282 Bioquímica de Laguna

282 Bioquímica de Laguna

Embden-Meyerhof-Parnas. Otros investigadores, que tam-bién contribuyeron con datos importantes para esclarecer el proceso de fermentación, fueron Carl y Gerti Cori, Carl Neuberg y Otto Warburg.

Glucosa como sustrato En los vertebrados, incluido el ser humano, la glucosa es el carbohidrato más importante en la sangre; en contraste, en las plantas, la sacarosa constituye el 50% del azúcar de mayor uso; la celulosa es la molécula más abundante en la natu-raleza, y está formada de manera exclusiva por glucosa. Más aún, la vía catabólica de la glucosa es el principal proceso por el cual se canalizan numerosas sustancias y compues-tos que no son carbohidratos y de los que la célula extrae su energía. En este capítulo se analizan las secuencias me-tabólicas que son el corazón del metabolismo celular en general, y en particular la parte inicial de la oxidación completa de la glucosa hasta CO2 y H2O, en un proceso altamente exergónico con un ΔG°’ de –686 kcal/mol:

C6H12O6 + 6O2 6 CO2 + 6H2O

La respiración es dependiente de oxígeno, no así la fermentaciónLa glucosa como sustrato oxidable necesita disponer de algún tipo de aceptor de electrones, ya que en ausencia de éste no sucederá la oxidación. Por ejemplo, en la reacción anterior, el aceptor final de electrones es el oxígeno, cuyo requerimiento define las condiciones del proceso como aeróbicas. El catabolismo aeróbico de la célula, que inclu-ye la glucosa y otros sustratos, se llama en general respira-ción. En cambio, la degradación celular de compuestos para extraer su contenido de energía en ausencia de oxíge-no, es decir, en condiciones anaeróbicas, se conoce como metabolismo anaeróbico o fermentación y se identifica por el principal producto final de la vía. Por ejemplo, en el caso de la glucosa en el músculo, el producto final es el lactato, así que la vía recibe el nombre de fermentación láctica; en la levadura, el producto final es el alcohol, por lo que esta vía recibe el nombre de fermentación alcohó-lica. En estos procesos fermentativos se requiere un aceptor alternativo de electrones; de ordinario el propio producto final de la fermentación “constituye un aceptor de electro-nes reducido”, y se liberan cantidades pequeñas de ener-gía, parte de la cual se emplea para forma de ATP.

En el caso de la degradación celular de la glucosa en los mamíferos, en especial en su tejido muscular, puede distin-guirse una etapa anaeróbica inicial y otra posterior que suce-de en condiciones aeróbicas. La etapa anaeróbica corresponde a la glucólisis, mencionada al principio de este capítulo, y cuyo producto final es piruvato si hay oxígeno presente, o lactato en ausencia de éste (fermentación láctica). Si hay oxígeno disponible (condiciones aeróbicas), el piruvato es

canalizado a la mitocondria, donde es oxidado hasta CO2 y H2O, en el llamado ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs (figura 18-2). Si el músculo se mantiene en condiciones anaeróbicas y no hay suficiente oxígeno, el lacta-to formado pasa a la sangre para su uso por otros tejidos, y puede presentarse un cuadro denominado acidosis láctica.

Glucólisis La glucólisis fue la primera vía metabólica observa-da en un extracto libre de células, hallazgo de enor-me impacto a principios del siglo XX. Las primeras

pruebas de la unidad bioquímica en los seres vivos se ob-tuvieron al constatar la semejanza entre la glucólisis en el músculo y la fermentación en las levaduras. La glucólisis es, sin duda, una de las vías más antiguas del metabolismo energético, y ocurre en casi todas las células, tanto aero-bias como anaerobias. De hecho, la fase de oxidación de las triosas en la glucólisis, puede observarse en todos los organismos de manera universal (incluyendo bacterias, ar-chaeas y eucariontes). En los mamíferos se lleva a cabo en 10 pasos que se resumen en la figura 18-3.

La esencia del proceso es sugerida por su propio nom-bre, cuya etimología griega es glicos, que significa dulce, y lisis, que significa romper o degradar. Literal, glucólisis es el rompimiento de algo dulce, el azúcar con que se inicia la vía. La rotura a la que hace referencia el nombre ocurre en la reacción catalizada por la aldolasa (figura 18-3), punto en donde la molécula de seis átomos de carbono se “rompe” en dos fragmentos de tres átomos de carbono.

Fase 1: preparación y ruptura de las hexosas Cuando se observa la molécula de glucosa, se aprecia me-jor porqué la fosforilación ocurre en el carbono 6: el grupo hidroxilo de ese átomo puede reaccionar con un grupo fosfato para formar un fosfoéster; éste es, de hecho, el pri-mer paso que ocurre en la glucólisis y es catalizado por la hexocinasa (reacción GLU-1 de la figura 18-3), en donde el ATP proporciona tanto el grupo fosfato como la energía para la reacción de fosforilación, que es una reacción exergó-nica (ΔG°’ = -4.0 kcal/mol). Es importante señalar que la unión que se forma es un enlace éster, mientras que la del fos-fato terminal del ATP es una unión fosfoanhidro. La reac-ción es exergónica, puesto que la energía de enlace de la unión fosfoanhidro del ATP es mayor que la energía de enlace de la unión éster de la glucosa-6-fosfato; sin embar-go, la participación de la hexocinasa es indispensable para que la reacción pueda llevarse a cabo a la velocidad reque-rida por las células. Así, se acelera la reacción y toda la glucosa que entra a la célula es casi de inmediato conver-tida en su derivado fosforilado.

Además de activar la glucosa para su rotura posterior, la fosforilación asegura que la molécula de azúcar sea atra-pada de manera efectiva dentro de la célula una vez que

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Bioquímica de Laguna y Piña (8a. ed.), edited by Montes, Federico Martínez, et al., Editorial El Manual Moderno, 2018. ProQuest Ebook Central, http://ebookcentral.proquest.com/lib/buufsc-ebooks/detail.action?docID=5635070.Created from buufsc-ebooks on 2020-11-24 16:05:24.

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Metabolismo de los carbohidratos 283

entra, debido a que el grupo fosfato, altamente polar, evita que la molécula de azúcar pueda regresar a través de la membrana plasmática.

Una rápida revisión de la glucólisis confirma que los intermediarios entre la glucosa (que entra a la célula atrave-sando la membrana plasmática) y el piruvato (compuesto que en los organismos aerobios debe atravesar la membrana mitocondrial para su catabolismo posterior) se encuentran en forma fosforilada.

La siguiente reacción de la vía implica la conversión de la glucosa-6-fosfato (aldohexosa) en una cetohexosa, la fruc-tosa 6-fosfato, reacción catalizada por la fosfoglucoisome-rasa (reacción GLU-2), que deja libre el grupo hidroxilo del carbono 1 para que pueda ser fosforilado, de la misma manera en que se describió la reacción para el caso anterior; esto genera un azúcar bisfosforilado, la fructosa 1,6-bisfos-fato, en una reacción catalizada por la enzima fosfofructo-cinasa I, la principal enzima reguladora de la vía como se verá más adelante (reacción GLU-3). La diferencia de ener-gía entre el anhídrido del ATP y la unión fosfoéster del carbono 1 produce una reacción muy exergónica e irrever-sible en la dirección glucolítica (ΔG°’ = – 3.4 kcal/mol).

En seguida, se produce la rotura de la bisfosfohexosa, reacción catalizada por la aldolasa (reacción GLU-4), y que le da nombre a la vía metabólica. Esta reacción rever-sible da como resultado dos azúcares de tres átomos de carbono, el fosfato de dihidroxiacetona y el gliceraldehído 3-fosfato.

Las dos triosas que se forman en el paso anterior, cata-lizado por la aldolasa, comparten la misma relación mutua, como lo hacen la glucosa-6-fosfato y la fructosa 6-fosfato; por ello, no es sorprendente que el fosfato de dihidroxia-cetona y el gliceraldehído 3-fosfato se interconviertan con facilidad, como se señala en la reacción catalizada por la triosa fosfato isomerasa (reacción GLU-5). Debido a que el gliceraldehído 3-fosfato es el único compuesto real oxi-dable en las siguientes fases de la glucólisis, la interconversión de estas dos triosas permite que el fosfato de dihidroxiace-tona sea catabolizado por su interconversión a gliceralde-hído 3-fosfato. Así, la primera fase de la glucólisis puede resumirse de la siguiente forma:

Glucosa + 2 ATP → 2 gliceraldehído 3-fosfato + 2 ADP

Nótese que en esta fase de preparación la célula, en lugar de obtener energía, consume ATP.

Figura 18-2. Esquema de la conexión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. En la parte superior se muestra el resumen de la glucólisis, la cual puede producir dos intermediarios: el piruvato o el lactato, según las condiciones ambientales en las que se encuentre la célula. En la porción inferior se muestra cómo se conecta la glucólisis (metabolismo anaeróbico) con el ciclo de Krebs (metabolismo aeróbico) a través del cetoácido de tres átomos de carbono, el piruvato.


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Fase 2: oxidación de las triosas acoplada a la síntesis de ATP La oxidación del gliceraldehído 3-fosfato es catalizada por la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa (reacción GLU-6), y es la única reacción de la vía en que ocurre la oxidación de una molécula en condiciones anaeróbicas, con la liberación de suficiente energía para formar una molécula de ATP. Este descubrimiento, realizado por Otto Heinrich Warburg et al., en 1938-1939, puede considerar-se uno de los más importantes en la bioquímica, ya que fue el primer informe de una reacción en que se demostró que la energía que se libera por la oxidación de una molécula orgánica se encuentra acoplada a la síntesis de ATP (reac-ción descrita a continuación como fosforilación a nivel de sustrato). Además, la reacción catalizada por la gliceraldehí-do 3-fosfato deshidrogenasa (reacción GLU-6) tiene im-portancia porque el aceptor de electrones es la coenzima NAD+, que se convierte en NADH; éste, si se mantiene la anaerobiosis, es utilizado por la lactato deshidrogenasa para reducir el piruvato y regenerar el NAD+ con objeto de mantener en marcha la glucólisis al proveerla de un flujo continuo de NAD+. En presencia de oxígeno, el piru-vato sigue otro camino y no se efectúa la reducción del piruvato (reacción 11), por lo que el NADH formado en la glucólisis se convierte en NAD+ mediante un sistema de lanzaderas que transfieren los electrones a la cadena respiratoria mitocondrial (las cuales se revisarán más ade-lante en este capítulo).

El análisis del mecanismo de oxidación del gliceralde-hído 3-fosfato es la clave para entender los aspectos esen-ciales del metabolismo energético de la célula y es un excelente ejemplo para comprender cómo se asocian los procesos oxidativos a la síntesis de ATP. Esta reacción es una de las mejor comprendidas, de manera que cada paso puede explicarse con apoyo en principios sencillos de la química. Para la conservación de energía es básica la reacción de acoplamiento del paso oxidativo que ocurre dentro de la enzima gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa (reacción GLU-6), con la formación de una unión fosfoanhidro en el carbono 1. Se produce 1,3-bisfosfoglicerato, molécula que

Figura 18-3. Esquema en el que se muestran las reacciones de la glucólisis. Cada paso metabólico que ocurre, hasta llevar a la mo-lécula de glucosa a lactato, se señala en la figura como GLU y un dígito; (para explicación del mismo véase el texto). Esta vía meta-bólica ocurre en dos etapas; la primera va de GLU-1 a GLU-5, pa-sos en los que ocurre la ruptura de la molécula de glucosa en dos compuestos de tres átomos de carbono o triosas. En esta fase se consume energía en forma de dos moléculas de ATP (inversión energética). La segunda fase de esta vía produce cuatro moléculas de ATP (rendimiento energético).


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permitirá la síntesis de un ATP en la siguiente reacción catalizada por la fosfoglicerato cinasa (reacción GLU-7), debido a la transferencia directa de un fosfato de alta ener-gía al ADP.

El mecanismo de reacción de la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, la enzima que cataliza la reacción GLU-6, se muestra en la figura 18-4. Esta enzima es una proteína tetramérica con un sitio catalítico en cada una de las subu-nidades, idénticas entre sí. En el sitio activo hay una cisteí-na, aminoácido clave para el mecanismo de reacción, ya que el grupo sulfhidrilo reacciona con el sustrato, y se si-túa adyacente al sitio de fijación de una coenzima fuerte unida, el NAD+. Desde el punto de vista energético, el aspecto esencial de la secuencia de reacciones catalizada por esta enzima es que una reacción desde el punto de vista termodinámico desfavorable, como es la formación de un anhídrido entre el ácido carboxílico y el fosfato in-orgánico, es impulsada por una reacción termodinámica favorable, como lo es la oxidación de un aldehído. Las dos reacciones son acopladas por un intermediario tioéster, com-puesto que retiene mucha de la energía libre de la reacción oxidativa, que de otra manera sería liberada como calor. Así, la unión anhidro de alta energía se utiliza para formar el ATP de la siguiente reacción (GLU-7), catalizada por la fosfoglicerocinasa (figura 18-3).

La producción directa de ATP, a partir de un compuesto fosforilado como el 1,3-bisfosfoglicerato, es también una fosforilación a nivel de sustrato. Si se toman en cuenta las dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato que se produ-cen en la primera fase de la glucólisis, a partir de cada molécula de glucosa resulta la siguiente estequiometría:

2 gliceraldehído 3-P + 2 NAD+ + 2 ADP

2 3-fosfoglicerato + 2 NADH + 2H+ + 2 ATP

Como se concluye en la ecuación, por cada molécula de glu-cosa que entra a esta vía metabólica se producen dos mo-léculas de 3-fosfoglicerato, dos moléculas de NADH, 2 H+ y dos moléculas de ATP, estas últimas necesarias para la activación inicial de la molécula de glucosa en la fase de preparación (reacciones GLU-1 y GLU-3), las cuales se recuperan en la reacción catalizada por la fosfoglicerato cinasa (reacción GLU-7), de modo que el rendimiento neto de ATP hasta este punto es de 0.

Hasta aquí se han revisado 7 de las 10 reacciones de la glucólisis que convierten una molécula de glucosa en dos moléculas de 3-fosfoglicerato, pero hasta esta etapa no se ha obtenido un rendimiento neto o ganancia de energía en forma de ATP, lo que sí ocurre en la fase final de la vía.

Figura 18-4. Mecanismo de reacción de la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa. En el primer paso el sustrato (gliceraldehído 3-fosfato) reacciona con el grupo tiol del sitio catalítico de la enzima para formar un tiohemiacetal; en un segundo paso el tiohemiacetal se oxida para convertirse en un tioéster y reducir el NAD+ unido a la enzima; en el paso 3, un NAD+ externo entra a la enzima y se lleva los elec-trones en forma de NADH; en el último paso un fosfato entra a la enzima para romper el intermediario tioéster de alta energía, liberar el 1,3-bisfosfoglicerato y dejar libre el grupo tiol, que queda listo para iniciar un segundo ciclo de reacciones.

H

H2C

O

C

HC OH

H2C

O

C

HC OH

HO P

1

2

3

S-enzima-NAD

H2C

O

O NADHP

C

HC OH

+

HS-enzima-NAD+

NAD+

H +

S-enzima-NADH

H2C

O

O P

C

HC OH

S-enzima-NAD

H2C O P

C

HC OH

HHO


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SíntesisdepiruvatoyproduccióndeATPLa producción de otra molécula de ATP a partir del 3-fosfo-glicerato depende del grupo fosfato del carbono 3, que en este punto se encuentra ligado como unión fosfoéster con bajo contenido de energía de hidrólisis (ΔG°’ = –3.3 kcal/mol). En esta última fase de la glucólisis, la unión éster se convier-te en una unión fosfoenol de alta energía, por medio de un rearreglo interno de la molécula. Para ello, el grupo fosfato del carbono 3 es llevado al carbono 2 por la fosfoglicerato mutasa (reacción GLU-8), seguido de la eliminación de una molécula de agua del 2-fosfoglicerato por la enolasa (reacción GLU-9), con lo que se produce fosfoenolpiruvato (PEP). Si se observa la molécula de PEP, se notará que al contrario de las uniones fosfoéster, ya sea del 2-fosfoglicerato o del 3-fosfoglicerato, la unión fosfoenol presenta lo que puede señalarse como su característica de unión de alta energía, es decir, un grupo fosfato adyacente a un doble enlace; de hecho, el PEP contiene uno de los enlaces de transferencia de fosfato de más alta energía conocidos en los sistemas biológicos, con un ΔG°’ de hidrólisis de –14.8 kcal/mol.

Para entender por qué el PEP es un compuesto con tal nivel de energía, debe señalarse que el piruvato puede existir en dos formas: la enol y la ceto. El equilibrio químico fa-vorece la forma ceto, lo que significa que es más estable. El PEP que se genera en la reacción catalizada por la enolasa (reacción GLU-9) no se convierte a la forma ceto, ya que cuando sale la molécula de agua del 2-fosfoglicerato, el piruvato es bloqueado en la forma enol por el fosfato del carbono 2, que evita la transición (el término químico apro-piado es tautomerización) a la forma ceto más estable. El PEP es entonces un compuesto de muy alta energía, ya que además de la energía usual, liberada por la rotura del enlace P-O del fosfato, existe también la energía que se libera por la tautomerización de la forma enol a la forma ceto del piruvato. Así, la piruvato cinasa, última enzima de la glucólisis, es capaz de transferir un grupo fosfato desde el PEP al ADP para generar ATP (reacción GLU-10).

Para resumir esta última etapa de la glucólisis puede escribirse la reacción total, de nuevo tomando la estequio-metria de las dos moléculas de tres átomos de carbono derivados de la glucosa:

2-fosfoglicerato + 2 ADP

2 pi

2

ruvato + 2 H2O + 2 ATP

Resumen de la glucólisis Debido a que el ATP utilizado al principio de las reacciones catalizadas por la hexocinasa y fosfofructocinasa (GLU-1 y GLU-3) se recupera en la primera fosforilación (GLU-7), las dos moléculas de ATP formadas por moléculas de glucosa en la segunda fosforilación (GLU-10) representan la ganan-cia neta de la vía glucolítica. Esta ganancia se hace clara al sumar las 10 reacciones que ocurren desde la glucosa hasta el piruvato, que resumen las dos fases de la glucólisis:

Glucosa + 2 NAD + 2 ADP + 2 Pi

2 piruvato + 2 NADH + 2H+ + 2 ATP + 2 H2O

Formación de lactato La etapa final de la glucólisis anaeróbica muscular tiene como producto final característico un com-puesto orgánico de tres átomos de carbono, el lac-

tato, el cual se produce en un proceso de reducción donde los electrones del NADH son transferidos de forma direc-ta al grupo carbonilo del piruvato, con el concurso de la enzima lactato deshidrogenasa, que cataliza la reacción (GLU-11). En los mamíferos, lactato deshidrogenasa es una enzima tetramérica, con varias isoenzimas; las subuni-dades que la forman son de dos tipos: M (presente en músculo estriado) y H (presente en músculo cardiaco). Las isoenzimas M del musculo estriado son muy activas y no son inhibidas por piruvato, por lo que la fermentación láctica puede ser muy activa en este tejido; en el corazón, en cambio, las isoenzimas H son poco activas y son inhibi-das por el piruvato, lo que se correlaciona con el hecho de que el sustrato preferencial en el corazón no son los carbo-hidratos. La secuencia de reacciones glucolíticas, a partir de una molécula de glucosa, da lugar a dos moléculas de NADH (reacción GLU-6) y dos moléculas de piruvato (reacción GLU-10), cuya reacción en presencia de la des-hidrogenasa láctica es la siguiente:

2 piruvato + 2 NADH + 2H+

2 lactato + 2 NAD+

La suma de las dos últimas reacciones anotadas muestra el resumen de las 11 reacciones (figura 18-3) que compren-den desde la glucólisis hasta la fermentación láctica:

Glucosa + 2 ADP + Pi2 lactato + 2 ATP + 2 H2O

Este proceso fermentativo es la principal vía metabólica para la producción de ATP en numerosas bacterias y en algunas células animales que funcionan en condiciones anaeróbicas o parcialmente anaeróbicas.

Por otro lado, la fermentación láctica es muy impor-tante desde el punto de vista comercial, ya que algunas de las bacterias que realizan este proceso metabólico se utili-zan en la producción de quesos, yogurts y otros alimentos obtenidos de la fermentación de la lactosa de la leche. En el caso del tejido muscular, el lactato producido es aca-rreado por el sistema circulatorio al hígado, donde inter-viene en el proceso de gluconeogénesis, que es la síntesis de glucosa a partir de precursores que no son carbohidra-tos, por ejemplo, el lactato; la vía se describe a continua-ción en este capítulo. La glucosa producida a partir del lactato puede salir del hepatocito hacia la circulación san-

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guínea como fuente de material oxidable para otros teji-dos, con lo que se establece el llamado ciclo de Cori (figura 18-5).

FermentaciónalcohólicaÉsta es una vía alterna al proceso de fermentación láctica, se observa en las levaduras y algunas bacterias, y tiene enorme importancia comercial. El proceso se inicia con una molécula de glucosa y, a través de las 10 primeras reacciones de la glu-cólisis anaeróbica (figura 18-3), genera dos moléculas de piruvato y dos de NADH, de manera muy similar a como se describió para el tejido muscular. En este caso, el piruvato es descarboxilado para producir un compuesto de dos átomos de carbono, el acetaldehído, que se convierte en el aceptor de electrones. La reducción del acetaldehído produce etanol, alcohol del cual deriva el nombre del proceso. Las reaccio-nes que involucran la producción de etanol son dos: la descarboxilación del piruvato y la reducción posterior del acetaldehído; estas reacciones son catalizadas por dos en-zimas diferentes, la piruvato descarboxilasa y la alcohol deshidrogenasa. Añadiendo este proceso reductivo a la conversión de glucosa en dos moléculas de piruvato y dos moléculas de NADH se resume:

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi

2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O

La fermentación alcohólica tiene importancia económica, ya que es fundamental en los procesos de panificación, en la industria cervecera y en la vinícola. Para la industria del

pan, la generación de CO2 es el producto final importan-te; las células de levadura que se añaden a la masa de hari-na funcionan de manera anaeróbica, produciendo tanto CO2 como etanol. El CO2 queda atrapado en la masa, lo que origina el aumento de volumen característico; el eta-nol es eliminado por evaporación durante el proceso de cocción, y es el que contribuye a dar el aroma al pan hor-neado. En la industria cervecera, tanto el CO2 como el etanol son esenciales, ya que el etanol es el producto base de la cerveza y el CO2 la hace espumosa. En la industria del vino y sus derivados destilados, la cantidad de etanol formado es definitiva; además es esencial proteger el vino crudo (mosto) del aire, ya que los organismos participan-tes en la producción del vino, en presencia de oxígeno, continúan la oxidación del etanol y producen vinagre o ácido acético.

Otras opciones fermentativas A pesar de que el lactato y el etanol son los productos de fer-mentación de mayor importancia económica, no son las úni-cas vías fermentativas que tienen los microorganismos. Por ejemplo, la fermentación propiónica convierte el piruvato de manera reductiva en propionato (CH3-CH2- COO–), reacción importante en la producción del queso suizo. Muchas bacterias también son responsables de la fermen-tación del butilenglicol, cuyo producto final es el butirato (en parte responsable del olor de las grasas en la mante-quilla), la acetona y el isopropanol. Todas las posibilidades de fermentación señaladas son sólo variaciones del tema común: la reoxidación del NADH por medio de la trans-ferencia de sus electrones a un aceptor orgánico.

Figura 18-5. El esquema señala la relación del metabolismo de la glucosa y el lactato en el hígado y músculo. Este proceso metabólico en que participan estos dos tejidos distintos se conoce como ciclo de Cori; en él se maneja el lactato producido a partir de glucosa que se encuentra en forma de glucógeno en el músculo; este compuesto es vertido por este tejido a la circulación sanguínea. Al llegar al hí-gado se convierte en glucosa que pasa a la sangre para su utilización por otros tejidos, como el muscular.

olucsúModagíH

GlucogenólisisGluconeogénesis

Glucógeno

GlucosaGlucosaGlucosa

LactatoLactato Lactato

2 ATPGluconeogénesis Sangre

2 ADP + 2 Pi

Glucólisis

4 ADP +2 GDP + 6 Pi

4 ATP + 2 GTP


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Energética de la glucólisis Un aspecto esencial de cada proceso fermentativo es que no hay un aceptor externo de electrones involucrado en la reac-ción y que sólo ocurre una oxidación relativa de unas partes de la molécula, en comparación con otras. Esto se puede comprender mejor al revisar las reacciones que se presen-taron en la fermentación del lactato y del etanol. A pesar de que el NAD+ actúa como un aceptor de electrones en la vía, este compuesto se regenera de forma estequiomé-trica y, por lo tanto, no se incluye en la reacción final al elaborar el balance energético. Debido a que en la fermen-tación no sucede la oxidación completa de la glucosa, se trata de un proceso que libera cantidades limitadas de energía. En el caso de la fermentación láctica, por ejemplo, las dos moléculas de lactato que se producen a partir de cada mo-lécula de glucosa representan 639 de las 686 kcal de la energía libre presente en cada mol de glucosa, ya que la oxidación completa de una molécula de lactato tiene un ΔG°’ de –319.5 kcal/mol, lo cual significa que alrededor de 93% (2 × 319.5 × 100/686) de la energía libre original de la glucosa aún se encuentra contenida en las moléculas pro-ducto de la fermentación y, por lo tanto, sólo es capaz de proporcionar 7% (47 kcal/mol) de la energía libre potencial de la glucosa. ¿De dónde proviene esa energía? La oxida-ción de un aldehído a un carboxilo (la forma ácida) libera más energía de la que se requiere para reducir una cetona a un alcohol; en términos de la fermentación láctica, esto significa que la cantidad de energía liberada de la oxidación del gliceraldehído 3-fosfato a 3-fosfoglicerato (carboxilo) (reacciones GLU-6 y GLU-7, figura 18-4) es mayor que la ne-cesaria para reducir el piruvato a lactato (reacción GLU-11); esta diferencia en energía libre es la que permite la síntesis neta de ATP durante la fermentación. Explicado de otra manera, el sistema NAD+/NADH + H+ ocupa una posición intermedia, crítica en términos de la energética de las re-acciones de oxidorreducción, de la misma forma en que el par ADP/ATP lo es para las reacciones de transferencia de fosfato. Esto permite que el NAD+ acepte electrones del gliceraldehído 3-P (reacción GLU- 6) de manera exergóni-ca, mientras que sigue asegurando la transferencia subse-cuente de electrones del NADH al piruvato, reacción que también es exergónica. Los valores de ΔG°’ para ambas reacciones son de hecho –10.3 kcal/ mol para la oxidación del gliceraldehído 3-fosfato por el NAD+ y –6.0 kcal/mol para la reducción del piruvato por el NADH. Consideran-do las dos triosas que se obtienen de la glucosa, el proceso produce (–10.3 × 2 + [–6.0 × 2]) = –32.6 kcal/mol, que corresponde a alrededor de 70% del cambio total de ener-gía libre (–47 kcal/mol) que ocurre durante la fermenta-ción láctica.

Es interesante llamar la atención sobre el alto grado de eficiencia que los organismos anaerobios tienen para mane-jar y conservar una parte importante de las –47 kcal/ mol en forma de ATP. El rendimiento de ATP es de dos molécu-las de ATP por molécula de glucosa. Si se consideran los

cambios de energía libre estándar, estas dos moléculas de ATP representan –14.6 kcal/mol (7.3 por cada molécula de ATP), lo que significa una eficiencia aproximada de 31% (14.6 × 100/47). Este valor se compara de manera ventajosa con cualquier máquina hecha por el hombre, que, en las condiciones más favorables, alcanza una eficiencia máxima aproximada de 25%. Si se considera que, en las condiciones celulares, los valores de hidrólisis del ATP son más negativos que las –7.3 kcal/mol mencionadas, enton-ces se tiene que la eficiencia de la conservación de energía por la maquinaria celular a través de la glucólisis puede llegar hasta 50%.

Sustratos alternos para la glucólisis Hasta ahora se ha señalado a la glucosa como el sustrato inicial de la glucólisis. Si bien es cierto que la glucosa re-presenta el sustrato más importante para la fermentación y la respiración de un gran número de organismos y teji-dos, no quiere decir que sea el único, además de que para algunos tejidos, en ciertas circunstancias, tiene poco signi-ficado desde el punto de vista metabólico. Debido a esto, es válido preguntar cuáles son las principales moléculas alternativas para la glucólisis y cómo las maneja la célula. De inicio, se debe establecer un principio: sin importar la naturaleza química de los sustratos, éstos deben transformar-se con rapidez en una molécula que pueda ser incorporada a alguno de los intermediarios en la vía de la glucólisis. Para enfatizar este punto, más adelante en este capítulo se consi-deran dos clases de sustratos alternos diferentes, otros car-bohidratos simples y los carbohidratos de almacenamiento.

Regulación de la glucólisis Uno de los propósitos de la vía glucolítica es la produc-ción de ATP, lo que hace necesario que la vía sea continua y regulada de manera precisa para mantener en equilibrio el metabolismo energético celular. Esta regulación se rea-liza de dos maneras: controlando la velocidad de conver-sión de la glucosa en piruvato, y regulando la cantidad de glucógeno que es transformado en glucosa libre. Existen dentro de la glucolisis tres reacciones que pueden ser conside-radas como irreversibles dentro de las condiciones fisioló-gicas de las células, y que son catalizadas por la hexocinasa, la fosfofructocinasa I y la piruvato cinasa; estas tres enzimas constituyen también los principales sitios de regulación de la vía.

La principal reacción que controla el flujo de glucosa por la glucólisis es la reacción catalizada por la fosfofruc-tocinasa I, enzima alostérica que es inhibida (modulado-res negativos) por el ATP, los ácidos grasos y el citrato, este último intermediario del ciclo de Krebs, y activada (mo-duladores positivos) por AMP, ADP y fructosa 2,6-bisfos-fato, lo que da lugar a un punto en extremo sensible al estado de balance energético de la célula, definido como el cociente del par ATP/ADP. Cuando en la célula aumentan


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el ATP y el citrato, se inhibe la fosfofructocinasa I, y se acumulan fructosa 6-fosfato y glucosa-6-fosfato, con lo que disminuye la actividad de la vía glucolítica. Cuando aumenta la concentración de fructosa 2,6-bisfosfato, ADP o AMP, la enzima se reactiva, de lo que resulta en el aumento de la entrada de sustratos a la vía glucolítica, y el decre-mento la concentración de fructosa 6-fosfato y de glucosa-6-fosfato. La reacción en que participa la fosfofructocinasa I es la primera reacción particular a la vía glucolítica en la que los carbohidratos son introducidos de manera irrever-sible al proceso degradativo, ya que la glucosa-6-fosfato y la fructosa 6-fosfato son intermediarios comunes a otras vías metabólicas de la célula, de manera que los pasos GLU-1 y GLU-2 (figura 18-3) son reacciones generales que participan en una diversidad de vías metabólicas de interconversión de hexosas.

Un aspecto interesante de la regulación en la vía gluco-lítica es la doble función del ATP en la reacción de fosfo-rilación de la fructosa 6-fosfato (GLU-3). Por un lado, es un inhibidor alostérico de la enzima; por otro, es sustrato para la fosforilación de la fructosa 6-fosfato. Lo anterior es una aparente contradicción, ya que, al aumentar los nive-les de ATP, al mismo tiempo debería incrementarse la ve-locidad de la reacción catalizada por la enzima, e inhibirse la misma reacción debido al efecto del ATP como inhibi-dor alostérico. Esta situación es resuelta por la enzima, debido a que su sitio catalítico (sitio activo de la enzima) y el sitio efector (sitio alostérico) difieren mucho en sus afinidades por el ATP. El sitio activo tiene alta afinidad (baja Km) por el ATP, mientras que la afinidad por el ATP del sitio efector es baja. De esta manera, a bajas concentra-ciones de ATP, la unión del ATP ocurre con el sitio catalítico, pero no con el alostérico; con ello, la enzima permanece activa y funcional. A altas concentraciones de ATP, el nu-cleótido se une también al sitio alostérico, desactivando la enzima, lo que convierte este paso en el limitante de la vía glucolítica.

El efecto del nivel de ATP sobre la cinética de la fosfo-fructocinasa I se muestra en la figura 18-6. A bajas con-centraciones de ATP, la dependencia de la velocidad sobre la concentración de sustrato sigue la cinética clásica de Michaelis-Menten, pero a concentraciones altas de ATP, la curva de actividad enzimática es sigmoidea, lo que, como se expone en el capítulo 10, se reconoce como caracterís-tica distintiva de una enzima con regulación alostérica.

Además de su sensibilidad a ATP, ADP y AMP, la fosfo-fructocinasa I es inhibida de manera alostérica por el citrato y por los ácidos grasos. La sensibilidad al citrato propor-ciona una unión regulatoria de gran importancia entre la glucólisis y el ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos; de este ciclo, el ácido cítrico es el intermediario inicial. Este tipo de regulación asegura que los dos estadios de la respi-ración sean regulados de manera estrecha uno respecto al otro. Cuando la concentración de citrato aumenta por so-breproducción de acetil-CoA (sustrato alimentador del ciclo de Krebs y formado a partir de piruvato o de ácidos

grasos), se une a la fosfofructocinasa I inhibiéndola, con lo que asegura que la vía se acople a las necesidades celulares, reduciendo su velocidad. De modo semejante, cuando los ácidos grasos se encuentran accesibles para ser degradados y generar ATP a través del mecanismo metabólico de la β-oxidación, la inhibición de la glucólisis por los ácidos gra-sos permite que la vía se detenga, favoreciendo la utiliza-ción de éstos últimos para la formación de ATP.

El modulador alostérico positivo más potente de la fosfofructocinasa I, y con más influencia sobre la velo-cidad de flujo de monosacáridos a través de la glucó-

lisis, es la fructosa 2,6-bisfosfato, la cual revierte la inhibición producida por el ATP, aumenta la afinidad de la enzima por su sustrato y activa la glucólisis. Por consiguiente, el estudio de la poza de fructosa 2,6-bisfosfato es relevante. La fructosa 6-fosfato y el ATP, en presencia de la enzima fosfofructocinasa-2, forman la fructosa 2,6-bisfosfato, mien-tras que la fructosa bisfosfatasa-2 es la enzima que cataliza la conversión de la fructosa 2,6-bisfosfato en fructosa 6-fosfato (figura 18-7). Las reacciones enunciadas son de interés por varios hechos. La fosfofructocinasa-2 es esti-mulada por la fructosa 6-fosfato, y la fructosa bisfosfata-sa-2 es inhibida por la misma fructosa 6-fosfato; de ahí que un aumento en la poza celular de fructosa 6-fosfato, aparte de servir como sustrato de la glucólisis, asegura un aumento en la fructosa 2,6-bisfosfato, con lo que además se activa la glucólisis. Pero tal vez el dato más interesante es que la fosfofructocinasa- 2 y la fructosa bisfosfatasa-2 son la misma proteína con actividad opuesta. Además, si está fosforilada, tiene actividad de fosfatasa y degrada la fructosa 2,6-bisfosfato; pero, si está desfosforilada, mues-tra actividad de cinasa y sintetiza la fructosa 2,6-bisfosfa-to. El control del estado de fosforilación de la enzima bifuncional es hormonal, a través del glucagon. El decre-mento de la concentración de la glucosa en sangre estimu-la las células α de los islotes de Langerhans del páncreas

Figura 18-6. Gráfica que ilustra la actividad de la fosfofructocinasa en la reacción GLU-3. Como se puede observar, la cinética de la enzima es dependiente de la concentración de ATP en el medio. A baja concentración, la enzima muestra un comportamiento cinéti-co de tipo Michaelis-Menten, mientras que en presencia de con-centraciones altas de ATP, la actividad cinética de la enzima es de tipo sigmoideo.

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282 Bioquímica de Laguna

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