los electrones que fluyen desdelos intermediarios del ciclo a travs de la cadena al

oxgeno molecular.

considerar claves en la regulacin yque son catalizadas por las siguientesenzimas (Fig. 3.8):

Citrato sintasa. Cuando aumentanlos niveles de NADH y/o ATP porencima de lo normal, actan dis-minuyendo la actividad de la enzi-ma y, por tanto, la formacin decitrato.

Isocitrato deshidrogenasa. Estaenzima alostrica es, como la an-terior, inhibida por el NADH yATP y estimulada por NAD, ADPy Ca2.

-Cetoglutarato deshidrogenasa.Este complejo enzimtico, comose ha indicado, es anlogo en suestructura al del piruvato deshi-drogenasa. Como este, es inhibi-do por los productos finales de lareaccin que cataliza, que en elcaso del complejo -cetoglutaratodeshidrogenasa, son: el succinil-CoA y el NADH.

Se puede subrayar que la velocidadmetablica del ciclo est regulada deforma general por el producto final delas reacciones de obtencin de energade la respiracin, el ATP, y el productofinal de las etapas de deshidrogenacindel ciclo, el NADH.

REACCIONESANAPLERTICAS

Aunque el ciclo de Krebs es la va de-gradativa ms importante para generarATP, el ciclo es esencial para la biosn-tesis de compuestos celulares. As, mu-

chos aminocidos derivan del -cetoglutarato y del oxalaceta-to, y la mayora de los tomos de carbono de las porfirinas pro-ceden del succinil-CoA. Cuando esos metabolitos son extradosdel ciclo de Krebs, ste deja de funcionar, puesto que se inte-rrumpe la formacin de oxalacetato.


El ciclo de Krebs secontrola fundamen-talmente por tres re-acciones y por lasconcentraciones in-tramitocondriales deNAD+ y NADH.


Para que el ciclo siga actuando a un ritmo normal, existenreacciones denominadas anaplerticas (de relleno) que rees-tablecen los niveles de los intermediarios del ciclo. La ms im-portante es la carboxilacin del cido piruvico para formar ci-do oxalactico; catalizada por la piruvato carboxilasa

piruvato CO2 ATP oxalacetato ADP PiG0 0,5 kcal

La piruvato carboxilasa, que se encuentra en el hgado yrin, es una enzima alostrica de peso molecular elevado (al-rededor de 650.000 daltons) y un elevado nmero de subuni-dades proteicas. Su modulador positivo es el acetil-CoA (Fig.3.9). Cuando esta sustancia alcanza un nivel por encima de lonormal, activa la reaccin favoreciendo la formacin de oxala-cetatato, el cual se condensa con el acetil-CoA acumulado paraformar citrato y de esta forma permitir que el ciclo siga funcio-nando.

En el corazn y en el tejido muscular acta principalmentela enzima mlica (malato deshidrogenasa dependiente deNADP) y que cataliza la reaccin:

piruvato CO2 NADPH H L-malato NADPenzimamalica

piruvatocarboxilasa


Figura 3.8. Regulacin del flujo metablico a travs del ciclo de Krebs. Lastres enzimas alostricas estn controladas por los niveles de varios efectores po-

sitivos y negativos.

Los intermediariosdel ciclo de Krebsque se utilizan enotras rutas biosintti-cas deben reponersepara que el flujo me-tablico a travs delciclo no se detenga.


De estas dos reacciones anaplerticas, la que tiene ms im-portancia cuantitativamente es la catalizada por la piruvatodeshidrogenasa, cuya actividad aumenta con el ejercicio, elayuno y la diabetes. Curiosamente la actividad de la enzimamlica se encuentra disminuida en diabetes y aumentada trasla administracin de insulina.


Figura 3.9. La reaccin anaplertica catalizada por la piruvato carboxilasapermite la reposicin de intermediarios del ciclo de Krebs para que ste conti-ne funcionando. En condiciones biosintticas, al aumentar el nivel de acetil-

CoA, este compuesto acta como un efector positivo de la piruvato

RESUMEN

La reaccin catalizada por el complejo piruvato deshi-drogenasa conecta las rutas glicoltica y el ciclo de Krebs,ya que transforma el cido pirvico en acetil-Co. El com-plejo est formado por tres enzimas y cinco coenzimas, yest regulado por modificacin covalente. El ciclo cumplecon dos funciones importantes:

1) Es la ruta degradativa final para la oxidacin demolculas combustibles.



Los casos clnicos derivados de una disfuncin del complejopiruvato deshidrogenasa, ciclo de Krebs y de las reaccionesanaplerticas son consecuencia de una insuficiente actividadenzimtica debido a una deficiencia en una coenzima o a undefecto estructural de la protena. Entre los primeros, el casoms conocido es el de la deficiencia en vitamina B1, y entre lossegundos, la reducida actividad de las enzimas del complejo pi-ruvato deshidrogenasa, de la fumarasa y de la citrato sintasa.

Deficiencia vitamnica B1

La deficiencia vitamnica B1 ocasiona una enfermedad neu-rolgica y cardiovascular descrita en 1630 por J. Bonitus que ladenomin beriberi (cordero), porque las personas que pade-cian esa enfermedad andaban como los corderos. El problemacontina siendo grave en el Extremo Oriente, donde el arrozque es el alimento bsico, contiene niveles muy bajos de tiami-na y practicamente nulos cuando el arroz se descascarilla. Lospacientes con esta enfermedad suelen tener niveles altos de pi-ruvato, lactato y alanina en sangre, y baja actividad de los com-plejos piruvato deshidrogenasa y de -cetoglutarato deshidro-genasa.


2) Es fuente de molculas precursoras para las rutasbiosintticas.

El ciclo est constituido por una serie de reacciones quecomienzan con la condensacin del grupo acetilo del ace-til-CoA con el cido oxalactico, de cuatro tomos de car-bono, para formar cido ctrico de seis tomos de carbo-no. En cada vuelta del ciclo, despus de una secuencia dereacciones que generan nuevamente cido oxalacetato, seliberan dos tomos de carbono en forma de CO2 y se ori-ginan tres molculas de NADH, una de FADH2 y otra deGTP. El ritmo del ciclo est controlado, principalmente, porATP y NADH, que actan como moduladores negativossobre tres enzimas alostricas: citrato sintasa, isocitratodeshidrogenasa y -cetoglutarato deshidrogenasa. Cuan-do el ciclo funciona con fines biosintticos, la reposicinde los intermediarios se realiza mediante reacciones ana-plerticas. Las ms importantes son las catalizadas por lapiruvato carboxilasa y la enzima mlica.


Los sntomas de esta enfermedad se originan como conse-cuencia de una hipoavitaminosis B1 o tiamina. La tiamina en elorganismo se fosforila a pirofosfato de tiamina (TPP), que esuna de las coenzimas del complejo piruvato deshidrogenasa, ydel -cetoglutarato deshidrogenasa, por eso las actividades deestas enzimas en sangre estn disminuidas en el beriberi.

Una terapia lgica es una dieta baja en carbohidratos y laadministracin de tiamina. La administracin de TPP no esms eficaz que la de la tiamina, dado que la coenzima, al serun compuesto fosforilado, no atraviesa las membranas. En oca-siones la terapia no es tan sencilla ya que la baja actividad delPDH puede tener un origen gentico.

Una deficiencia en piruvato carboxilasa produce tambienun aumento de piruvato y alanina en sangre, ya que el piruva-to no puede convertirse en oxalacetato, que es el aceptor degrupos acetilo en el ciclo de Krebs.

Deficiencia en la actividad fumarasa

Las deficiencias en la actividad fumarasa del tejido cerebraly del musculo esqueletico ocasionan miopatia mitocondrial.Los pacientes con encefalomiopata mitocondrial mueren a lospocos meses de edad. Presentan cantidades anormalmente al-tas de fumarato en sangre. Las mitocondrias de msculo es-queltico y de hgado, obtenidas mediante biopsias, muestranuna actividad en fumarasa prcticante nula. Sin embargo,mientras las primeras oxidan lentamente el glutamato y el suc-cinato, las de hgado oxidan ambos sustratos a velocidad nor-mal. La administracin de sustratos gluconeognicos, como ellactato o la alanina, alivian los efectos de la enfermedad.



La ruta de las pentosas fosfato es una ruta alternativa a laglucoltica, cuyas funciones son obtener poder reductor para lasreacciones de biosntesis y D-ribosa para la sntesis de nuclesi-dos. La ruta consiste en dos etapas de naturaleza qumica dife-rente, la primera implica reacciones de xido-reduccin, y lasegunda reacciones en equilibrio de isomerizacin y reagrupa-miento molecular. La primera reaccin de la primera etapa re-gula el flujo del metabolismo a travs de la ruta.

LA RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO

La ruta de las pentosas fosfato, tambin denominada rutade los hexosas fosfato o ruta del fosfogluconato, es otra va dedegradacin de la glucosa con dos funciones primordiales: ori-ginar poder reductor en forma de NADPH y obtener pentosas,concretamente D-ribosa. La primera funcin es especialmenteimportante en tejidos que realizan la sntesis de cidos grasos yesteroides, como son el hgado, las glndulas mamarias, los te-jidos grasos y la corteza adrenal. En el msculo esqueltico estava no es activa. En la ruta se pueden considerar dos etapas:una primera que implica reacciones de xido-reduccin y unasegunda que comprende reacciones de condensacin e isome-rizaciones moleculares.

ETAPA I

La primera reaccin es la deshidrogenacin enzimtica dela glucosa 6-fosfato por la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa

TEMA 4 La ruta de laspentosas fosfatoLa ruta de las pentosas fosfato. Etapa I. Etapa II.Rendimiento energtico. Regulacin de la ruta.

La ruta de las pento-sas fosfato generaN A D P H p a r a l a sbiosntesis reducto-ras y ribosa 5-P parala biosntesis de nu-cletidos.


para dar 6-fosfoglucolactona. En condiciones fisiolgicas estareaccin es reversible, pero el producto de la reaccin rpida-mente se hidroliza mediante la 6-fosfogluconolactonasa a 6-fosfogluconato con una variacin alta de energa libre, por loque el conjunto de las dos reacciones est desplazado clara-mente hacia la derecha:

En la siguiente reaccin el 6-fosfogluconato sufre una des-carboxilacin oxidativa por la 6-fosfogluconato deshidrogenasaque requiere NADP para dar ribulosa 5-fosfato y CO2:

ETAPA II

Esta etapa comprende una serie de condensaciones, iso-nomerizaciones y reagrupamientos catalizados enzimtica-mente.


Las tres reaccionesde la fase oxidativa(etapa I) incluyen dosoxidaciones que pro-ducen NADPH.


El producto final de los procesos oxidativos de la etapa I, laribulosa 5-fosfato, es convertido en ribosa 5-fosfato por accinde la ribulosa 5-fosfato epimerasa. En esta reaccin el carbono3 de la ribulosa es invertido para dar xilulosa 5-fosfato. Alterna-tivamente, la ribulosa 5-fosfato puede ser convertida en la al-dolasa correspondiente, la ribosa 5-fosfato por la ribosa 5-fos-fatoisomerasa, una reaccin similar a la conversin de glucosa6-fosfato en fructosa 6-fosfato.

Estas reacciones son:

Posteriormente aparecen reacciones de reordenamiento detomos mediante la accin de dos clases de enzimas: transal-dolasas y transectolasas, en las cuales se lleva a cabo la transfe-rencia de unidades de dos y tres tomos de carbono:

LA RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO 47

Las reacciones de laetapa II son todas re-versibles.


La sedoheptulosa 7-fosfato y el gliceraldehdo 3-fosfato sonobtenidos de la reaccin entre la xilulosa 5-fosfato y la ribosa5-fosfato catalizada por la transcetolasa:

La transcetolasa transfiere el grupo de una mol-

cula a otra y requiere para su actividad pirofosfato de tiaminaTPP, la coenzima que requieren los complejos enzimticos pi-ruvato deshidrogenasa y a-cetoglutanato deshidrogenasa. Latranscetolasa cataliza dos reacciones en las que interviene laxilulosa 5-fosfato, una es la transformacin de xilulosa 5-fosfa-to y ribosa 5-fosfato en sedoheptulosa 7-fosfato y gliceraldeh-do 3-fosfato y la otra la transformacin de xilulasa 5-fosfato yeritrosa 4-fosfato en fructosa 6-fosfato y gliceraldehdo 3-fosfa-to. La sedoheptulosa 7-fosfato es un azcar inusual de sietetomos de carbono que tambin se encuentra en las reaccio-nes del ciclo de Calvn en la fase de la fotosntesis que no de-pende de la luz.

CH2OHl

COl



La transaldolasa cataliza la reaccin entre la sedoheptulosa7-fosfato y el gliceraldehdo 3-fosfato para producir fructosa 6-fosfato y una tetrosa, la eritrosa 4-fosfato. La transferencia im-

plica el fragmento de tres tomos de carbono yno requiere coenzima.

En la figura 4.1 se muestra una panormica de la ruta delas pentosas fosfato en la que se puede apreciar que los pro-ductos de la ruta son el gliceraldehdo 3-fosfato y la fructosa 6-fosfato, dos intermediarios de la ruta glucoltica.

RENDIMIENTO ENERGTICO

Para conocer el rendimiento energtico de la ruta de laspentosas fosfato es necesario considerar tres molculas de glu-cosa 6-fosfato, ya que en la etapa II (Fig. 4.1) se requieren unamolcula de ribosa 5-fosfato y dos de xilulosa 5-fosfato. La ri-

CH2OHl

COl

CHl

HO

LA RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO 49

Figura 4.1. La ruta de las pentosas fosfato. Obsrvese que las reacciones de laetapa I son irreversibles y las de la II, reversibles. Este hecho permite que si laclula requiere ribosa 5-fosfato y no NADPH se pueda obtener a travs de las

reacciones de la etapa II, mediante los intermediarios de la gluclisis.


bosa 5-fosfato y una de las dos molculas de xilulosa 5-fosfatosirven como precursores para la formacin de una fructosa 6-fosfato; la segunda, xilulosa 5-fosfato, ms la eritrosa 4-fosfatoforman otra molcula de fructosa 6-fosfato y una de gliceral-dehdo 3-fostato. De forma resumida:

3 glucosa 6-fosfato

2 fructosa 6-fosfato

1 gliceraldehdo 3-fosfato

La degradacin completa de una molcula de glucosa re-quiere, para entender fcilmente el proceso, considerar seismolculas de glucosa 6-fosfato que originarn 6 CO2, esto es,tantas molculas de anhdrido carbnico como tomos de car-bono tiene la molcula de glucosa (C6H12O6):

6 glucosa 6-fosfato 12 NADP 5 glucosa 6-fosfato 6 CO2 12 NADP Pi

Dos caractersticas importantes de esta ruta es que no re-quiere ATP una vez formada la glucosa 6-fosfato y que puedefuncionar en condiciones anaerbicas. Ello es fcil de com-prender ya que el NADP se puede regenerar en procesos debiosntesis, no requiere la cadena respiratoria, y, por tanto, laruta permite la pro

bioquimica metabolica

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