METABOLISMO DE LOS CARBOHIDRATOS: CATABOLISMO

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1 APUNTES DE BIOQUÍMICA 5 METABOLISMO DE LOS CARBOHIDRATOS: CATABOLISMO 1 Por: Julián Alonso Chamucero Millares 1 L a glucosa es el sustrato más importante para la generación de energía en el ser humano. Debido a esto, debe obtenerse mediante la degradación o interconversión de azúcares más complejos durante el proceso digestivo o a partir de las reservas energéticas en los tejidos corporales. Vamos a considerar en este apartado 3 vías principales para el catabolismo de los carbohidratos; sin embargo, ninguna de ellas es exclusiva de los azúcares, ya que actúan como vías centrales de todo el metabolismo energético. G lucólisis La glucólisis es una vía de escisión de la glucosa que se caracteriza por: Es una serie de 10 reacciones Ocurre en el citoplasma Se transforma 1 molécula de glucosa en piruvato Se generan 2 moléculas de ATP Glucosa 2 Piruvato + 2 ATP Las 10 reacciones se dividen en 2 series de 5 reacciones. La primera serie o fase es de gasto de energía [ATP] y la segunda es la de generación de energía. 1 Médico Interno. Internado con énfasis en investigación. Laboratorio de Biomiméticos Instituto de Biotecnología. Universidad Nacional de Colombia En condiciones de anaerobiosis se debe mantener la neutralidad del estado de oxidación, por lo que, el producto final debe reducirse. En presencia de oxígeno el proceso continúa con la oxidación, ya que no se requiere mantener un estado de oxidación neto igual a cero. Las 10 reacciones individuales fueron descubiertas en 1930 por dos científicos alemanes, por lo que la glucólisis también se conoce como la ruta de Embden-Meyerhof por sus respectivos apellidos. Los puntos de regulación son las reacciones catalizadas por las enzimas: Fosfofructoquinasa. Es inhibida por el ATP. Es activada por la fructosa 2,6-bisfosfato, un intermediario sintetizado por la PFK-2; otra fosfofructoquinasa regulada por camp. Piruvato quinasa. Se inhibe por el ATP y por el aumento de concentración de la acetil- CoA. Si aumenta el aporte de oxígeno se produce el efecto Pasteur en el cual

2 los metabolitos desde la fructosa- 1,6-bisfosfato disminuyen y los metabolitos anteriores se concentran. Fase 1: consumo de ATP 1. La glucosa se transforma en glucosa- 6-fosfato [G6P] por la hexoquinasa en presencia de ATP y Mg 2+. a. La hexoquinasa tiene una K M de 0,01 0,1 mm b. Es una enzima de baja especificidad. c. Es regulada por el producto. d. La reacción es irreversible e. En el Hígado, la glucoquinasa, una isoenzima de la hexoquinasa pero con una K M de 10 mm. fosfofructoquinasa [PFK] y la participación de ATP. a. La fosfofructoquinasa es el punto principal de regulación de flujo de carbono sobre la vía de la glucólisis. b. Es una enzima regulada mediante mecanismos alostéricos. c. La reacción catalizada es irreversible La G6P se isomeriza a fructosa-6- fosfato [F6P] por la enzima fosfoglucoisomerasa a través de un intermediario enediol. 4. La F1,6P se escinde en gliceraldehido-3-fosfato [Gh3P] y dihidroxiacetona-fosfato [DHAP] por la 1,6-bisfosfato aldolasa. Esta enzima utiliza la formación de una base de Schiff 2 para la síntesis de los productos. 3. La F6P es transformada en fructosa- 1,6-bisfosfato [F1,6P] por la adición de un grupo fosfato en el carbono 1 gracias a la enzima 2 Las bases de Shiff se forman por la condensación de un grupo amino con un grupo carbonilo.

3 5. La DHAP se isomeriza a Gh3P por la enzima triosa fosfato isomerasa. b. La reacción involucra un agente NAD + que se reduce y la formación de un grupo acil-fosfato. c. Se requiere la formación de dos intermediarios, a saber, el tiohemiacetal y el tioéster. 3 La primera fase tiene como resultado neto: Metabolismo de una molécula de glucosa Síntesis de 2 moléculas de gliceraldehído-3-fosfato Consumo de 2 ATP 2. El 1,3BPG se transforma en 3- fosfoglicerato [3PG] por la enzima fosfogliceratoquinasa. La reacción lleva acoplada una molécula de ADP que acepta el fosfato del carbono 1 y se genera una molécula de ATP. Fase 2: generación de energía 1. Cada molécula de Gh3P se transforma en 1,3-bisfosfoglicerato [1,3BPG] por la gliceraldehido-3- fosfato deshidrogenasa. 3. El fosfato del carbono 3 del 3PG se pasa al carbono 2 por la fosfoglicerato mutasa [en presencia de Mg 2+ ] con la formación de 2- fosfoglicerato [2PG]. a. El gliceraldehído se oxida entregando un par de electrones.

4 4. La 2PG es deshidratada por una enolasa para formar fosfoenolpiruvato [PEP], un compuesto de energía súper elevada. Después de la segunda etapa, el balance neto es: Metabolismo de 1 molécula de glucosa Síntesis de 2 moléculas de piruvato Generación de 2 ATP 4 5. El PEP se transforma en piruvato por la enzima piruvato quinasa en compañía de ADP. a. La transferencia del grupo fosfato del carbono 2 genera ATP b. La enzima es inhibida alostéricamente cuando aumenta la [ATP] c. La enzima se activa por la fructosa-1,6-bisfosfato. En condiciones de anaerobiosis es importante mantener el equilibrio de óxidoreducción por lo que el NADH debe re oxidarse, para ello no queda otra cosa que la reducción del piruvato. Esta reacción de reducción está catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa con la subsecuente formación de ácido láctico. C atabolismo de disacáridos Los disacáridos más importantes son la galactosa y la fructosa, cada uno de ellos puede entrar a la vía de la glucólisis a partir de la síntesis de uno de sus metabolitos intermediarios: Galactosa 1. La galactosa es transformada en galactosa-1-fosfato [Gal1P] por la enzima galactoquinasa.

5 2. La Gal1P se activa a través de una reacción con la uridina difosfato glucosa [un azúcar unido a un nucleótido]. Ocurre una reacción de transferencia del nucléotido a la galactosa y el fosfato a la glucosa por lo que los productos son: uridina difosfato galactosa y glucosa-1- fosfato. Esta reacción está catalizada por la UDP-glucosa galactosa-1- fosfato uridiltransferasa La glucosa-1-fosfato se convierte en glucosa-6-fosfato por la fosfoglucomutasa. Fructosa 1. La fructosa se convierte en fructosa-1-fosfato [F1P] por la fructoquinasa. 2. La F1P se escinde en dihidroxiacetona-fosfato y gliceraldehido. Este clivaje es catalizado por la aldolasa B. La DHAP puede entrar a la ruta glucolítica mientras que el gliceraldehido debe ser fosforilado para formar el metabolito gliceraldehído-3-fosfato.

6 C atabolismo de polisacáridos Como ya hemos mencionado en otros apartados, los polisacáridos más importantes en la dieta son el almidón y el glucógeno, ambos, son cadenas ramificadas de unidades de glucosa, por lo que deben ser degradados para su óptima utilización. Existen dos estrategias para la ruptura de los enlaces glucosídicos: Hidrólisis: involucra la hidratación del enlace y es catalizada por una fosfohidrolasa. Es importante en los polisacáridos de la alimentación ya que favorece la obtención de monosacáridos de glucosa no conjugados. Fosforólisis: involucra la acción del ácido fosfórico y es catalizada por la fosforilasa. El resultado de la reacción libera monómeros de azúcar fosfato. Recordemos que el metabolismo de los polisacáridos inicia en la cavidad oral con la acción de la α-amilasa salival que se encarga de romper los enlaces α(1-4) del almidón. Posteriormente, la amilasa pancreática convierte los fragmentos de amilosa en maltosa; empero, el glucógeno y la amilopectina tienen ramificaciones con enlaces (1-6), la amilasa es incapaz de metabolizar el glucógeno y la amilopectina. Para este tipo de enlaces se requiere una enzima desramificante, para este caso es la α-glucosidasa, también llamada isomaltasa. De esta manera, las reacciones secuenciales de la amilasa y la isomaltasa permiten la formación de maltosa y su clivaje en 2 moléculas de glucosa. Por su parte, el glucógeno hepático y muscular es degradado por la glucógeno fosforilasa en los enlaces α(1-4) por lo que los productos son glucosa -1-fosfato y la restante cadena de glucógeno. En cuanto a las ramificaciones con enlace α(1-6) son objeto de acción de la enzima glucotransferasa, la cual tiene dos puntos de acción: Transferasa: toma 3 residuos de una ramificación y los pasa a otra. Desramificante: corta el cuarto residuo de la ramificación y lo libera como glucosa. La acción secuencial de ambas enzimas degrada el glucógeno en moléculas de glucosa y glucosa-1-fosfato, esta última se convierte en glucosa-6-fosfato por la enzima fosfoglucomutasa. El control de la glucógeno fosforilasa se da gracias a la existencia de la forma inactiva [b] y la forma activa [a] de la enzima. La activación ocurre por la fosforilación de la forma b en el residuo de serina 14 por otra enzima, la fosforilasa b quinasa, la cual también es activada por mecanismos de fosforilación de la protein quinasa A en respuesta al aumento de concentración del camp por control hormonal [adrenalina y glucógeno]. 6

7 Ciclo de K rebbs 7 El ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs en honor a su descubridor ocurre en la mitocondria y es la continuación en condiciones aerobias de la oxidación de los sustratos para la obtención de energía. Recordemos los significados de las reacciones de óxido-reducción: Oxidación: donación de electrones [e - ] Reducción: aceptación de electrones [e - ] En el ciclo de Krebs ocurre una oxidación secuencia del carbono a través de la donación de sus átomos de hidrógeno enlazados, por lo que las enzimas que catalizan dichas reacciones reciben el nombre de deshidrogenasas. Ahora bien, de la misma manera que la glucólisis, el ciclo de Krebs puede diferenciarse en dos fases: 1. Oxidación de los compuestos de carbono 2. Regeneración de oxalacetato

8 La reacción previa al ciclo consiste en la formación del acetil-coenzima A a partir de la oxidación del piruvato. 2. El citrato sufre una reacción de deshidratación-hidratación sucesiva por la aconitasa y se produce el isocitrato. 8 Note que si piruvato se redujera se produciría ácido láctico como ya hemos mencionado. La oxidación del piruvato incluye la participación de un complejo de 3 enzimas y 5 coenzimas entre las que se encuentra el NAD + y la coenzima A [CoA]. Junto con la oxidación del piruvato, ocurre una descarboxilación. La enzima piruvato deshidrogenasa es un complejo de 3 enzimas: 3. El isocitrato presenta una descarboxilación oxidativa en presencia de la isocitrato deshidrogenasa y el NAD + para formar α-cetoglutarato, CO2 y NADH. a. La formación del cetoglutarato incluye un intermediario oxalsuccinato inestable que se descarboxila espontáneamente. 1. La acetil-coa reacciona con el oxalacetato para formar citrato por la enzima citrato sintasa.

9 9 4. El α-cetoglutarato se transforma en succinil-coa en otra reacción de oxidación mediada por la α- cetoglutarato deshidrogenasa. b. El fumarato tiene 2 carbonos saturados a doble enlace. 7. El fumarato se transforma en malato por la enzima fumarasa. La fumarasa hidrata el doble enlace. 5. La succinil-coa reacciona en presencia de GDP para formar succinato y GTP gracias a la succinil-coa sintetasa. a. Posteriormente la enzima nucleósido difosfato quinasa hepática transforma el GTP en ATP. 6. El succinato se transforma en fumarato por la succinato deshidrogenasa. a. Se requiere la presencia de FAD para oxidar el succinato. 8. El malato finalmente regenera el oxalacetato por una reacción de oxidación por la malato deshidrogenasa y el NAD +.

10 El complejo piruvato deshidrogenasa tiene mecanismos de regulación alostéricos y por modificaciones covalentes. Es inhibido por el ATP y activado por la concentración de AMP. El componente E2 del complejo [la transacetilasa] es inhibida por la aceti-coa y activado por la coenzima A. El componente E3 es inhibido por la NADH y activado por la NAD + El componente E1 [la piruvato descarboxilasa] se controla por interacciones covalentes reversibles en fosforilación y desfoforilación de residuos de serina. La fosforilación está catalizada por la piruvato deshidrogenasa quinasa, una enzima que se activa por la NADH y la acetil-coa. Mientras que la desfosforilación ocurre por la piruvato deshidrogenasa fosfatasa, una enzima que se activa por el Mg Finalmente, la actividad del ciclo depende de: La relación de las concentraciones NAD + /NADH. Este agente se encuentra involucrado en 4 reacciones. Control alostérico de la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa. En la siguiente gráfica vemos los productos finales del ciclo: Vía de las pentosas fosfato La vía de las pentosas fosfato es una ruta metabólica de tipo anabólico; sin embargo, sus pasos incluyen la oxidación de los carbohidratos, y finalmente producir NADPH y ribosa-5-fosfato. 1. La glucosa-6-fosfato se oxida en presencia de NADP para formar la 6-fosfogluconolactona y el NADPH.

11 2. La 6-fosfogluconolactona es transformada por una lactonasa en 6-fosfogluconato. reacciona se cataliza por una transcetolasa Posteriormente ocurre una reacción de descarboxilación oxidativa del 6- fosfogluconato en ribulosa-5-fosfato por la enzima 6-fosfogluconato deshidrogenasa. 7. La transaldolasa cataliza la siguiente reacción que consiste en la transferencia de 3 carbonos del azúcar de 7 carbonos al gliceraldehído-3-fosfato con la formación de eritrosa-4-fosfato y la fructosa-6-fosfato. 4. La ribulosa-5-fosfato es isomerizada en ribosa-5-fosfato por la fosfopentosa isomerasa. En este punto se ha obtenido la ribosa-5- fosfato y el NADPH; sin embargo, los organismos necesitan aprovechar al máximo los intermediarios de la vía, por lo que, 8. Finalmente la transcetolasa transfiere un grupo glicolaldehído a la eritrosa-4-fosfato y forma el gliceraldehído-3-fosfato. 5. La ribulosa-5-fosfato es epimerizada a xilulosa-5-fosfato por la fosfopentosa epimerasa. 6. Con este nuevo sustrato, la xilulosa- 5-fosfato reacciona con una ribosa- 5-fosfato para formar la sedoheptulosa-7-fosfato y el gliceraldehido-3-fosfato, esta Los últimos productos de la vía son la frcutosa-6-fosfato y el gliceraldehído-3- fosfato que pueden entrar en la ruta glucolítica para la obtención de energía.

12 Bibliografía Mathews, C.K.; Van Holde, K.E.; Ahern K.G.(2002). Metabolismo de los hidratos de carbono: procesos anaerobios en la generación de energía metabólica. Procesos oxidativos: ciclo del ácido cítrico y ruta de las pentosas fosfato. Bioquímica. (pp , )Pearson Education, S.A., Madrid. 12 Nelson, D.L & Cox, M.M. (2008) Glycolysis and the Pentose Phosphate Pathway. The Citric Acid Cycle. Lehninger. Principles of Biochemistry. (pp , , ). W.H. Freeman and Compañy, New York. Berg, J.M.; Timoczko, J.L.; Stryer Lubert (2007) Glycolysis. The Citric Acid Cycle Biochemistry. (pp , ). W.H. Freeman and Compañy, New York.