Generalidades CAPITULO 3: HIDRATOS DE CARBONO Y SU METABOLISMO Los carbohidratos o hidratos de carbono o azúcares o sacáridos o glúcidos, son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, aunque en algunos tipos de carbohidratos también hay azufre y nitrógeno. Desde el punto de vista químico se definen como derivados aldehídicos o cetónicos de alcoholes polihídricos, o sea, con varios grupos OH Estas moléculas, también llamadas carbohidratos, azúcares o glúcidos, son de gran importancia porque desempeñan funciones tales como reserva de energía en animales (glucógeno) y vegetales (almidón), de estructura, como puede ser la celulosa en los vegetales (principal constituyente de la pared celular) y la quitina (polisacárido constituyente de la pared celular de la mayoría de los hongos). Desde el punto de vista químico estas moléculas se definen como polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas. Los hidratos de carbono se pueden clasificar de acuerdo al número de unidades estructurales que constituyen su molécula en a) monosacáridos, b) oligosacáridos y c) polisacáridos. a. Los monosacáridos se encuentran formados por un solo polihidroxi-aldehído o polihidroxicetona. Entre los representantes de este grupo se destacan la glucosa, la fructosa, la ribosa y la galactosa. b. Los oligosacáridos están formados por 2 a 10 monosacáridos y de acuerdo al número de monosacáridos constituyentes se tendrán disacáridos, trisacáridos, tetrasacáridos, pentasacáridos, según estén formados por 2, 3, 4, o 5 monosacáridos respectivamente. Los más importantes son los disacáridos: la sacarosa (que representa la forma de transporte de los esqueletos carbonados en las plantas), la lactosa (azúcar de la leche) y la maltosa. c. Los polisacáridos están constituidos por más de 10 monosacáridos, formando largas cadenas lineales o ramificadas. Como ejemplos de este grupo se pueden mencionar la celulosa, el glucógeno, el almidón y la quitina. Monosacáridos Son polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas. Cuando presentan un grupo funcional aldehído reciben el nombre de aldosas y cuando el grupo es cetona se llaman cetosas. Se pueden clasificar teniendo en cuenta el número de átomos de carbono que posee la molécula (triosas, tetrosas, pentosas, etc.); por lo tanto una cetopentosa será un monosacárido constituido por 5 átomos de carbono que tiene un grupo funcional cetona, mientras que una aldotriosa tendrá 3 átomos de carbono y un grupo aldehído. Como ejemplos se pueden citar: gliceraldehído (aldotriosa), dihidroxiacetona (cetotriosa), eritrosa (aldotetrosa) que participa en la vía de síntesis de los aminoácidos aromáticos tales como fenilalanina y triptofano, ribosa (aldopentosa) constituyente de los nucleótidos fosfato, ribulosa (cetopentosa), glucosa (aldohexosa), fructosa (cetohexosa) que es el principal azúcar presente en los frutos maduros. Pese a que se han presentado los monosacáridos como cadenas lineales de carbono, se ha observado que la mayoría de los monosacáridos se pueden encontrar en 35
forma de moléculas cíclicas. Esta ciclación da lugar a la formación de un nuevo carbono anomérico o quiral. En el caso de las aldosas, el grupo aldehído presente en el C1 se encuentra próximo al C5 y reaccionan mediante una unión hemiacetal (reacción entre un aldehído o una cetona con un alcohol), dando lugar a la formación de un anillo heterocíclico de seis carbonos que se considera derivado del pirano, por lo que estos monosacáridos se denominan piranosas (Fig. 3-1). Fig. 3-1. Estructura cíclica de las piranosas. La forma cíclica de la hexosa, da lugar a la formación de dos isómeros que van a depender de la posición del OH - del C1 con respecto al plano, si el OH - queda ubicado por debajo del mismo (se representa con el OH - hacia abajo) se obtiene el isómero α, en cambio si el OH - se ubica por encima del plano (se representa con el OH - hacia arriba) se está en presencia del isómero β (Fig. 3-2). Fig. 3-2. Estructura química de α-glucosa y β-glucosa. 36
En el caso de las cetosas la formación de la unión hemiacetal ocurre por la proximidad entre el grupo cetona presente en el carbono 2 y el OH - del carbono 5, dando lugar a la formación de un anillo derivado del furano, por eso reciben el nombre de furanosas (Fig. 3-3). Fig. 3-3. Estructura cíclica de las furanosas En este caso, al igual que en las aldosas, la ciclación de la molécula da lugar a la formación de dos isómeros; denominados α cuando el OH - queda ubicado por debajo del plano, y β cuando queda por encima del mismo (Fig. 1-4). Fig.3-4. Estructura química de la α-fructosa y β -fructosa. Los monosacáridos, en general, poseen poder reductor, es decir son moléculas reductoras (se oxidan para reducir a otro compuesto). Esta capacidad reductora se manifiesta cuando el oxidrilo hemiacetálico (del carbono 1 en las aldosas y del carbono 2 en las cetosas), se encuentra libre. En las vías correspondientes al metabolismo de los hidratos de carbono, tales como la glucólisis, gluconeogénesis y vía de las pentosas, es muy frecuente la formación de ésteres fosfóricos, debido a la reacción entre el monosacárido y el ácido fosfórico, por ejemplo la glucosa-1p (el éster fosfórico se forma a nivel del carbono 1), la glucosa-6p (la esterificación es a nivel del carbono 6), la fructosa 1,6 bisfosfato (posee dos ésteres fosfóricos, uno en el carbono 1 y otro en el carbono 6). Cuando la esterificación se produce a nivel del carbono 1 de las aldosas, como en el caso de la glucosa-1p, la molécula pierde la capacidad reductora, debido a que el oxidrilo hemiacetálico se encuentra ocupado por el éster fosfórico. Esto no ocurre por ejemplo en el caso de la glucosa-6p, debido a que el oxidrilo del carbono 1 se encuentra libre. 37
Oligosacáridos Dentro de este grupo se hará referencia fundamentalmente a los disacáridos, moléculas formadas por la unión de dos monosacáridos, esta unión se produce con pérdida de una molécula de agua y se denomina enlace glicosídico. Se prestará atención a tres disacáridos de gran importancia biológica como son la maltosa, la lactosa y la sacarosa. Maltosa Es el azúcar de la malta y uno de los principales productos de la hidrólisis del almidón por acción de dos enzimas amilolíticas: α-amilasa y β-amilasa. Este proceso es muy activo durante la germinación de las semillas farináceas (avena, cebada, trigo, maíz, centeno), cuando después de ocurrida la imbibición, se desencadena la movilización de las reservas, con la finalidad de obtener las moléculas y la energía necesarias para todo el metabolismo de la plántula. La maltosa, es un disacárido formado por la unión de 2 glucosas. El enlace glicosídico se produce entre el carbono 1 de una glucosa y el carbono 4 de la otra y es de tipo α (α1-4) (Fig. 3-5). Fig. 3-5. Estructura química de la maltosa Como se puede observar el oxidrilo hemiacetálico de la segunda glucosa queda libre, por lo tanto este disacárido posee poder reductor. 38
Lactosa Este disacárido es el principal carbohidrato de la leche, está constituido por la unión de una galactosa y una glucosa con un enlace glicosídico β (β1-4) (Fig. 3-6). Fig. 3-6. Estructura química de la lactosa. Debido a que la glucosa presenta su oxidrilo hemiacetálico libre, la lactosa posee poder reductor. Sacarosa Es uno de los azúcares más abundantes en la caña de azúcar y la remolacha azucarera. Los monosacáridos constituyentes de esta molécula son la fructosa y la glucosa, con un enlace glicosídico de tipo β2α1 (Fig.3-7). Fig. 3-7. Estructura química de la sacarosa Como se puede observar el enlace glicosídico se produce entre el carbono 2 de la fructosa y el carbono 1 de la glucosa, es decir que en el enlace se encuentran comprometidos los dos oxidrilos hemiacetálicos, esto hace que la sacarosa no tenga poder reductor. Por esto y por tratarse de una molécula relativamente pequeña, la sacarosa cumple una función muy importante en los vegetales, representa la forma en que se transportan los esqueletos carbonados en las plantas. 39
Polisacáridos Están constituidos por la unión de muchas unidades de monosacáridos a través de enlaces glicosídicos. Los monosacáridos pueden ser de un solo tipo, recibiendo el nombre de homopolisacáridos, o diferentes, denominándose heteropolisacáridos. Entre los homopolisacáridos se pueden mencionar: el almidón, el glucógeno y la celulosa, todos constituidos por moléculas de glucosa; la quitina, esta molécula está formada por N-acetil-glucosamina. Como ejemplo de heteropolisacáridos se tiene el ácido hialurónico, cuya unidad estructural es un disacárido constituido por el ácido glucurónico y la N-acetil-glucosamina. Este polisacárido forma el líquido sinovial que se encuentra en aquellas partes del cuerpo animal sometidas a frecuentes fricciones, como son las articulaciones. Otro heteropolisacárido es la goma guar, que es un galactomanano (manosa 1-4 + galactosa 1-6) obtenido desde la semilla de una leguminosa cultivada en Pakistán y la India y que se utiliza como aditivo alimentario. En forma general, se puede decir que los polisacáridos no poseen poder reductor, ya que al presentar solamente el oxidrilo del último monosacárido libre en una cadena de gran longitud, dicha capacidad reductora no se puede manifestar. Almidón Este homopolisacárido está constituido por dos fracciones, la amilosa y la amilopectina. El monosacárido constituyente de ambos es la glucosa. La amilosa es una larga cadena lineal de glucosas unidas por enlaces glicosídicos α1-4. Este tipo de enlace le permite a la molécula adoptar una disposición helicoidal en el espacio estabilizada por uniones puente hidrógeno. Esta estructura crea un ambiente interno hidrofóbico en la que los oxidrilos están ubicados hacia el exterior de la hélice. El reactivo de Lugol (I-IK) se utiliza para determinar la presencia de almidón, ya que el iodo, al ser una molécula pequeña y apolar, puede disponerse en el interior de la hélice de amilosa, formando un complejo iodo-amilosa de color azul (Fig. 3-8). Fig. 3-8. Formación del complejo Iodo-amilosa 40
La amilopectina es una cadena lineal de glucosas unidas por enlaces glicosídicos α (α1-4), pero se diferencia de la amilosa debido a que cada siete moléculas de glucosa aproximadamente, presenta una larga ramificación unida por un enlace glicosídico α1-6, y estas ramificaciones, a su vez, pueden volver a dividirse (Fig. 3-9 y 3-10). El almidón desempeña el papel de reserva de carbohidratos en los vegetales. α Fig. 3-9 estructura del almidón. a) b) Fig 3-10. Esquema de a) amilopectina y b) amilosa Dextrinas Son parte del producto de la hidrólisis parcial del almidón por acción de enzimas amilolíticas o de ácidos. La β-amilasa hidroliza enlaces glicosídicos α 1-4 a partir del extremo no reductor de la cadena, dando como producto final maltosa. Esta enzima no rompe los enlaces α 1-6, por lo que la actividad de la β-amilasa se detendrá en el momento en que alcance los puntos de ramificación de la amilopectina, quedando de esta 41
manera un grupo de glucosas no hidrolizadas que recibe el nombre de dextrina límite (Fig. 3-11). Fig. 3-11 estructura de las dextrinas Glucógeno Es un polímero de glucosas que presenta una estructura muy ramificada. La cadena lineal de glucosas está unida por enlaces glicosídicos α 1-4 y en los puntos de ramificación se encuentran enlaces glicosídicos α 1-6. Mientras que en la amilopectina las ramificaciones se presentan cada 7 glucosas, en el glucógeno se producen cada 4 glucosas, haciendo que la molécula de glucógeno sea mucho más ramificada que la de amilopectina (Fig. 3-12). La función biológica del glucógeno es constituir el polisacárido de reserva en los animales. Fig. 3-12 Estructura del glucógeno Celulosa Es un polímero lineal de glucosas unidas por enlaces glicosídicos β 1-4 (Fig. 3-13). Debido a la geometría de este enlace la molécula de celulosa adopta una disposición lineal en el espacio y no tiene posibilidad de formar una estructura helicoidal. Esto tiene gran importancia porque las moléculas de celulosa se pueden unir entre sí por medio de uniones puente hidrógeno, permitiendo de esa manera la formación de fibrillas, esta disposición hace de la celulosa una molécula muy hidrofóbica. Los animales superiores no poseen enzimas capaces de hidrolizar enlaces β 1-4, por lo que la celulosa no puede ser utilizada como alimento por los animales monogástricos. 42
En cambio, los rumiantes (caprinos, ovinos y bovinos), presentan bacterias en el rumen que tienen capacidad de secretar celulasa: enzima responsable de hidrolizar los enlaces β de la celulosa. Este mecanismo simbiótico por el que la enzima degrada la celulosa, da lugar a la formación de ácidos grasos volátiles (AGV) como el acético, el propiónico y el butírico que podrán ser utilizados para la alimentación del animal. La función de la celulosa es estructural, ya que es el principal carbohidrato constituyente de la pared celular de los vegetales. Es la encargada de dar forma y protección a la célula. Fig. 3-13 Estructura de la celulosa Metabolismo de hidratos de carbono El metabolismo de los hidratos de carbono es una de las principales rutas del metabolismo celular. Entre los azúcares utilizados como fuente de energía para la célula, destaca uno principalmente, la glucosa que, como ya se ha visto en el capítulo 2, es la base de muchos polisacáridos. Las principales rutas metabólicas que se van a estudiar están relacionadas estrechamente con la producción de energía y de poder reductor, ya que la energía que se utiliza normalmente procede principalmente del metabolismo de los azúcares, sobre todo de la glucosa. Las rutas relacionadas con el glucógeno, polisacárido de reserva energética a corto plazo en los animales. Es de gran importancia para mantener un correcto estatus energético en el organismo, especialmente en músculo e hígado. La glucogenólisis comprende las reacciones de degradación, mientras que la glucogenogénesis incluye las vías de síntesis a partir de la glucosa. Las rutas relacionadas con los monosacáridos. Entre ellas la principal ruta catabólica es la glucólisis, ruta degradativa de la glucosa que sirve para obtener energía de esta molécula y también de otras hexosas y monosacáridos. La gluconeogénesis es la principal ruta anabólica que sintetiza glucose a partir de intermediarios metabólicos. La ruta de las pentosas fosfato es la principal fuente de obtención de poder reductor en forma de NADPH, aunque también es de gran interés debido a que permite obtener una gran variedad de monosacáridos. Como intermediario metabólico, el piruvato juega un importante papel como vía de entrada en las rutas catabólicas de fermentaciones (láctica y alcohólica) y la 43
descarboxilación oxidativa del piruvato. También servirá de sustrato para la síntesis de glucosa. Glucolisis La glucólisis es la ruta degradativa de la glucosa, la principal molécula energética del organismo. La palabra glucólisis se origina en los vocablos gluco = glucosa y lisis = romper. Constituye una secuencia ordenada de reacciones catabólicas que transforman la glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico, con la producción concomitante de energía en forma de ATP. Es una vía universal, ya que se encuentra en todos los tipos de células existentes. Las reacciones que constituyen la glucólisis se encuentran localizadas en el citoplasma de la célula. La glucólisis tiene lugar en el citosol o citoplasma de la célula, tanto de células eucariotas como procariotas, si bien en células vegetales algunas de las reacciones glucolíticas se encuentran también en el ciclo de Calvin (fase de fijación del C 0 2 de la fotosíntesis) que ocurre en los cloroplastos. Clásicamente la glucólisis se divide en dos fases: la fase preparativa y la fase de beneficios o de rendimiento energético. La fase preparativa: implica la transformación y escisión de la glucosa en dos triosas fosfato, el gliceraldehído-3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato, entre las cuales existe un equilibrio. En esta fase se produce un gasto energético: dos moléculas de ATP por molécula de glucosa. La finalidad de esta fase es la de activar y preparar las moléculas de glucosa, para su posterior procesamiento. Las dos moléculas de ATP que se consumen durante esta fase son una inversión ya que esta fase crea los sustratos reales de la oxidación de una forma que se atrapan dentro de la célula La fase de beneficios o de rendimiento energético: implica la transformación de la molécula de gliceraldehído-3 -fosfato en piruvato, mediante una serie de reacciones que liberan energía. Se obtienen cuatro moléculas de ATP y dos de NADH + H + por molécula de glucosa, por lo que se libera más energía que la gastada en la fase preparatoria, lo que da una ganancia neta de 2 ATP y 2 NADH + H + por molécula de glucosa. La energía que se obtiene de la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato (G3P) la aprovecha la célula para desempeñar todo tipo de funciones celulares. Esta fase de rendimiento se produce dos veces por cada molécula de glucosa que se hidroliza, ya que en cada una de las vueltas se metaboliza una de las dos triosas fosfato en las que se escindió la glucosa. La glucólisis implica diez pasos enzimáticos (Fig. 10-14) Fase preparativa 1) Fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato: requiere el gasto de una molécula de ATP y, en las condiciones fisiológicas, es una reacción irreversible. Esta reacción está catalizada por la hexoquinasa, si bien en el hígado también la puede realizar la glucoquinasa. 2) Conversión de la glucosa-6-fosfato a fructosa-6-fosfato: es una reacción reversible catalizada por la fosfoglucosa-isomerasa. 3) Fosforilación de la fructosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bisfosfato: requiere el gasto de una segunda molécula de ATP y, en las condiciones fisiológicas, en una reacción irreversible. Está catalizada por la fosfofructoquinasa-1. 44
4) Escisión de la fructosa-1,6-bisfosfato en dos triosas fosfato: la dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído-3-fosfato: es una reacción reversible catalizada por la aldolasa. 5) Interconversión de las triosas fosfato: es un equilibrio catalizado por la enzima triosa fosfato isomerasa. Dicho equilibrio se encuentra desplazado hacia la formación de gliceraldehído-3-fosfato, puesto que es el compuesto que puede ser metabolizado en los siguientes pasos de la glucólisis, en la fase de beneficios. Fase de rendimiento energético 6) Oxidación del gliceraldehído-3-fosfato a 1,3-bisfosfoglicerato: en este paso se oxida el grupo aldehido hasta una forma ácido, lo cual permite obtener una molécula de NADH + H+, a la vez que se aprovecha para fijar un grupo fosfato, que permitirá en la siguiente reacción obtener energía en forma de un nucleótido trifosfato. Esta reacción es reversible y está catalizada por la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa. Constituye el primer paso de la fase de beneficios, paso que se repetirá posteriormente con la molécula de dihidroxiacetona que, por acción de la triosa fosfato isomerasa, se convertirá en una nueva molécula de gliceraldehído-3- fosfato. 7) Primera fosforilación a nivel de sustrato: en esta reacción se produce la síntesis de una molécula de ATP, gracias a la transferencia de un grupo fosfato desde el 1,3- bisfosfoglicerato hasta un ADP, liberando ATP y 3-fosfoglicerato. La enzima que cataliza es la fosfoglicerato quinasa, y la reacción es reversible. 8) Conversión del 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato: por medio de la fosfoglicerato mutasa, es una reacción reversible. 9) Deshidratación del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato: reacción reversible catalizada por la enolasa. Esta reacción permite la creación de un enlace fosfato de alta energía, que será aprovechado en el siguiente paso para obtener energía en forma de un nucleótido trifosfato. 10) Segunda fosforilación a nivel de sustrato: en esta reacción se produce la síntesis de una molécula de ATP, gracias a la transferencia de un grupo fosfato desde el fosfoenolpiruvato hasta un ADP, liberando ATP y piruvato, mediante la enzima piruvato quinasa. Esta reacción es irreversible en condiciones fisiológicas. 45
a) b) Fig 3-14 a) Fase preparativa de la glucolisis b) Fase de rendimiento energético de la glucolisis 46
Tabla 3.1. Enzimas que participan en las reacciones que constituyen la glucólisis. Reacción Enzima ATP Coenzimas Reducidas 1 Hexoquinasa -1 ATP 2 Fosfo-glucoisomerasa 3 fosfo-fructoquinasa -1 ATP 4 Aldolasa 5 Triosa fosfato isomerasa 6 gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa 2 x 1 NADH 7 fosfo-glicerato quinasa 2 x 1 ATP 8 fosfo-glicerato mutasa 9 Enolasa 10 Piruvato quinasa 2 x 1 ATP Balance de masa y energía de la glucólisis En cuanto al balance de masa se puede observar que partiendo de una glucosa, cuando se produce la reacción catalizada por la aldolasa se forman 2 compuestos de C3, por lo tanto se obtienen como producto final 2 moléculas de piruvato. Con respecto al balance de energía, por cada molécula de glucosa que ingresa a la glucólisis se consumen 2 moléculas de ATP y se forman 4, por lo que el balance final es la producción de 2 moléculas de ATP; también se producen 2 moléculas de NADH. Ecuación General: 47
Destinos del Piruvato El piruvato se puede obtener desde hidratos de carbonos, como vimos en la glucólisis, y desde otros metabolismos, como el de los aminoácidos. Ese piruvato puede seguir distintos caminos metabólicos de acuerdo a los requerimientos de la célula: a) Fermentación (Fig. 3.15-3.16). b) Gluconeogénesis. c) Síntesis de Acetil-CoA: i. para producir energía pasando por Ciclo de Krebs ii. para hacer síntesis de ácidos grasos. d) Síntesis de aminoácidos. Cuando la carga energética de la célula es baja y la presión de oxígeno también (condiciones anaeróbicas), el piruvato se desvía hacia procesos de fermentación cuya finalidad es regenerar NAD + para que pueda continuar la glucólisis, abasteciendo de NAD + la reacción catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, permitiendo que continúe la producción de ATP. Como consecuencia de la fermentación se obtienen algunos productos como etanol (fermentación alcohólica), ácido láctico (fermentación láctica), ácido acético (fermentación acética), ácido butírico, ácido propiónico, u otros productos de fermentación. O C O - CO 2 HC O NADH NAD+ H 2 C OH H C CH 3 O Piruvato descarboxilasa CH 3 Alcohol deshidrogenasa CH 3 Piruvato Fig. 3-15. Fermentación alcohólica Acetaldehido Etanol Esta es la fermentación que producen las levaduras y se usa para la obtención de vino, cerveza, sidra y bebidas alcohólicas similares, donde los hidratos de carbono son convertidos en alcohol por estos microorganismos. Figura 3.16. Fermentación láctica. 48
Este tipo de reacción ocurre en microorganismos y en el músculo esquelético de animales con baja oxigenación. En los animales, el lactato que se produce es transportado por vía sanguínea hasta el hígado, donde los hepatocitos regeneran piruvato por la misma reacción pero en sentido inverso. Gluconeogénesis Consiste en una serie de reacciones anabólicas por las cuales dos moléculas de piruvato se utilizan para sintetizar glucosa. La mayoría de las reacciones de la gluconeogénesis son reversión de las reacciones de la glucólisis, es decir, son catalizadas por la misma enzima en sentido contrario. Sin embargo hay 3 reacciones que son irreversibles. 1) De fosfoenolpiruvato a piruvato (Piruvato quinasa) 2) De fructosa-6-fosfato a fructosa-1-6-bifosfato (fosfofructo quinasa). 3) De glucosa a glucosa-6-fosfato (hexoquinasa). Algunas plantas poseen una enzima en sus cloroplastos, que cataliza la reacción inversa y les permite regresar de piruvato a fosfoenolpiruvato. Pero en los animales no existe esta enzima, y el piruvato sólo puede realizar el camino inverso ingresando a la matriz mitocondrial y carboxilándose a oxalacetato, en una reacción catalizada por la piruvato carboxilasa. Como la membrana mitocondrial interna no es permeable al oxalacetato, este compuesto tiene dos alternativas: 1) Formar fosfoenolpiruvato catalizado por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, o 2) Formar malato gracias a la acción del malato deshidrogenasa. Tanto el malato como el fosfoenolpiruvato pueden atravesar la membrana de la mitocondria por difusión facilitada. En el caso que la célula siga la alternativa 1, el fosfoenolpiruvato, una vez en el citoplasma, puede continuar el camino inverso de las reacciones reversibles de la glucolisis. En el caso que se realice la alternativa 2, el malato cuando sale al citoplasma forma oxalacetato, reacción catalizada por una malato deshidrogenasa citoplasmática, y este oxalacetato forma fosfoenolpiruvato, mediante una fosfoenolpiruvato carboxiquinasa citoplasmática. A partir de este fosfoenolpiruvato continúa la gluconeogénesis como una reversión de la glucólisis (Fig. 3-17). La reacción para obtener Fructosa-6-fosfato a partir de fructosa-1-6-bifosfato y glucosa a partir de glucosa-6-fosfato no son reversible respecto de la glucólisis, por lo tanto para que ocurran estas reacciones son necesarias enzimas diferentes, éstas son la fructosa-1-6-bifosfatasa y la glucosa-6-fosfatasa, respectivamente. Es decir si se compara glucólisis con gluconeogénesis, hay tres puntos que no son reversibles y se requieren ya sea de enzimas diferentes o de caminos metabólicos diferentes. Estos tres puntos de irreversibilidad son puntos muy importantes para la regulación de estas vías metabólicas, en donde participan muchas enzimas alostéricas. 49
Glucógeno UDP Glucosa-UDP UTP Glucosa-1-P ATP ADP Glucosa Glucosa-6-P Pi Fructosa-6-P Pi ATP ADP Fructosa-1,6-bis P NADH 1,3-bis fosfo-glicerato ADP ADP NADH ATP ATP 3-fosfoglicerato NAD+ NAD+ Gliceraldehido-3-P Dihidroxicetona 2-fosfoglicerato ADP Fosfo-enolpiruvato GDP CO 2 GTP Oxalacetato NADH ATP Piruvato NAD+ Malato NAD+ Malato GTP GDP Fosfo-enolpiruvato NADH ADP CO 2 ATP Oxalacetato Piruvato CO 2 Fig. 3-17. Glucólisis y gluconeogénesis. Reacciones reversible e irreversibles 50
Tabla 3-2. Cuadro comparativo entre glucólisis y gluconeogénesis Reacción entre Enzima de glucólisis Enzima de gluconeogénesis Glucosa yglucosa-6- fosfato Fructosa-6-fosfato yfructosa-1-6-fosfato Fosfoenelpiruvato ypiruvato hexoquinasa fosfofructoquinasa Piruvatoquinasa Glucosa-6-fosfatasa Fructosa-1-6-bifosfatasa Piruvato carboxilasa y fosfoenelpiruvato carboxiquinasa Balance de masa y energía de Gluconeogénesis Para formar una molécula de glucosa por gluconeogénesis, se necesitan dos moléculas de piruvato. En la reacción de gliceraldehído-3-fosfato + hidroxiacetona fosfato estas dos moléculas de 3 C se unen para formar 1 fructosa-1-6-bifosfato de 6 C. Ecuación general de gluconeogénesis: Formación del enlace glicosídico Para el caso de la formación del enlace glicosídico, es necesario que ocurra la activación previa de la Glucosa-6-P. Para ello la primera reacción que sufre la glucosa es una fosforilación catalizada por la glucoquinasa y/o hexoquinasa para formar glucosa-6-fosfato, reacción ya descrita en la glucólisis. La glucosa-6-fosfato en lugar de continuar hacia la vía glucolítica, se desvía a la síntesis de di, oligo o poli-sacaridos y se isomeriza a glucosa-1-fosfato, reacción catalizada por la fosfoglucomutasa (Fig. 3-18). Fig 3-18. Isomerización de la glucosa-6p a glucosa-1p Todo monosacárido para que pueda formar una unión glicosídica debe previamente activarse, y para ello se une a un nucleótido. En esa unión se encuentra la energía necesaria para que se produzca la unión glicosídica (Fig. 3-19). 51
Fig. 3-19- Activación de la glucosa El pirofosfato es rápidamente hidrolizado a fosfato por una pirofosfatasa, haciendo esta reacción irreversible. Interconversión de azucares Para la síntesis de glucógeno la glucosa se activa uniéndose a UTP para formar UDP-glucosa, mediante la uridina difosfato glucosa pirofosfatasa. Para la síntesis de almidón la glucosa se activa uniéndose a ATP para formar ADPglucosa, mediante la adenina difosfato glucosa pirofosfatasa. Para la síntesis de celulosa la glucosa se activa uniéndose a GTP para formar GDPglucosa, mediante la guanidina difosfato glucosa pirofosfatasa. Para la síntesis de sacarosa la glucosa se activa uniéndose a UTP para formar UDPglucosa, mediante la uridina difosfato glucosa pirofosfatasa. La razón por la cual la glucosa-1-p se activa con diferentes nucleótidos es para su identificación por parte de la enzima específica que participa en la síntesis de cada uno de los diferentes sacáridos. 52
Metabolismo del glucógeno Síntesis de glucógeno La síntesis de glucógeno o glucogenogénesis comprende reacciones que conducen a la síntesis de glucógeno a partir de moléculas de glucosa. Esta vía metabólica es exclusiva de células de organismos animales. El glucógeno es la reserva de glucosa que tienen los organismos animales. Este compuesto se sintetiza en el hígado que suele tener hasta un 5% de su peso en glucógeno y en el músculo donde significa hasta el 1% del peso del tejido muscular. Para la síntesis de glucógeno la glucosa se activa uniéndose a UTP para formar UDP-glucosa, mediante la uridina difosfato glucosa pirofosfatasa. Una vez que la glucosa está activada como UDP-glucosa, se une a un resto de glucógeno preexistente. Esta reacción es catalizada por la enzima glucógeno sintetasa, que es la responsable de formar la unión α 1-4 entre la nueva glucosa y el extremo no reductor del C4 de una glucosa terminal del glucógeno (Fig. 3-20). Fig. 3-20 Sintesis de glucógeno Las uniones glucosídicas α 1-6 presentes en las ramificaciones, son catalizadas por la enzima denominada ramificante o glucano transferasa. Esta enzima toma fragmentos de 6 glucosas o más y los une a una cadena vecina por una unión α 1-6. 53
Fig. 3-21. Formación de la ramificación en la molécula de glucógeno. En el caso que haya una ausencia total de glucógeno en la célula, existe una enzima iniciadora de glucógeno que utiliza una proteína como aceptor, donde se une una glucosa y luego se van uniendo las otras unidades de glucosa para ir formando la molécula de glucógeno por enlaces α 1-4. Sobre esta base, posteriormente continúa actuando la glucógeno sintetasa y la ramificante. Este tipo de síntesis que comienza sin una base preexistente de glucógeno se denomina síntesis de novo. Balance de energía En la síntesis de glucógeno por cada glucosa que se une al glucógeno se gasta un ATP para formar la glucosa-6-fosfato y un UTP para activar la glucosa como UDPglucosa. La ecuación general de la síntesis: Degradación del glucógeno o Glucogenólisis No es un proceso inverso a la glucogenogénesis, ya que las reacciones de síntesis son irreversibles, por lo tanto para la degradación se requieren enzimas diferentes. a) Fosforilasa: Inicia el proceso de degradación desde el extremo C4 no reductor formando glucosa-1-fosfato. El fosfato se obtiene del medio y no es necesario el gasto de ATP. b) Amilo-1-6-glucosidasa o enzima desramificante: hidroliza uniones α 1-6 dejando moléculas de glucosa libres. 54
Previo a la acción de la desramificante debe intervenir una enzima, oligo (α 1-4) glucano transferasa, que actúa cuando quedan cuatro residuos de glucosa previo a una ramificación, y pasa tres residuos finales de glucosa hacia otra ramificación dejando sólo la glucosa que está unida por la unión α 1-6. En ese momento es cuando por acción de la enzima desramificante se puede hidrolizar este enlace glicosídico y liberar esa glucosa. c) Fosfoglucomutasa: Esta enzima isomeriza la glucosa-1-fosfato a glucosa-6-fosfato, que puede seguir la vía de glucólisis o gluconeogénesis según las necesidades energéticas de la célula. Gluconeogénesis Glucólisis Vía de las pentosas fosfato Es una vía alternativa a la glucólisis, donde se pueden generar productos que son útiles para otras vías metabólicas como el NADPH que sirve para biosíntesis reductivas; la ribosa-5-fosfato que forma parte de nucleótidos que se usan para formar el ATP, ácidos nucleicos, coenzima A, coenzimas de óxido-reducción. Se dice que es una alternativa de la glucólisis porque la glucosa-6-fosfato, en determinadas condiciones celulares, en lugar de seguir el camino glicolítico se desvía y entra a la vía de las pentosas para sintetizar 6-fosfogluconato, reacción catalizada por la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, con la formación de una molécula de NADPH. Luego ocurre otra reacción de óxido reducción y se forma ribulosa-5-fosfato por descarboxilación del 6-fosfogluconato. Esta reacción es catalizada por la 6-fosfogluconato deshidrogenasa y aquí se forma otra molécula de NADPH. Glucosa-6-P NADP+ NADPH Fosfogluconato NADP+ NADPH CO 2 Ribulosa-5-P Fig. 7-10. Reacciones de fase oxidativa de la vía de las pentosas 55
Esta primera etapa de la vía de las pentosas son reacciones de óxido reducción, por ello se la denomina fase oxidativa de la vía de las pentosas. Por cada glucosa-6-p que ingresa a esta vía metabólica como producto se forman 2 moléculas de NADPH y una de pentosa a partir de una glucosa. Las reacciones que ocurren a continuación son de intreconversión entre monosacáridos de 3, 4, 5, 6 y 7 átomos de carbonos. Esta etapa se denomina fase no oxidativa de la vía de las pentosas y son reacciones reversibles. La ribulosa-5-fosfato se puede isomerizar a ribosa-5-fosfato, en un paso metabólico catalizado por la fosfopentosa isomerasa, o bien a xilulosa-5-fosfato en una reacción mediada por la fosfopentosa epimerasa. Las pentosas, por acción de las enzimas transaldolasa (transfiere de a 3 carbonos) y transcetolasa (transfiere de a 2 carbonos), se transforman en nuevos monosacáridos. Estas reacciones son reversibles. Xilulosa-5-P Ribosa-5-P Sedoheptulosa-7P Gliceraldehido-3-P Eritrosa-4-P Fructosa-6-P Gliceraldehido-3-P Fructosa-6-P Intermediarios y productos de la vía de las pentosas a) NADPH: Se obtiene en la fase oxidativa y sirve para síntesis reductivas como la síntesis de ácidos grasos. Por esta vía se aporta el 40% del NADPH que se necesita en dicha biosíntesis. b) Ribosa-5-P: Es un intermediario en la fase no oxidativa. Sirve para la producción de nucleótidos que se usan en la síntesis de ADN, ARN, ATP, coenzimas, etc. c) Eritrosa-4-P: Es un intermediario en la fase no oxidativa. Sirve como precursor en la vía del ácido siquímico para la biosíntesis de aminoácidos aromáticos. 56
Alternativas de la vía de las pentosas De acuerdo a los requerimientos celulares, las moléculas pueden seguir distintas alternativas metabólicas utilizando la vía de las pentosas. La concentración del NADP + es una de los principales factores que interviene en la regulación de esta vía. a) Cuando la célula requiere mayor cantidad de NADPH: Esta vía es estimulada por alta concentración de NADP+ y ocurre cuando es necesario NADPH para la síntesis de ácidos grasos. Abarca las fases oxidativa y no oxidativa completas y gluconeogénesis para regenerar glucosa-6-p para que pueda continuar en una especie de funcionamiento cíclico. Glucosa-6-P NADP+ NADPH Fosfogluconato NADP+ NADPH CO 2 Ribulosa-5-P Xilulosa-5-P Ribosa-5-P Sedoheptulosa-7P Gliceraldehido-3-P Eritrosa-4-P Fructosa-6-P Gliceraldehido-3-P Fructosa-6-P Fructosa-DP Ecuación: 57
b) Cuando la célula requiere NADPH y Ribosa-5-P: Comprende reacciones de la fase oxidativa y una reacción de la fase no oxidativa que termina cuando se forma ribosa. Glucosa-6-P NADP+ NADPH Fosfogluconato NADP+ NADPH CO 2 Ribulosa-5-P Ribosa-5-P Ecuación: c) Cuando la célula requiere mayor proporción de Ribosa-5-P: En este caso sólo ocurre la reversión de la fase no oxidativa. 58
d) Cuando la célula requiere NADPH y ATP: Comprende la fase oxidativa, la fase no oxidativa y los productos de esta última siguen el camino de la glucólisis, ciclo de Krebs y cadena respiratoria para poder producir energía. Glucosa-6-P NADP+ NADPH Fosfogluconato NADP+ NADPH CO 2 Ribulosa-5-P Piruvato ATP ADP Fosfoenol-piruvato Piruvato CoA CO 2 NAD+ NADH Acetil-CoA Xilulosa-5-P Ribosa-5-P Fosfoglicerato ATP 3NADH Ciclo de Krebs 2CO 2 GTP FADH 2 ADP Sedoheptulosa-7P Gliceraldehido-3-P DiP-Glicerato NADH NADH ATP NAD+ Eritrosa-4-P NAD+ Fructosa-6-P Gliceraldehido-3-P ATP ADP Cadena respiratoria O 2 H 2 O Gliceraldehido-3-P Fructosa-6-P Fructosa-DP FADH 2 ATP FAD 59