Índice
1. Introducción al metabolismo 8
1.1. Bioenergética . . . 9
1.2. Tipos de reacciones en el metabolismo . . . 10
1.3. Estrategias de regulación generales en el metabolismo . . . 12
2. Panorámica del metabolismo de carbohidratos. Digestión de carbohidratos. Transporte de glucosa 12 2.1. Digestión de carbohidratos en humanos . . . 12
3. Glucólisis 13 3.1. Pequeña historia . . . 14
3.2. Glucólisis propiamente dicha . . . 14
3.2.1. Balance de la glucólisis . . . 20
3.2.2. Ruta de Entner-Doudoroff . . . 20
3.3. Transformaciones químicas importantes que tienen lugar en la glucólisis . . . 21
3.4. Fermentación . . . 21
3.4.1. El efecto Pasteur . . . 22
3.4.2. El efecto Warburg . . . 23
3.5. Regulación de la glucólisis . . . 23
3.6. Lanzaderas . . . 24
3.7. Metabolismo del etanol en Homo sapiens . . . 25
3.7.1. Problemas metabólicos provocados por el alcohol . . . 26
3.8. Integración de otros polisacáridos en la glucólisis . . . 27
3.8.1. Maltosa . . . 27 3.8.2. Sacarosa . . . 28 3.8.3. Lactosa . . . 28 3.9. Regulación de la glucólisis . . . 30 3.9.1. Hexokinasa . . . 31 3.9.2. Fosfofrutokinasa 1 (PFK1) . . . 32 3.9.3. Piruvato kinasa . . . 35 4. Tema V 36 4.1. Respiración celular . . . 36
4.2. El complejo de la piruvato deshidrogenasa (cPDH) . . . 36
4.2.2. Regulación del complejo . . . 37
4.3. Ciclo de Krebs . . . 38
4.3.1. Balance del ciclo de Krebs . . . 39
4.3.2. Regulación de la velocidad de flujo a través del Ciclo de Krebs . . . . 40
4.4. Ciclo del glioxilato . . . 41
4.4.1. Balance . . . 41
5. Tema IV: transporte electrónico mitocondrial 42 5.1. Complejo I . . . 43
5.2. Complejo II, succinato-Q reductasa o succinato deshidrogenasa . . . 43
5.2.1. Coenzima Q, Q, ubiquinona . . . 45
5.3. Complejo III . . . 45
5.4. Complejo IV . . . 46
5.5. Respirosomas . . . 47
5.6. Ruta alternativa en las plantas (a la cadena de transporte electrónico) . . . . 47
5.7. Inhibidores de la cadena de transporte electrónico . . . 47
5.7.1. Retonona . . . 48
6. Tema VII: Fosforilación oxidativa 49 6.1. El modelo quimiosmótico . . . 49
6.2. Estructura de la ATP-sintasa y mecanismo catalítico de la enzima . . . 50
6.2.1. Dominio F1 (α3β3γδ) . . . 51
6.2.2. Dominio F0 (ab2Cn (8−15)) . . . 51
6.3. Reversiblidad de la reacción . . . 52
6.4. ¿Cuántos ATP se forman? . . . 52
6.5. Desacoplantes del transporte electrónico y la fosforilación oxidativa . . . 53
6.5.1. Ionóforos . . . 53
6.5.2. Proteínas desacoplantes (UCP) . . . 54
7. Tema VIII: especies reactivas de oxígeno (ROS) y metabolismo del hierro 54 7.1. Especies reactivas de oxígeno (ROS) . . . 54
7.2. Metabolismo del hierro . . . 56
7.2.1. Aconitasa citosólica y metabolismo del Fe . . . 59
8. Tema IX: Gluconeogénesis 60 8.1. Integración de los distintos precursores en la glucólisis . . . 62
8.1.2. Glicerol . . . 63
8.1.3. Propinil~CoA . . . 63
8.2. Regulación coordinada de la glucólisis / gluconeogénesis . . . 64
8.2.1. Regulación alostérica . . . 64
8.2.2. Regulación hormonal . . . 65
8.3. Relación de glucólisis y gluconeogénesis con otras reacciones . . . 65
8.4. Ciclos fútiles o ciclos de sustrato . . . 66
8.5. Receta para adelgazar . . . 67
9. Tema X: la ruta de las pentosas fosfato (PPP) 68 9.1. Fase oxidativa . . . 68
9.2. Fase no oxidativa . . . 68
9.3. Relaciones de la PPP con otras rutas metabólicas . . . 70
9.4. Regulación de la ruta de las pentosas fosfato . . . 70
9.5. El glutatión y la PPP . . . 71
9.5.1. La deficiencia en glucosa-6-fosfato deshidrogenasa . . . 71
10.Señalización celular: rutas de transducción de señales y regulación hormo-nal 72 10.1. Etapas y propiedades de las rutas (de trasducción de señales) . . . 74
10.2. Señalización por señales hidrofílicas (no atraviesan la membrana plasmática) e interacción con receptores . . . 75
10.2.1. Especificidad entre la señal y el receptor . . . 75
10.2.2. Amplificación . . . 76
10.2.3. Modularidad . . . 76
10.2.4. Integración . . . 76
10.2.5. Desensibilización/adaptación/terminación . . . 76
10.3. Tipos de rutas . . . 77
11.Tema XI: Metabolismo del glucógeno 77 11.1. Glucogenolisis . . . 77
11.2. Glucogenosíntesis . . . 78
11.3. Regulación del metabolismo del glucógeno . . . 79
11.3.1. Regulación de la glucógeno fosforilasa . . . 79
11.3.2. Regulación de la Glucógeno sintasa . . . 82
11.4. Enfermedades relacionadas con el almacenamiento de glucógeno (GSD,
gluco-gen storage dissease) . . . 84
12.Tema XII: Panorámica general del metabolismo de lípidos 85 13.Tema XIII: Degradación de ácidos grasos (β-oxidación) y variantes 87 13.1. Oxidación de ácidos grasos . . . 88
13.1.1. Activación del ácido graso . . . 89
13.1.2. Transporte del acil-CoA graso a la mitocondria por la carnitina . . . 89
13.1.3. Las reacciones de la β-oxidación . . . 90
13.2. Regulación de la β-oxidación . . . 91
13.3. Variantes de la β-oxidación . . . 92
13.3.1. β-oxidación en peroxisomas . . . 92
13.3.2. La ω-oxidación . . . 93
13.3.3. La α-oxidación . . . 93
13.4. Los cuerpos cetónicos . . . 93
13.4.1. ¿Cómo se degradan? . . . 94
13.4.2. ¿Por qué se forman cuerpos cetónicos? . . . 95
14.Tema XIV: Síntesis de ácidos grasos y otras moléculas derivadas 95 14.1. Síntesis de ácidos grasos . . . 96
14.2. Regulación de la síntesis de ácidos grasos . . . 99
14.2.1. Regulación coordinada de síntesis y degradación . . . 99
14.2.2. Regulación de la acetil-CoA carboxilasa . . . 100
14.3. Otras cosas . . . 100
15.Tema XV: Biosíntesis de triacilglicéridos, fosfolípidos y esfingolípidos 101 15.1. Ciclo del triacilglicerol . . . 102
15.2. Biosíntesis de fosfolípidos de membrana: glicerofosfolípidos y esfingolípidos . 103 16.Tema XVI: Metabolismo de esteroides: el colesterol 105 16.1. Transporte del colesterol en sangre . . . 107
16.2. Regulación de la HMG-CoA reductasa . . . 108
16.3. El colesterol en sangre y su relación con las enfermedades coronarias . . . 111
16.4. Síntesis de derivados del colesterol . . . 111
17.Digestión y degradación de proteínas: catabolismo de aminoácidos 112 17.1. Degradación de las proteínas de la dieta . . . 112
17.2. Degradación intracelular de las proteínas . . . 113
17.3. Catabolismo de aminoácidos . . . 114
17.3.1. Reacciones de transaminación . . . 115
17.3.2. Reacción de la glutamato deshidrogenasa: desaminación oxidativa . . 115
17.4. Enfermedades congénitas relacionadas con el catabolismo de aminoácidos . . 116
18.Ciclo de la urea 117 18.1. Regulación del ciclo de la Urea . . . 120
18.2. Defectos hereditarios en el ciclo de la urea . . . 121
19.Tema XIX: Fijación del nitrógeno inorgánico e incorporación en las bio-moléculas 121 19.1. Incorporación del nitrógeno reducido (NH3) en las biomoléculas . . . 124
20.Tema XX: biosíntesis de aminoácidos y derivados de aminoácidos 126 20.1. Regulación de la biosíntesis de aminoácidos . . . 129
20.2. Síntesis de biomoléculas derivados de aminoácidos . . . 130
21.Biosintesis de porfirinas y del grupo hemo 130 21.1. Síntesis de porfirinas (y el grupo hemo) en animales . . . 131
21.2. El NO . . . 133
21.3. Los nucleótidos . . . 134
21.3.1. Biosíntesis de nucleótidos . . . 134
21.3.2. Síntesis de pirimidina . . . 135
21.3.3. Las vías de recuperación de las bases pirimidínicas (salvage pathway) 136 21.3.4. Síntesis de nucleótidos de purina (adenina y guanina) . . . 137
21.3.5. Síntesis de desoxirribonucleótidos . . . 139
21.3.6. Vías de recuperación de las purinas . . . 141
21.4. Degradación de nucleótidos . . . 141
21.4.1. Catabolismo de purinas . . . 142
21.4.2. Catabolismo de pirimidinas . . . 144
22.Tema XXII: Síntesis de proteínas 144 22.1. Activación del aminoácido . . . 146
22.2. La iniciación . . . 146
22.2.1. En procariotas . . . 146
22.2.2. Eucariotas . . . 147
22.3.1. Entrada del nuevo aminoacil-tRNA . . . 148
22.3.2. Formación del enlace peptídico . . . 148
22.3.3. Translocación . . . 148
22.4. Terminación . . . 148
22.5. Modificaciones post-traduccionales . . . 149
22.6. Proteínas de secreción y proteínas de membrana . . . 149
22.7. Transporte de proteínas al núcleo . . . 150
23.Seminarios 151 23.1. Coenzimas redox . . . 151
23.2. Glucólisis en células cancerosas . . . 151
23.3. Cosas que pasan en un sprint . . . 153
23.4. Introducción a la señalización . . . 153
23.5. Receptores de las señales hidrofílicas . . . 155
23.6. El glucagón y la adrenalina . . . 155
23.6.1. Glucagón y adrenalina con receptores beta-adrenérgicos . . . 156
23.6.2. Adrenalina con receptores α1 . . . 157
23.6.3. Adrenalina con receptores α2 . . . 157
23.7. Insulina . . . 158
23.7.1. Ruta 1, ruta de la PI3K/PKB . . . 159
1.
Introducción al metabolismo
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas de un ser vivo. Con el estudio del metabolismo podemos describir como se obtiene la energía en un organismo, como se forman o sintetizan las biomoléculas y como se produce su regulación.
El metabolismo lo podemos descomponer en dos:
Catabolismo: degradación de moléculas con producción de energía. Las moléculas que se degradan son ricas en energía.
Anabolismo: construcción de moléculas con aporte de energía a partir de precursoras más simples.
Todas las rutas catabólicas acaban convergiendo, y muchas de ellas acaban formando el acetil-CoA, que entrará en el ciclo de Krebs, que produce CO2 y electrones, que son usados para
producir energía.
La fotosíntesis es una ruta metabólica un poco especial. Es el proceso contrario a la respiración (al ciclo de Krebs).
Las rutas anabólicas son divergentes. A partir de pocos precursores se generan muchos tipos diferentes de moléculas. Sin embargo, las catabólicas son convergentes.
Las rutas anfibólicas son aquellas que intervienen en el catabolismo y en el anabolismo. Un ejemplo es el ciclo de Krebs (a partir de intermediarios del ciclo se sintetizan otras moléculas).
Las reacciones metabólicas, por lo general, siguen dos esquemas: S + E → P + E
S + E P + E
Hay reacciones que no están próximas al equilibrio (∆G dispar de 0). Estas reacciones suelen ser los puntos de control de las rutas metabólicas. También las hay en las que el ∆G es muy próximo a 0, o sea, están muy cerca del equilibrio.
Todo el metabolismo está interconectado. Según su estructura, podemos dividir las rutas metabólicas en:
Lineales: como la glucolisis, que transforma la glucosa en piruvato Ramificadas
La mayoría de las reacciones están próximas al equilibrio, por lo que son reversibles, y están por tanto compartidas por el catabolismo y el anabolismo.
Las reacciones alejadas del equilibrio marcan la direccionalidad. En estos puntos es dónde se regula la velocidad y el flujo.
La regulación ocurre a nivel intracelular y extracelular. En las células eucariotas, algunas rutas están compartimentalizadas.
1.1.
Bioenergética
∆G próximo a 0: cercanas al equilibrio, la mayoría. ∆G lejana a 0: lejanas del equilibrio
∆G es el criterio de espontaneidad (y no ∆G0). La ∆G es la real. No puede haber rutas
metabólicas con un ∆G = 0 porque eso sería un equilibrio y sería incompatible con la vida. La principal diferencia entre ∆G y ∆G0 es que la primera se calcula con la concentración de
metabolitos dentro de la célula, y la otra es en condiciones estándar (con las concentraciones normales).
La energía química se almacena principalmente (aunque no exclusivamente) en forma de ATP dentro de las células. Hay varias formas de producir ATP:
Fosforilación a nivel de sustrato:
M ∼ P + ADP → AT P + M
Fotofosforilación (flujo de electrones impulsado por la luz). Es lo que se produce en la fotosíntesis.
Fosforilación oxidativa: es la que se producen en el transporte electrónico mitocondrial. Las reacciones acopladas son aquellas reacciones termodinámicamente desfavorables que están «acopladas» o «unidas» a otra reacción que si es termodinamicamente favorable, quedando al final un ∆G < 0. La hidrólisis del ATP se usa muchas veces para impulsar estas reacciones. El ATP aporta energía en forma de transferencia de grupo. Se crea una molécula que recibe un grupo del ATP y que se vuelve inestable, por eso se produce la reacción. Si se produjera solamente la hidrólisis, la energía química del ATP se liberaría en forma de calor. La hidrólisis produce 7,3kcal/mol.
AT P + H2O → AM P + P Pi
AT P + M → M − AM P + P Pi
P Pi+ H2O →
Se consideran compuestos de alta energía cuando la ∆G es menor de -25kj/mol. El poten-cial de transferencia es un valor de ∆G0 que cuanto más negativo, más se puede transferir
el grupo.
Las moléculas que tienen un potencial de transferencia superior al del ATP ceden el grupo fosforilo al ADP para formar ATP.
Cuando se produce un esfuerzo físico intenso, las células necesitan un aporte de energía que viene del ATP. Inicialmente usan el ATP que existe pero se acaba muy rápidamente. Después, se produce una transferencia del fosfato gracias a la creatina fosfato que produce ATP, ya que esta molécula tiene un potencial de transferencia mayor que el ATP. Esto se produce gracias a una enzima denominada creatina-quinasa.
La luminiscencia es la emisión de luz tras la conversión de la energía química en energía luminosa. Lo que sucede en la reacción química es la transferenica de un grupo adenilo.
Luciferina+ATP —>P Pi + luciferina adenilato
La luciferina adenilato es la que reacciona con el O2 y libera luz, CO2 y AMP. De esta
reacción también se libera oxiluciferina, que va a formar otra vez la luciferina. La enzima clave es la luciferasa. El P Pi se hidroliza por acción de una fosfatasa, lo que tira del equilibrio más
hacia la producción de luciferina-adenilato (y por tanto, de la producción de luz).
1.2.
Tipos de reacciones en el metabolismo
1. Reacciones que forman o rompen enlaces del tipo C–C
2. Reacciones en las que se produce un reordenamiento interno, como la isomerización o la eliminación
4. Reacciones redox o de transferencia de electrones. El reductor cede electrones y se oxida, y el oxidante los capta, y se reduce. Hay varias formas de transferir los electrones:
a) Directamente como electrones:
F e2++ Cu2+ F e3++ Cu+
b) En forma de átomos de H: H = H++ e−
AH2 ↔ A + 2e−+ 2H+
AH2+ B ↔ A + BH2
c) En forma de ión hidruro H−: H− = H + e−
N AD(P )++ H++ 2e−↔ N AD(P )H
AH2 + N AD(P )+↔ A + N AD(P )H + H+
El grupo prostético de una enzima es la parte no proteica de una heteroporteína. Un coenzima es una molécula que participa en una reacción metabólica y que sale modificada. No forman parte del enzima.
Cuadro 1: Ejemplos de coenzimas Forma oxidada Forma reducida
N AD+ NADH
N ADP+ NADPH
FAD F ADH2
FMN F M N H2
NADH: nicotinamida adenina dinucleótido. Tanto este como el NADPH deriban de la vitamina B3. El NADH participa en el catabolismo, mientras que el NADPH participa en el
anabolismo.
FAD: flavin adenin dinucleótido. FMN: flavin mononucleótido.
Otro coenzima importante el el coenzima A, que deriva del ácido pantoténico o vitamina B5. Este coenzima actúa transportando grupos acilo, principalmente acetilo, formando el
1.3.
Estrategias de regulación generales en el metabolismo
1. Control de la cantidad de enzima: básicamente se controla la velocidad de síntesis (regulando su transcripción y traducción) y la velocidad de su degradación.
2. Control de la actividad catalítica mediante enzimas reguladoras: el alosterismo y la conversión molecular covalente.
3. Accesibilidad de los sustratos: como éstos llegan a la célula y como llegan a los orgánulos de la célula.
2.
Panorámica del metabolismo de carbohidratos.
Diges-tión de carbohidratos. Transporte de glucosa
La glucosa es una molécula central en todo el metabolismo. Está implicada en varias reacciones metabólicas, siendo una de las principales, la glucolisis. En esta ruta, se transforma la glucosa (que también puede ser sintetizada en la fotosíntesis) en piruvato, que puede seguir varios caminos:
Fermentación alcohólica, formándose lactato o etanol, cuando no hay O2.
Formación de acetil-CoA, que entrará al ciclo de Krebs y se acabará transformando en CO2 y agua.
El camino que se siga depende de la presencia o ausencia de O2. La síntesis de glucosa puede
venir tanto de la gluconeogénesis (síntesis de carbohidratos a partir de moléculas que no son carbohidratos), del glucógeno, del almidón, de la degradación de oligosacáridos o de la fotosíntesis).
La glucosa, además, también es el sustrato de la ruta de las pentosas fosfato.
2.1.
Digestión de carbohidratos en humanos
Ocurre principalmente en el aparato digestivo, sobre todo en el intestino delgado. Las enzimas implicadas son las amilasas, las disacaridasas (como la lactasa o la sacarasa), la α-dextrinsa, la glucosidasa. En términos generales, la digestión de carbohidratos se puede resumir como la formación de monosacáridos que acaban siendo absorbidos.
El transporte de la glucosa hacia el interior de las células se realiza mediante un simporte ligada al ión de Na+. Realmente, estamos hablando de un transporte activo, ya que se gasta
mucha energía en mantener un gradiente de Na+ en el exterior celular gracias a la acción de
la bomba de Na+/K+.
Para que se produzca el simporte es necesario también la acción de una molécula trans-portadora de membrana que se denomina GLUT. Realiza una difusión facilitada. Si no está presente GLUT, no se produce la entrada de glucosa. Cuando se une la glucosa, GLUT sufre un cambio de conformación, que libera dentro a la glucosa, y despúes recupera su confor-mación original. Si analizamos la cinética de esta proteína vemos que conincide con la de Michaelis-Menten:
V0 =
Vmax[Sout]
Kt+ [Sout]
En humanos hay 12 tipos de transportadores GLUT distintos. Se diferencian en la dis-tribución (algunos no están en todas las células). Por ejemplo, GLUT 1 es ubicuo (está en todos los tejidos) y GLUT9 aparece en el hígado y el riñón. Cada tipo de GLUT tiene una cinética particular.
Los transportadores GLUT están codificados por los genes SLC2.
La regulación del transporte de glucosa es realizado por la insulina, una hormona pan-creática. En condiciones normales, GLUT1 está almacenado dentro de las células, en unas vesículas. Cuando se produce una ingestión de carbohidratos (comemos), se sintetiza insulina, que llega a las células del intestino, que la reconocen (con un recpetor) y este reconocimiento provoca que las vesículas que conteínan los transportadores GLUT vayan a la membrana, por lo que la glucosa ya puede ser transportada.
La diabetes es una enfermedad ampliamente extendida, en la que el síntoma principal es que hay una gran concentración de glucosa en sangre. Si no se produce insulina (diabetes dependiente de insulina), los GLUT no se pueden colocar en la membrana y la glucosa no puede entrar. La insulina tiene otras muchas funciones a parte de esta.
3.
Glucólisis
La glucólisis es un ruta metabólica implicada en la transformación de glucosa en privuato, con la producción de ATP.
Es una ruta universal (aparece en todas las células, tanto eucariotas como procariotas). Probablemente sea la más antigua evolutivamente hablando. Es fuente de energía y fuente de precursores para otras rutas. Se forman intermediarios que se pueden usar para la síntesis de otras biomoléculas.
presencia de este gas, y de hecho, se realiza en las células tumorales. Tiene un papel central en el metabolismo, ocurre en el citosol, y también se denomina como ruta de Emben-Meyerhof-Parnas o simplemente de Emben-Meyerhof.
Produce ATP y NADH.
3.1.
Pequeña historia
El descubrimiento de esta ruta estuvo ligado al estudio de la fermentación, proceso uti-lizado para producir pan y cerveza con levaduras. En el siglo XIX querían saber como se producía el alcohol de la cerveza a partir de azúcar. Pasteur descubrió que la fermentación alcóholica estaba ligada a la presencia de microorganismos vivos (esta afirmación sustentaba a una corriente filosófica que existía por aquel entonces que era el vitalismo, la cual afirmaba que los entenes estaban regidos por una fuerza vital que funcionaba a parte de las leyes de la física y de la química). No podía haber fermentación si las levaduras estaban muertas. Y después, ocurrió un milagro...
3.2.
Glucólisis propiamente dicha
La glucólisis es un conjunto de 10 reacciones, en las que una molécula de seis carbonos (la glucosa, C6H12O6) se transforma en 2 moléculas de piruvato que solo tienen 3 carbonos
cada una. Este piruvato, forzosamente tiene que seguir reaccionando, formando los uno de los siguientes productos:
lactato etanol CO2 + H2O
La glucosa puede venir, dependiendo del organismo, de varios sitios. Por ejemplo, en humanos viene de los carbohidratos ingeridos en la dieta, los organismos fotosintéticos la sintetizan durante la fotosíntesis, y algunos microorganismos la toman directamente del medio.
El catabolismo es una parte del metabolismo, y a grandes rasgos, puede ser dividido en diferentes fases:
Producción de acetil-CoA
Oxidación del acetil-CoA (el ciclo de Krebs) Transporte electrónico y fosforilación oxidativa
El que una molécula tenga mucha energía depende de la cantidad de enlaces C-H. Cuantos más enlaces de este tipo tenga, más reducida estará la molécula, por lo que más se va a poder oxidar, y por tanto, más energía se va a obtener.
La glucólisis es el conjunto de reacciones que llega hasta la producción de acetil-CoA a partir de glucosa. Se saca poca energía de la gulcosa.
Glucosa—>piruvato—>acetil-CoA
C6H12O6+ 6O2 → 6CO2+ 6H2O
Después de la glucólisis, si no hay O2, se lleva a cabo el proceso conocido como
fermen-tación. La glucólisis se conoce como ruta de Emben-Meyerhoff-Parnas, y existe una variante que se denomina como ruta de Entner-Doudoroff.
Las rutas centrales del catabolismo son: Glucólisis (con sus dos variantes) Fermentación (alcóholica y láctica) Ciclo de Krebs
Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa Metabolismo de ácidos grasos y aminoácidos
En el catabolismo, por tanto, se produce, además de una degradación de las moléculas, una oxidación de las mismas, por lo que se obtiene energía.
En definitiva, la glucólisis es la ruta metabólica encargada de transformar glucosa en piruvato con la producción concomitante1 de ATP y NADH.
La glucólisis tiene dos fases:
1ª: fase de inversión energética (grupo energético). Se produce una fosforilación de la glucosa, que se representará por G~P.
Gracias a una quinasa, se un ATP le transfiere un grupo fosfato al carbono 6 de la glucosa, formándose por un lado la glucosa-6-fosfato (G6P) y por otro el ADP. Es una reacción bisustrato. Ahora vemos que el la molécula resultante está fosforilada, y esto es impotante (se verá más adelante por qué es importante esto).
En esta fase, la «glucosa» se desobla en dos moléculas de 3 carbonos cada una, deno-minadas ácido pirúvico o piruvato (si está el grupo ácido carboxílico desprotonado o no).
2ª: fase de recuperación energética: se obtiene una pequeña parte de la energía de la glucosa. Cuando se lleva a cabo la combustión de la glucosa en un calorímetro, se ve que se ha producido un ∆G00
= −686Kcal/mol = −2840Kj/mol, sin embargo, al final de esta fase, sólo se ha obtenido un 5 % de esta energía.
La glucosa, una vez que ha sido absorbida en el intestino, circula por la sangre hacia el hígado. En este órgano es dónde tiene lugar la glucólisis (aunque puede aparecer en otros tejidos). 1ª reacción de la glucólisis
Glucosa + AT P → G6P + ADP
Es una fosforilación. Se realiza mediante una quinasa en concreto una exoquinasa que pertenece a una familia de isoenzimas que son enzimas codificados por genes distintos y que sin embargo codifican enzimas que hacen la misma función. Los exoenzimas se nombran del I al IV. En el hígado interviene la exoenzima IV, y esta en concreto se denomina glucoquinasa. Las exoenzimas I, II y III están inhibidas por su propio sustrato. Sin embargo, la exoenzima IV o glucoquinasa presenta otro mecanismo de regulación, y es exclusiva del hígado.
Esta reacción es irreversible, y tiene una ∆G <<< 0. Para que ocurra en la dirección opuesta tiene que actúar una enzima diferente.
Básicamente, el ATP le transfire un grupo fosfato a la glucosa, formándose G6P y ADP, por acción de la glucoquinasa.
2ª reacción de la glucólisis
G6P ↔ F 6P f osf oglucoismoerasa
La glucosa-6-fosfato (G6P) se transforma, por acción de la isomerasa, en fructosa-6-fosfato (F6P). La isomerasa, en concreto, se denomina fosfoglucoisomerasa. Es una reacción reversi-ble, y en ambas direcciones está catalizada por la misma enzima.
La glucosa es una aldosa que tiene su grupo aldehido en el carbono 1, mientras que la fructosa es una cetosa que tiene su grupo cetona en el carbono 2.
3ª reacción de la glucólisis
Transformación de la fructosa-6-fosfato (F6P) en fructosa-1,6-bifosfato (F1,6BP). Se vuel-ve a gastar otra molécula de ATP, que cede un grupo fosfato a la F6P, formándose ADP. El ATP es un cosustrato (es una reacción bisustrato). La enzima es otra quinasa, que abre-viadamente se conoce como PFK1 (fosfofrutoquinasa 1). Ahora este azúcar está doblemente fosforilado.
Esta reacción tiene un ∆G <<< 0, por lo que es irreversible. Para que se realice en dirección opuesta (en la gluconeogénesis) es necesario otra enzima diferente (es una etapa de rodeo en la gluconeogénesis).
Hasta lo de ahora se han gastado 2 moléculas de ATP. 4ª reacción de la glucólisis
F 1, 6BP ↔ DHA − P + GA3P aldolasa
La frutosa-1,6-bifosfato, por acción de una enzima denominada aldolasa, se rompe en dos moléculas de 3 carbonos cada una: la dihidroxiacetona-fosfato (DHA-P) y el gliceraldehido-3-fosfato (GA3P). La cetona tiene su grupo funcional en el carbono 2, mientras que el aldehido lo tiene en el carbono 1.
5ª reacción de la glucólisis
DHA − P GA3P triosaf osf atoisomerasa
Lo que sucede es que todo la dihidroxiacetona-fosfato (DHA-P) se va a transformar a su isómero gliceraldehido-3-fosfato (GA3P) gracias a la acción de otra isomerasa denomi-nada triosafosfatoisomerasa. Es por esto que sólo el gliceraldehido-3-fosfato continúa con la glucólisis, formándose 2 moléculas de GA3P por cada molécula de glucosa.
En esta reacción termina la primera fase de la glucólisis (fase de inversión energética). ¿Por qué es importante que todo estea fosforilado? Hay varios motivos, los cuales son:
Cuando un metabolito está fosforilado, este adquiere una carga negativa, y por tanto, una molécula con carga no es capaz de atravesar la membrana plasmática, y por tanto no puede salir de la célula.
La fosforilación permite conservar la energía de las moléculas que se van a utilizar después para obtener energía. Este grupo fosfato es el que se utiliza después para la energía de activación y que comience la «combustión».
La fosforilación sirve como fijación a los enzimas, que aumentan la especificidad de la reacción.
El cerebro sólo usa glucosa como fuente de energía (consume mucha glucosa este órgano). Hay tejidos que imprescindiblemente hacen glucólisis y sólo exclusivamente. ¿Por qué sólo hacen glucólisis? Tiene que ver con la presencia de determinados orgánulos en las células de estos tejidos. En concreto, estes orgánulos son las mitocondrias. Las mitocondrias sólo aparecen cuando hay condiciones aeróbicas.
Si no hay mitocondrias, sólo puede haber fermentación. Hay células que carecen de mi-tocondrias, como los glóbulos rojos humanos. También se dá la fermentación en células que tienen pocas mitocondrias (células de la médula renal, linfocitos, células del ojo, etc). Las células que no tienen mitocondrias no pueden usar ni los ácidos grasos ni los aminoácidos para obtener energía, por lo que sólo pueden usar como combustible a la glucosa.
6ª reacción de la glucólisis
2(GA3P ) + 2P i + 2N AD+↔ 2(1, 3BP G) + 2N ADH + 2H+
Esta reacción es muy compleja, y de vital imporancia en la glucólisis. El 1,3-bisfosfoglicerato es una molécula muy energética, es un compuesto fosfato de alta energía. Decimos que es de alta energía porque tiene más energía que el ATP. Esta molécula, cuando transfiere su grupo fosfato a otra molécula, provoca un cambio de energía libre muy negativo, es decir, se libera energía.
Además, esta reacción es de oxido-reducción, o sea, hay una transferencia de electrones. El NAD+ se reduce a NADH. Hay una transferencia de dos electrones y de dos protones. El
N AD+ es capaz de aceptar a los dos electorones, pero protones sólo incorpora uno, por lo
que el otro protón queda suelto en el medio (es el H+ que vemos al lado).
En esta reacción estamos obteniendo un poco de energía de la glucosa. La enzima es la gliceraldehido-3-fosfato-dehidrogenasa (GA3PDH). Es una reacción reversible, catalizada en ambas direcciones por la misma enzima.
7ª reacción de la glucólisis
2(1, 3BP G) + 2ADP ↔ 2(3P G) + 2AP T Se produce una molécula que se denomina 3-fosfoglicerato
Es una reacción de fosforilación. En concreto, estamos ante una fosforilación a nivel de sustrato. La enzima es una fosfoglicerato quinasa.
La ∆G que se libera es suficentemente alta que se puede formar ATP. Se genera ATP en esta reacción (2 moléculas por cada molécula de glucosa). Hay otros tipos de fosforilación:
Fosforilación oxidativa, que tiene lugar en la cadena de transporte electrónico, en la cual los enzimas están ligados a la membrana y que depende de un gradiente de protones Fotofosforilación fotosintética, en dónde hay enzimas en la membrana y que también depende de un gradiente de H+.
8ª reacción de la glucólisis
2(3P G) ↔ 2(2P G) (2 − f osf oglicerato)
La enzima es una mutasa. Lo que pasa en esta reacción es que se cambia de grupo fosfato de posición. Es una isomerización. Es una reacción más sencilla que las anteriores. La reacción también es reversible.
9ª reacción de la glucólisis
2(2P G) ↔ 2(P EP ) + H2O f osf oenolpiruvato
Es una reacción de deshidratación. La enzima se llama enolasa. También es una reacción reversible. El fosfoenolpiruvato (PEP) es una molécula de muy alta energía (incluso más que el 1,3-bisfosfoglicerato), ya que tiene más del doble de energía libre que el ATP. Es una reacción muy importante. El fosfoenolpiruvato va a transferir su grupo fosfato en la última reacción.
10ª reacción de la glucólisis
2(P EP ) + 2ADP → 2 P iruvato + 2AT P
Esta reacción ya no es reversible. En la ruta inversa (la gluconeogénesis) se necesita una enzima distinta o un conjunto de enizmas distintas. La enzima que cataliza esta reacción se denomina piruvatoquinasa. Es la tercera reacción irreversible de la glucólisis.
El piruvato aún contiene mucha energía de la glucosa. Esto no puede acabar aquí, se necesita extraer más energía.
Es obligatorio que la glucólisis continúe, porque en la 6ª reacción, la gliceraldehido-3-fosfato-dehidrogenasa necesita la coenzima NAD+oxidado (en forma de NAD+y no NADH)
para que pueda seguir la glucólisis. La oxidación del coenzima (o sea, el paso de NADH +H+
a NAD+ se produce en las siguientes etapas en la glucólisis, en la fermentación o en la
cadena de transporte electrónico, regenerándose de esta manera el NAD+ que tanto necesita
la GA3PDH y pudiendo seguir la glucólisis.
Si no prosiguiera su degradación el piruvato, llegaría un momento en el que las «nuevas glucolisis» que empezaran no podrían pasar de la reacción 6 (porque les faltaría el NAD+
que es un cosustrato).
Figura 1: Reducción del piruvato
3.2.1. Balance de la glucólisis Blance bruto:
• Glucosa + 2ATP + 2NAD+ + 4ADP + 2Pi —> 2 piruvato + 2NADH + 2H+
+ 2ADP + 4ATP + 2H2O
Balance neto:
• Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi —> 2 piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP
+ 2H2O
3.2.2. Ruta de Entner-Doudoroff
Esta ruta es realizada por ciertos microorganismos como Pseudomonas, Rhizobium y Agrobacterium. En esta variante de la glucólisis no se produce dos moléculas de NADH, si no que se produce una de NADH y otra de NADPH.
La variación con respecto a la ruta «normal» se produce en la primera fase. No se experi-menta la reacción de glucosa-6-fosfato a frutosa-6-fosfato, sino que la glucosa-6-fosfato pasa a 6-fosfogluconato. La enzima que interviene en esta reacción es la glucosa-6-fosfatodeshidrogenasa.
El 6-fosfoglutanato, se deshidrata (por acción de la enzima 6-fosfoglucomutasa deshidra-tasa). Se forma el 2-ceto-3-desoxy-6-fosfoglutanato, que por acción de la KDPG aldolasa se genera piruvato y gliceraldheido-3-fosfato, que ya sigue la vía normal de la glucólisis, con 2 fosforilaciones a nivel de sustrato.
3.3.
Transformaciones químicas importantes que tienen lugar en la
glucólisis
1. Degeneración del esqueleto carbonado de la glucosa a piruvato
2. Fosforilación del ADP a ATP por compuestos con alto potencial de transferencia de grupos fosfato formadas a la glucólisis (1,3-BPG y PEP)
3. Transferencia de un ión hidruro al NAD+ a NADH (es una reacción redox). La
reoxi-dación del NADH está ligada a la producción de ATP, por lo que guarda parte de la energía de la glucosa.
Los destionos del piruvato pueden ser varios, dependiendo del organismo. Normalmente, se distingan tres vías:
En anaerobiosis (o hipoxia, se hay poca concentración de oxígeno). El destino implica lo que se conoce como glucólisis anaerobia ó fermentación. Hay dos tipos:
• Láctica: la que se produce, por ejemplo, en nuestras células cuando no tienen oxígeno disponible
• Alcohólica: produce etanol
En aerobiosis: se realiza lo que se denomina como glucólisis aeróbica. Normalmente se asocia la glucólisis aeróbica con la respiración celular. Se conoce como respiración a la degradación de combustible con el O2. Sin embargo, este término puede ser usado para
otro concepto que no es exactamente el mismo.
3.4.
Fermentación
La fermentación es la degradación anaeróbica, produciendo energía (ATP), de una molé-cula orgánica (como la glucosa), sin oxidación neta de la misma.
En la fermentación láctica se pasa de piruvato a lactato, por medio de una enzima de-nominada lactatodeshidrogenasa (LDH). El lactato es el piruvato reducido. En esta reacción
también se pasa de NADH+H+ a NAD+. Esta reacción ocurre 2 veces y hay dos
molécu-las de lactato. También se conoce con el nombre de fermentación homoláctica. Esta es una reacción reversible.
P iruvato + N ADH + H+ ↔ N AD++ Lactato
Las fermentaciones, en general, hacen todas lo mismo, reoxidar. La fermentación láctica es, por ejemplo, el único sistema que tienen los eritrocitos para obtener energía.
La fermentación alcóholica es una variante de la láctica. Para la fermentación no es nece-sario el oxígeno. El aceptor de los electrones, es, en este caso, el piruvato. Esta fermentación la llevan a cabo las levaduras. La reoxidación tiene lugar en dos pasos: primero, el piruvato se descarboxila, el COOH se libera en forma de CO2 por una enzima llamada
piruvatodes-carboxilasa, formándoese el acetaldehido. Este acetaldehido, por acción de la enzima alcohol-deshidrogenasa se transforma en etanol. En esta última reacción, además, el NADH +H+ se
transforma en NAD+. En la figura 2 se hace una representación de la fermentación alcóholica.
P iruvato → Acetaldehido + CO2 Enzima : piruvatocarboxilasa (P DC)
Acetaldehido+N ADH+H+↔ Etanol+N AD+
Enzima : alcoholdeshidrogenasa (ADH)
Figura 2: Fermentación alcóholica
Las levaduras pueden hacer la fermentación alcóholica incluso en situación aeróbica. 3.4.1. El efecto Pasteur
Pasteur observó que cuando los cultivos anaerobios de levaduras que metabolizaban glu-cosa se exponían al aire, se reducía drásticamente el cosumo de este azúcar. Esto es lo que se conoce como el efecto Pasteur. ¿Por qué pasa esto?
En condiciones aeróbicas, el piruvato va a las mitocondrias, en dónde se transforma en acetil-CoA, y después sufre 8 reacciones, y se produce mucho NADH, por lo que se va a
producir mucho ATP. Entonces, cuando se sigue esta vía, por cada molécula de glucosa se produce mucha más energía, por lo que no es necesario consumir tanta.
3.4.2. El efecto Warburg
En un tejido humano diferenciado, si este está en presencia de O2 se producirá el ciclo
de Krebs, mientras que si no hay este gas, se producirá lactato. Sin embargo, en un tejido proliferativo (o en un tumor), la cosa cambia, van a pasar cosas.
La glucosa se transforma en piruvato, y aún estando en presencia de O2, lo que hace la
célula es básicamente fermentación, produciéndo lactato, siguiendo la vía anaeróbica. Las células proliferantes o tumorales necesitan mucha energía, porque tienen que duplicar todo su contenido al estarse dividendo constantemente. Sin embargo, la fermentación no parece la mejor forma de obtener esta energía, pero lo hacen así. Parece ser que lo hacen así por la presencia de un factor de transcripción. Esto es lo que se denomina glucólisis aerobia (o efecto Warburg (?)).
Al llevar a cabo la fermentación láctica en presencia de O2, en las reacciones hay muchos
intermediarios que se pueden usar para la biosíntesis. Por ejemplo, la G6P puede seguir otras vías, como la síntesis de glucógeno o la ruta de las penstosas, la cual tiene como uno de los productos finales la ribosa-5-fosfato, base de los nucleótidos y necesaria para la biosíntesis de ADN y ARN. Además, en esta vía se genera también NADPH, necesario para que aporte el poder reductor en la biosíntesis (anabolismo).
La fermentación se hace muy rápido (es una reacción que está ocurriendo continuamente), y los intermediarios de la glucólisis se usan como base del anabolismo.
3.5.
Regulación de la glucólisis
Hay varias reacciones clave que son usadas para la regulación:
1. Reacción 1: el paso de glucosa a glucosa-6-fosfato. La enzima pertenece a la familia de las exoquinasas, que van desde la I a la IV. Es una reacción irreversible.
2. Reacción 3: el paso de fructosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bifosfato. La enzima es la fosfo-frutoquinasa 1. Es otra reacción irreversible.
3. Reacción 10: el paso de fosfoenolpiruvato a piruvato, por medio de la enzima piruvato-quinasa. Es la última reacción irreversible.
Se puede regular la cantidad de enzima o la actividad de la misma (si modificamos la actividad de la enzima modificamos la Vmax). Para regular la actividad (modificando la KM) podemos
Factores alostéricos
Modificación covalente: es la introducción de un grupo funcional en la enzima. Lo más típico es la fosforilación.
El piruvato es C3H4O3 mientras que el ácido láctico es C3H6O3. En la fermentación láctica, la
proporción H:C no varía. La proporción H:C es el estado de oxidación del carbono. La glucosa es C6H12O6, por lo que el estado de oxidación es 12:6=2. En el ácido láctico, el estado de
oxidación es 6:3=2, por lo que no varía. No se produce un cambio en el estado de oxidación. En la fermentación alcohólica, se produce etanol (C2H6O) y CO2. Por lo tanto, si sumamos
tenemos 3 carbonos, 3 oxégenos y 6 hidrógenos. El estado de oxidación del carbono es 6:3=2. Los NADH + H+no pueden ir directamente a la mitocondria, si no que necesitan unos
mecanismos especiales llamados «lanzaderas», en dónde el NADH + H+ puede entrar a la
mitocondria y se puede reoxidar.
La fermentación láctica es producida por las vacterias lácticas y en algunas células hu-manas, como las musculares cunado no están en presencia de oxígeno, o los glóbulos rojos (o cualquier tipo celular que carezca de mitocondiras). Hay varios tipos de LDH.
La fermentación alcohólica es llevada a cabo por levaduras, y la respiración aeróbica la realizan la mayoría de los animales y plantas, junto con los microorganismos que viven en presencia de oxígeno.
3.6.
Lanzaderas
La membrana mitocondrial interna es muy impermeable. El NADH no puede entrar en la mitocondria porque no tiene mecanismos de transporte. Una lanzadera es un sistema de reoxidación del NADH citosólico a NAD+ en condiciones aerobias para que no se detenga la
glucólisis (en la reacción de la G3PDH) y no se alteren otras reacciones metabólicas. Hay dos lanzaderas:
Maltato/aspartato: se produce el paso de oxalacetato a malato, una reacción catalizada por la maltato deshidrogenasa citosólica y en la que se reoxida el NADH. El maltato entra por antiporte (α-cetoglutarato), y dentro se oxida a oxalecetato, por acción de la enzima maltato deshidrogenasa mitocondrial (isonezima de la citosólica). Se cree que estas dos reacciones funcionan en direcciones opuestas debido a las distintas condiciones del medio.
Finalmente, es oxalecetato interior sufre unas transaminación (gracias a una transami-nasa) y finalmente se forma aspartato, que sale hacia afuera para empezar de nuevo el ciclo.
Glicerol-3-fosfato: el NADH reduce, mediante la glicerol-3-fosfatodeshidrogenasa cito-sólica la dihidroxiacetona fosfato a glicerol-3-fosfato, que se puede oxidar a dihidroxia-cetona otra vez por acción de la glicerol-3-fosfatodeshidrogenasa mitocondrial (de la membrana mitocondrial) que tiene como conezima el FAD, que en la reacción en la que se vuelve a formar la dihidroxiacetona se transforma en F ADH2. Este F ADH2 se
reoxida en la cadena de transporte electrónico, que emiten sus electrones al coenzima Q. Cuando se reoxida el F ADH2 genera 1,5 ATP, mientras que cuando se reoxida el
NADH se forman 2,5 ATP. Por tanto, esta lanzadera es menos eficiente energéticamente hablando. Funciona en corazón, músculos de insectos voladores, etc.
3.7.
Metabolismo del etanol en Homo sapiens
La abosorción y paso a la sangre se produce en la mucosa gastrointestinal (en el intestino delgado se abrobe el 80 % y en el estómago el 20 %). Más del 80 % del alcohol ingerido no se elimina, por lo que debe ser metabolizado, principalmente por el hígado. Entre el 2 y el 10 % del alcohol se eliminan por el pulmón.
Hay tres sistemas enzimáticos:
Alcohol deshidrogenasa (citosólica) + aldehido deshidrogenasa (en mitocondrias): por acción de la alcohol deshidrogenasa se transforma el etanol en acetaldehido, formán-dose también NADH + H+. El acetaldehido es tóxico, perjudical, que por acción de
la aldehidodeshidrogenasa se transforma en acetato (o vinagre) que se metaboliza en muchos tejidos (principalmente hígado y músculo). El acetato también se puede activar, transformándose en acetil-CoA, que puede entrar en el ciclo de Krebs, o se usada para la síntesis de lípidos, como los ácidos grasos o los cuerpos cetónicos.
Los efectos del etanol tienen que ver con los niveles de NADH y de la alteración de
N ADH
N AD+. Estas reacciones van a tener lugar en el hígado.
El acetato se transforma en acetil~CoA gracias a la acetil-conezima-A sintetasa. Esta es una reacción multisustrato, que necesita ATP, ya que se escinde el grupo pirofosfato de esta molécula. El PPi se puede transformar después en dos moléculas de Pi.
El grupo acetato puede ser activado en los músculos. Además, el acetil~CoA también se utiliza como precursor de procesos biosintéticos, especialmente lípidos, que puede provocar el hígado graso (acumulación de grasas en el hígado)
Sistema microsomal oxidante de etanol (MEOS), de la familia CitP450II (CYP2E1) en el retículo endoplasmático. Los microsomas son las membranas del retículo endoplas-mático. Este sistema puede metabolizar hasta un 10 % del alcohol ingerido. El CYP2E1 transforma el etanol en acetaldehido, y tiene como coenzima al NADPH + H+ y como
coproductos al NADP+y H 2O.
Sin embargo, la familia de CitP450II también es la encargada de metabolizar muchos xenobióticos, que son moléculas extrañas al organismo que son ingeridas pero que no son nutrientes (no sabe el organismo cómo obtener energía a partir de ellas). Ejemplos de xenobióticos son los medicamentos y las drogas. Es por esto que no se deben mez-clar los medicamentos con el alcohol, porque estos van a competir por lo enzimas y los medicamentos no van a poder actuar de la forma esperada. Los xebobióticos suelen ser moléculas bastante hidrófobas, por lo que son difíciles de eliminar.
Cuando este sistema actúa, se formar ROS (radicales libres del oxígeno), que son mo-léculas derivadas del O2, perjudicales, que incrementan el estrés oxidativo. Esto inflúe
en las patalogías derivadas del alcoholismo. Catalasa (en perixisomas)
Etanol + H2O2 → acetaldehido + 2H2O
Este sistema es el de menor importancia cuantitativamente hablando.
Como se puede apreciar, por los tres mecanismo se acaba produciendo acetaldehido. 3.7.1. Problemas metabólicos provocados por el alcohol
Formación de aductos (compuestos extraños formados por combinación directa de dos o más compuestos o elementos diferentes) que lesionan las células.
Disminución contra los ROS que producen graves daños celulares Los cambios en la ratio N ADH
N AD+ altera muchas reaccionas y rutas metabólicas
Los aductos se pueden combinar con todo tipo de biomoléculas (lípidos, ácidos nucleicos, proteínas y carbohidratos). Un ejemplo de esta interacción es la peroxidación de lípidos, que si afectan a los lípidos de membrana pueden tener graves efectos en los funcionamientos celulares.
El ratio normal de N AD+
N ADH es de 1000 (aprox) mientras que el alterado es de tan sólo 100.
Las reacciones alteradas, son del tipo general:
El alcoholismo produce hipoglucemia. El ratio alterado desplaza el equilibro de las reac-ciones de la LDH y la MDH (malato deshidrogenasa, enzima que interviene en la gluconeo-génesis) hacia lactato y malato, lo que provoca la carencia de lactato y oxalacetato para la gluconeogénesis. La inhibición de la gluconeogénesis por el consumo de alcohol, sumado al ayuno nocturno y falta de desayuno, también asociado al consumo de alcohol producen una hipoglucemia aún mayor.
La hipoglucemia y la acidosis láctica (exceso de ácido láctico) provoca un descenso del pH sanguíneo, que puede inducir el coma etílico.
Existen varios estados en la enfermedad hepática alcohólica: Estado 1: hígado graso
Estado 2: hepatitis (inflamación del hígado y fibrosis)
Estado 3: cirrosis: inflamación crónica del hígado que provoca una disfunción que puede llegar a ser completa del órgano. En caso extremo conlleva la muerte
El metanol se usa en ocasiones como sustituo del etanol, por lo que se puede producir una ingesta, por parte humana, en forma «accidental». Sin embargo, el metanol es tóxico, aunque se puede metabolizar por los mismo sistemas que el etanol.
De metanol, por acción de la alcohol deshidrogenasa se pasaría a formaldehido, que por acción de la aldehido deshidrogenasa se formaría ácido fórmico. El ácido fórmico es una molécula perjudical que afecta a sistemas enzimáticos, y es lo que produce los diversos efectos:
Dolor de cabeza, náuseas, vómitos, mareos, etc
Daño en el nervio óptico (que causa ceguera o pérdidas de visión) MUERTE
3.8.
Integración de otros polisacáridos en la glucólisis
3.8.1. Maltosa
La maltosa es un disacárido formado por dos moléculas de glcuosa. Se degrada este dis-cárido por acción de la maltasa en el intestino en dos moléculas de glucosa que entran a la glucólisis.
3.8.2. Sacarosa
La sacarosa es un disacárido que está formado por fructosa y glucosa. Estes dos mono-sacáridos aparecen tras la ruptura de la sacarosa por acción de la sacarasa, en una reacción similar a la de la maltosa. La molécula de glucosa obtenida entra a la glucólisis, y a la de frutosa le pueden suceder dos cosas (hay dos formas de metabolizarla):
En el hígado: primero, la fructosa pasa a fructosa-1-fosfato (6C) por acción de la fruto-quinasa 1. Esta reacción usa ATP y lo transforma a ADP. Después, la fructosa-1-fosfato, por acción de la fructosa-1-fosfato aldolasa (la que no es glucolítica) forma dihidroxia-cetonafosfato y gliceraldehido. El gliceraldehido, por acción de la triosa quinasa se transforma en gliceraldehido-3-fosfato. Esta última reacción también consume ATP En otros tejidos: la frutosa se transforma a fructosa-6-fosfato por acción de la hexoqui-nasa y con consumo de ATP
3.8.3. Lactosa
La lactosa es un disacárido formado por D-galactosa y D-glucosa. Su hidrólisis es llevada a cabo por la lactasa, de forma muy similar a las anteriores. La glucosa obtenida entra directamente a la glucólisis, mientras que la galactosa tiene que sufrir primero unas reacciones. Primero, la galactosa se transforma a la galactosa-1-fosfato por acción de la galactoquina-sa, que consume ATP. Después tiene lugar una reacción compleja, en la que la Galactosa1P pasa a glucosa1P por acción de la galactosa-1-fosfato uridín transferasa. En esta reacciión, la galactosa1P reacciona con un derivado de la glucosa, el UDP-glucosa. Además de la glucosa-1-fosfato se forma también UDP-galactosa, que se tiene que regerar. Para la regeneración de esta molécula, se usa una enzima llamada UDP-galactosa-4 epimerasa, que necesita el NAD+
como coenzima.
Finalmente, la glucosa-1-fosfato produce glucosa-6-fosfato por acción de la fosfoglucomu-tasa, en dónde se intercambia la posición del fosfato de la posición 1 a la 6.
La deficiencia de alguno de estos enzimas implicados es lo que producen las galactosemias. Ver figura 3.
La incorporación de galactosa, manosa y fructosa (en tejidos extrahepáticos) se inicia por fosforilación de la hexoquinasa.
La galactosemia es una enfermedad producida por la intolerancia a la galactosa debido a deficiencias en los enzimas implicados en su metabolismo. La deficiencia hereditaria más común es la de la galactosa-1-fosfato-uridiltransferasa. Las consecuencias de estas deficiencias son vómitos, cataratas, retraso mental...
Figura 3: Metabolismo de la galactosa
Un exceso de galactaso en el cristalino hace que la aldosa reductasa forme galactitol que produce un enturbamiento del cristalino debido a que es osmóticamente activo y provoca la difusión de agua al cristalino, provocando entonces las cataratas. Las cataratas aumentan con la edad, sobre todo cuando se consume mucha leche en edad adulta.
La deficiencia de la lactasa provoca intolerancia a la lactosa, que a su vez implica intole-rancia a la leche. Hay tres tipos de intoleintole-rancia:
Hereditaria: deficiencia en el gen que codifica la lactasa
Primaria: debida a una reducción natural de la producción de lactasa con la edad Secundaria: asociada a enfermedades relacionadas con el aparato digestivo (Crohn, celíacos, etc).
La dificencia en la digestión de la lactosa provoco distintos efectos dependiendo en qué región del aparato digestivo observemos:
1. Intestino delgado: se produce un aumento de la presión osmótica, lo que provoca la salida de agua a los tejidos (intestino), lo que provoca una deshidratación y además, diarrea
2. Intestino grueso: se produce en esta región la fermentación de la lactosa por las bace-terias del colon, lo que origina ácidos orgánicos (principalmente el ácido láctico) que contribuyen al aumento de la presión osmótica, y además se producen otros gases como CO2, CH4, H2 etc, que provocan flatulencia y calambres abdominales
En mamíferos es normal que se produzca una disminución de la actividad de la lactasa con la edad. Sin embargo, en humanos existen poblaciones en las que la actividad de la lactasa es prácticamente igual en edad adulta que en el momento del nacimiento.
3.9.
Regulación de la glucólisis
Se puede regulando, como ya se ha visto, varios parámetros: Actividad de enzima (afecta a la KM)
• efectores alostéricos: existe un centro alostérico para la unión del factor alostérico en la enzima
• modulación covalente: el ejemplo típico es la fosforilación, que puede aparecer en residuos de Ser~OH, Ter~OH y Tyr~OH. Es realizada por una proteína kinasa, a expensas del ATP. Hay que tener en cuenta que ahora el grupo fosfato es más grande y tiene más cargas negativas
Cantidad de enzimas (afecta a la Vmax)
• regulación de la velocidad transcripcional (hormonal)
• regulación de la velocidad de degradación: proteolisis, que frecuentemente va aso-ciado a la degradación proteosomal ubiquitina-dependiente. El proteosoma es una proteica compleja en dónde se destruyen las proteínas
Ver cuadro 2 para conocer los enzimas reguladores en la glucólisi
Cuadro 2: Enzimas reguladoras y alostéricas de la glucólisis
Enzimas HK (hexokinasa) PFK1 (fosfofrutokinasa1) PK (piruvato kinasa) Inhibidor glucosa-6-P, ATP Citrato, ATP Acetil~CoA, ATP Activador — fructosa-2,6-bisP, AMP fructosa-1,6-bisP, AMP
Las enzimas participan en reacciones que son irreversibles, y además, todas son kinasas. Las 2 primeras consumen ATP, mientras que la PK lo sintetiza.
La hexokinasa participa en la reacción 1 (G+ ATP —> G6P), la PFK1 participa en la reacción 3 (F6P + ATP —> F1,6BP), y la PK participa en la última reacción (PEP—> piruvato + ATP).
Nota: cuando una reacción es reversible, está catalizada por la misma enzima en las dos direcciones, mientras que si es irreversible es necesaria una enzima diferente.
La glucólisis se regula en base a:
Las necesidades energéticas, o sea, la demanda de ATP La producción de precursores para otras rutas metabólicas
La regulación2 se realiza, por tanto, a varios niveles y de varias formas:
1. Por la concentración de sustratos y productos (en reacciones próximas al equilibrio) 2. Modulando la actividad de enzimas reguladoras
a) Regulación alostérica
b) Reculación por CMC reversible 3. Por la unión a proteínas moduladoras 4. A nivel fisiológico mediante hormonas 5. A nivel transcripcional
Las enzimas que hemos resaltado (HK, PFK1 y PK), además de reguladoras, son alostéricas3.
La velocidad de la glucólisis depende de la regulación de estos tres enzimas. 3.9.1. Hexokinasa
Las hexokinasas son unas enzimas que pertenecen todas a la misma familia. Hay 4 enzi-mas: I, II, III y IV. Las tres primeras comparten muchas características comunes (no están hormonalmente por hormonas como la insulina, están inhibidas por la glucosa-6-fosfato, su propio producto, aparecen en la mayoría de tijdos y tienen un KM bajo, de 0,1mM). Sin
embargo, la IV es espcial, porque aparece sólo en el hígado y en las células β-pancreáticas y quizás en las células del epitelio intestinal. Además, no es inhibida por su sustrato, tiene una KS 0,5 elevado, una Vmax alta y es inducible por insulina. A la hexokinasa IV también se le
denomina como glucokinasa (GK).
La hexokinasa (I-III) no puede responder a grandes variaciones de glucosa en sangre, ya que se satura muy rápido. La GK si que puede responder.
La que es alostérica es la GK, que muestra una cinética sigmoidal propia de los enzimas alostéricos, mientras que la hexokinasa presenta una cinética hiperbólica. Ver figura
Regulación de la glucokinasa Se le puede denominar de dos maneras:
Regulación por asociación/disociación. Este tipo de regulación mide básicamente que cuando la glucokinasa está unida a una molécula está inactiva, y cuando está libre, se vuelve activa. Esta molécula es la proteína reguladora de la glucokinasa (GK-PR)
2En general, otras enzimas se pueden regular controlando si están en estado polimérico o en estado
polimérico.
Figura 4: Hexokinasa vs glucokinasa
Regulación por translocación: la glucokinasa cuando está libre y activa se sitúa en el citosol, mientras que cuando está asociada a la GK-PR e inactiva aparece en el núcleo. Por eso, para volverse a activar, primero tiene que disociarse y después translocarse Para que estea libre en el citosol necesita de la colaboración de la glucosa o fructosa-1-fosfato. Estas dos moléculas promueven la translocación y la disociación, que provoca la activación de la glucokinasa. Para que estea en el núcleo y asociada, depende de la fructosa-6-fosfato.
La glucokinasa también se puede regular con la expresión del gen. Se activa el gen cuando hay los activadores que hemos visto antes. La glucokinasa es una enzima que está adaptada a los aumentos de concentración de glucosa (por su cinética).
3.9.2. Fosfofrutokinasa 1 (PFK1) Cataliza la reacción irreversible:
F 6P + AT P → F 1, 6BP + ADP
Algunas bacterias y protistas, y quizás todas las plantas tienen una PKF distinta que usa PPi en vez de ATP para realizar la fosforilación.
Lleva el 1 porque hay una otra, que realiza una función similar, que se denomina PFK2 (en realidad es una enzima más compleja esta última).
Esta enzima posee una regulación alostérica, y es, por tanto, un enzima regulador alosté-rico, con una cinética sigmoidal típica de los enzimas de este tipo.
La fosfofrutokinasa también se puede regular covalentemente, que ocurre exclusivamente en el músculo esquelético. En general, hablando del alosterismo de esta enzima, distinguimos:
Activadores: AMP, ADP y fructosa-2,6-bisfosfato
El ATP, el ADP y el AMP están relacionados mediante un parámetro que se denomina carga energética, que mide la relación:
AT P ADP + AM P
Cuando esta relación es alta, quiere decir que, en proporción, hay altos niveles de ATP y bajos de ADP y AMP. Cuando es baja, quiere decir lo contrario. En las células, hay mucho más ATP que ADP, y muchísimo más que AMP.
Para medir la carga energética nos valemos de una enzima denominada adenilato ciclasa, que cataliza la reacción reversible:
ADP + ADP ↔ AT P + AM P
Cuando se incrementa el nivel de ADP por hidrólisis del ATP, se incrementa, por tanto, el nivel de AMP debido a que la adenilato ciclasa tiene un sustrato sobre el que actuar. Cuando se produce un incremento en la concentración de AMP, es por tanto, una señal de que la carga energética está bajando.
AMP y ADP son activadores alostéricos de la fosfofrutokinasa 1, porque es necesario activar la ruta para poder generar más ATP. El ATP funciona entonces de un modo inverso (es un inhibidor, bloquea la enzima, y por tanto la ruta, porque ya no es necesario generar ATP, la carga energética ya es elevada).
En un ezima alostérico, como la fosfofrutoquinasa 1 se reconocen, dos dominios:
Centro activo: es el lugar en dónde se unene los sustratos, en este caso, la fructosa-6-fosfato y el ATP (es una reacción bisustrato).
Sitio alostérico: el ATP se puede unir aquí. En este mismo sitio es dónde se unen también el resto de efectores alostéricos, y ellos tendrán que competir por el centro alostérico. Se unirá, el que, en proporción, estea en mayor cantidad en el medio. Con una concentración baja del ATP se une solamente al centro activo (se necesitan altas concentraciones para unirse al sitio activo).
Aunque hay una competición entre el ATP y el AMP por unirse al sitio alostérico, no representa esto un problema muy grande, porque cuando existe gran cantidad de uno hay poca de otro.
El ATP lo que hace es producir un cambio en el enzima, modificando la cinética del enzima y haciendo que la afinidad del enzima por el sustrato se reduzca.
Otro inhibidor alostérico es el citrato, una molécula que se forma en la primera reacción del ciclo de Krebs. Cuando el ciclo de Krebs está funcionando «a tope», el citrato puede salir de la mitocondria e ir al citosol, en dónde uno de sus papeles es inhibir la fosfofrutokinasa 1, inhibiendo la glucólisis. Ya no es necesario que siga esta ruta y que siga el ciclo de Krebs, porque ya hay energía suficiente en la célula.
El último activador alostérico que veremos es la fructosa-2,6-bisfosfato, o F2,6BP, que es el factor alostérico más importante. Como ya se dijo, hay una enzima, denominada PFK2, que fosforila la fructosa-6-fosfato en la posición 2 con consumo de ATP formándose la F2,6BP, un regulador de la glucólisis. Este regulador tiene que competir con los otros, por ejemplo, con el ATP, y produce un cambio en la cinética de la enzima PFK1, incrementando su afinidad por la F6P, formándose una cinética hiperbólica (antes era sigmoidal) (?).
La F2,6BP se une al lugar alostérico y es ahí dónde compite con los otros efectores. La F2,6BP no sólo regula la glucólisis, si no que también participa en la regulación de la gluconeogénesis.
La reacción de la PFK1, como ya se dijo, no es reversible, o dicho de otro modo, es irreversible, por lo que en la reacción de la gluconeogénesis tiene que haber una fosfatasa, y estas enzima se denomina F1,6BPasa, que elimina hidrolíticamente el grupo fosfato de la F1,6BP.
La fructosa-2,6-bisfosfato lo que hace es inhibir la F1,6BPasa. De este modo, se promueve la glucólisis y se inhibe la gluconeogénesis. Esto es lo que se denomina «regulación recíproca». PFK2, es, en realidad, un nombre falso. El real es enzima bifuncional, abrebiadamente EzBF, con capacidad de kinasa (para producir PFK2) y con capacidad de fosfatasa (es la
F2,6BPasa4). Tiene por tanto E
zBF dos sitios activos, que no pueden funcionar al mismo
tiempo, catalizando estas dos reacciones: PFK2: F 6P + AT P → F 2, 6BP + ADP F2,6BPasa: F 2, 6BP + H2O → F 6P + P i
El enzima se puede regular covalentemente, por fosforilación o desfosforilación. Veremos como se hace primero en el hígado y después en el resto de los tejidos.
1. En el hígado, el glucagón activa la proteína kinasa A (PKA), que fosforila a la EzBF:
cuando el enzima está fosforilado, se inhibe la acción de la quinasa PFK2 (no se produce F2,6BP), y se activa la acción de la fosfatasa, por lo que el nivel de F2,6BP baja, y por tanto, se inhibe la glucólisis (PFK1 no se activa) y se activa la gluconeogénesis (ya no hay F2,6BP que pueda inhibir a la F1,6BPasa, y por tanto, puede tener lugar la gluconeogénesis).
2. En otros tejidos, hay isoenzimas de la EzBF, que se regulan de forma distinta.
La PFK1 es la principal enzima reguladora de la glucólisis. No es la glucokinasa, porque esta reacción, muchos autores la consideran fuera de la glucólisis. Esto se piensa así porque la G6P puede hacer muchas otras cosas, como transformarse en G1P y dar lugar a glucógeno, seguir la ruta de las pentosas fosfato, derivar para formar ácido glucónico. En definitiva, no es una molécula que tenga un sólo destino posible, y es por eso que no es la más importante. La más importante, como ya se dijo, es la regulación de la PFK1.
3.9.3. Piruvato kinasa
Se puede regular por regulación alostérica (es universal, aparece en todos los tejidos) y por regulación covalente (sólo en el hígado).
En el hígado hay unas isoenzimas especiales. La piruvato kinasa es una familia de en-zimas. Hay, en forma general, dos grupos: las M (que son sólo alostéricas) y las L (las que aparecen en el hígado, y que son modificadas tanto alostéricamente como covalentemente por fosforilaciones, implicando a fosfatasas y kinasas).
La F1,6BP es un activador alostérico del PK. La F1,6BP es un producto muy anterior, por lo que realmente está «avisando» a la enzima que va actuar más tarde en la cascada de reacciones. Los inhibidores
de la PK son el ATP y la alanina. La alanina se puede transaminar para formar piruvato, produciendose energía en el ciclo de Krebs, por lo que va a haber energía. Si nos fijamos, se inhiben las enzimas cuando hay energía y la célula no necesita más.
Otro inhibidor alostérico son los ácidos grasos de cadena larga. La covalente sólo ocurre en el hígado.
Cuando la concentración de glucosa baja, se produce glucagón, que activa a la PKA, que fosforila la PKL y la inactiva. El glucagón hace lo contrario a la insulina, que cuando la concentración de glucosa en sangre es alta, provoca que la PKL se active y que disminuya la glucosa en sangre al provocar que el monosacárido se degrada en la vía glucolítica.
Regulación de la glucólisis en el músculo
Cuando el músculo está en reposo, la glucólisis no está activa. Entonces, los niveles de G6P son altos, por lo que se inhibe la exokinasa, y la carga energética es alta, por lo que toda la ruta está inhibida.
Cuando el músculo está realizando una actividad, disminuye la carga energética, por lo que los niveles de G6P no se elevan y se levantan todas las inhibiciones existentes, por lo que
está todo activo y funciona la glucólisis, para proveer a la célula de energía para que pueda realizar sus contracciones.
4.
Tema V
En este tema se va a hablar de la respiración celular, el complejo de la piruvato deshidro-genasa, el ciclo de Krebs y el ciclo del Glioxilato.
4.1.
Respiración celular
Se conoce con el nombre de respiración celular a la fase aeoróbica del catabolismo. Se refiere a los procesos oxidativos moleculares que consumen O2 y producen CO2 y energía en
forma de ATP.
La respiración celular contempla tres etapas:
1. Producción de Acetil~CoA, que se puede realizar a partir del catabolismo de azúcares, la degradación de ácidos grasos y a partir de determinados aminoácidos
2. Oxidación del acetil~CoA, en el ciclo de Krebs, el ciclo del ácido cítrico o el ciclo de los ácidos tricaboxílicos (TCA cycle). En este ciclo se genera CO2 y electrones, que son
transportados por el NADH y el F ADH2, que los ceden a los complejos de la cadena
respiratoria, y finalmente son captados por el O2 para forma agua. En este proceso se
forma un gradiente protónico
3. Transporte electrónico y fosforilación oxidativa
4.2.
El complejo de la piruvato deshidrogenasa (cPDH)
Este complejo enzimático participa en la producción de acetil~CoA a partir de piruvato. El piruvato debe entrar en la mitocondria, y existen para esto transportadores específicos. P iruvato+N AD++CoA ∼ SH → acetil ∼ CoA+CO2+N ADH +H+ enzima : cP DH
Es un proceso mitocondiral la síntesis de acetil~CoA. La reacción del complejo de la piruvato deshidrogenasa es una descarboxilación oxidativa (se pierde CO2 y electrones, que
son captados por el NADH).
La reacción del complejo de la piruvato deshidrogenasa es irreversible, o sea, está alejada del equilibrio. El complejo, a su vez, está formado por 3 enzimas y 5 coenzimas:
3 Enzimas:
• piruvato deshidrogenasa: su conezima es el TPP. También se le denomina como E1.
• dihidrolipoil transacetilasa: su coenzima es la lipoamida. También se le denomina como E2.
• dihidrolipoli deshidrogenasa: su coenzima es el FAD. También se le denomina como E3.
5 Coenzimas
• Tres son grupos prostéticos: TPP, FAD y lipoamida • 2 están libres, que son el CoA y el NAD+
Es un complejo tan grande que puede ser observado al microescopio electrónico. 4.2.1. Mecanismo de acción del cPDH
Reacción 1: llevada a cabo por la E1, es la descarboxilación del piruvato y se forma
hidroxietil TPP.
Reacción 2: llevada a cabo por la E1, es la reducción de la acil lipolisina, se reduce el
grupo ~SH.
Reacción 3: llevada a cabo por la E2, es la unión del acil al CoA
Reacción 4: llevada a cabo por la E3. Es una oxidación para regenerar el sustrato de la
reacción 1. Utiliza como enzima el FAD, que se transforma en F ADH2.
Reacción 5: llevada a cabo por la E3, se usa al NAD+ para reoxidar FAD.
4.2.2. Regulación del complejo
Existe una reacción alostérica. Cuando los ratios AT P ADP,
N ADH N AD+ y
Acetil∼CoA
CoA son altas, el
complejo de la piruvato deshidrogenasa se inhibe alostéricamente porque son una señal de un estado metabólico energénticamente suficiente.
También existe una conversión molecular covalente, que se realiza a través de kinasas. La piruvato deshidrogenasa kinasa inactiva la enzima, mientras que la piruvato deshidroenasa fosfata la activa. La parte del complejo que se fosforila y desfosforila es la piruvato deshi-drogenasa (E1). A su vez, la kinasa y la fosfatasa están reguladas (mediante alosterismo, son
Moléculas que promueven la acción del complejo son: Mg2+, Ca2+, insulina, ADP y
piruvato. La insulina favorece la conversión del acetil~CoA a aćidos grasos. En general, cuando la carga energética es alta, se inhibe el complejo, mientras que si es baja, se activa.
Por ejemplo, el Ca2+ es una molécula que está relacionada con la contracción muscular
(provoca la contracción muscular). Es normal que favorezca la síntesis de acetil~CoA porque así se puede producir ATP en la respiración.
El acetil~CoA tiene un papel anabólico muy importante, ya que a partir de él se producen triglicéridos, ácidos grasos, prostanglandinas, cuerpos cetónicos, colesterol (y a partir de este, las sales biliares, las hormonas esteroideas, etc). El acetil~CoA es, en definitiva, un metabolito central muy importante.
A partir de los intermediarios del ciclo de Krebs también se sintetizan otras moléculas.
4.3.
Ciclo de Krebs
Es la vía final común para la oxidación completa de las moléculas energéticas. En las células eucariotas ocurre en la matriz mitocondrial, y en bacterias ocurre en el citosol. Es una ruta universal, y, al igual que la glucolisis, se cree que apareció muy pronto en la evolución. Tiene varias reacciones:
1. Citrato sintasa (CS), es una reacción de condensación, en la que se pasa de oxalacetato a citrato. Es una reacción irreversible, por lo que es un punto de control. En bacterias se ha visto que puede ser reversible.
oxalacetato → citrato
2. Aconitasa, es una reacción de isomerización, en la que se pasa de citrato a isocitrato. En realidad es una reacción de hidratación seguida de una deshidratación.
Citrato isocitrato
3. Isocitrato deshidrogenasa (IDH), es una reacción redox, que se puede resumir como: isocitrato + N AD+ → N ADH + CO2+ α − cetoglutarato
Es una reacción alejada del equilibrio, por lo que se usa como punto de control
4. α-cetoglutarato deshidrogenasa, es una reacción redox y una descarboxilación oxidativa, muy parecida a la reacción catalizada por el complejo de la piruvato descarboxilasa.