• Author / Uploaded
• José Fernando López Jiménez

• Categories
• Glucólisis
• Metabolismo
• Biomoléculas
• Bioquímica
• Procesos celulares

Citation preview

www.elsolucionario.net

SUMARIO GLUCÓUSIS Reacciones de la ruta glucolítica Destinos del piruvato RECUADRO DE INTERÉS ESPECIAL S.l

FERMENTACiÓN: UNA HERENCIA ANTIGUA Energética de la glucólisis Regulación de la glucólisis

GLUCONEOGÉNESIS Reacciones de la gluconeogénesis Sustratos de la gluconeogénesis Regulación de la gluconeogénesis RECUADRO DE INTERÉS ESPECIAL S.2

ESTA ES LA GLUCOSA DE SU CEREBRO

RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO METABOLISMO DE OTROS AZÚCARES IMPORTANTES Metabolismo de la fructosa Metabolismo de la galactosa Metabolismo de la manosa

METABOLISMO DEL GLUCÓGENO Glucogénesis Glucogenólisis

Productos de la fermentación. Los seres humanos utilizan determinados microorganismos para metabolizar los azucares en ausencia de oxigeno y producir queso, vino y pan.

Los hidratos de corbona desempeñan diversos funciones esenciales en los procesos metabólicos de los seres vivos. Se utilizan como fuentes de energia y como elementos estructurales en las células. El Capitulo 8 se centra en el papel de los hidratos de carbono en la producción de energia. Debido a que el monosacórido glucosa es una fuente de energia destacada en casi todas las células, se hace un mayor énfasis en su síntesis, degradación yalmacenamiento. También se considera la utilización de otros azúcares.

Regulación del metabolismo del glucógeno

234

..

www.elsolucionario.net Introducción

235

Las células se encuentran en un estado de actividad incesante. Para mantener su «vida» cada célula depende de reacciones bioquímicas complejas y muy coordinadas. En el Capítulo 8 se presentan varias rutas de reacción fundamentales en el metabolismo de los hidratos de carbono de los animales. Durante la glucólisis. una ruta antigua que se encuentra en casi todos los organismos, se captura una cantidad pequeña de energía al convertirse una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato. El glucógeno, una forma de almacenamiento de glucosa en los vertebrados, se sintetiza por glucogénesis cuando la concentración de glucosa es alta, y se degrada por glucogenólisis cuando el aporte de glucosa es pequeño. La glucosa puede también sintetizarse a partir de precursores distintos de los hidratos de carbono por medio de reacciones denominadas gluconeogénesis. La ruta de las pentosas fosfato permite a las células convertir la glucosa-6-fosfato, un derivado de la glucosa, en ribosa-S-fosfato (el azúcar que se utiliza para sintetizar los nucleótidos y los ácidos nucleicos) y otras clases de monosacáridos. También se produce en esta ruta NADPH, un agente reductor celular importante. En los Capítulos 9 y 13 se consideran otras rutas relacionadas. En el Capítulo 13 se describe lafotosíntesis, un proceso en el que se captura la energía de la luz para impulsar la síntesis de hidratos de carbono. En el Capítulo 9 se considera el ciclo del glioxilato. En el ciclo del glioxi/alo algunos organismos (principalmente los vegetales) fabrican hidratos de carbono a partir de ácidos grasos. La síntesis y utilización de la glucosa, el combustible principal de la mayoría de los organismos, son el centro de cualquier exposición sobre el metabolismo de los hidratos de carbono. En los vertebrados, la glucosa se transporta en la sangre por todo el cuerpo. Cuando las reservas de energía celular son bajas, la glucosa se degrada en la ruta glucolítica. Las moléculas de glucosa que no se requieren para producir energía de forma inmediata se almacenan en forma de glucógeno en el hígado y el músculo. Dependiendo de los requerimientos metabólicos de ]a céltlla, la glucosa también puede utilizarse para sintetizar, por ejemplo, otros monosacáridos, 8cidos grasos y determinados aminoácidos. Por esta razón, la glucólisis es un ejemplo de ruta anfibólica. (Las rutas anfibólicas operan como procesos anabólicos y catabólicos.) En la Figura 8.1 se resumen las principales rutas del metabolismo de los hidratos de carbono en los animales.

Glucógeno F" l aURA B -l GI""9'Oe," ( Principales rutas del metabolismo Pentosas Ruta de las de los hidratos de carbono. y otros pentosas fosfato ( azúcares En los animales, el exceso de glucosa se convierte por glucogénesis en su forma Gluconeogénesis de almacenamiento, el glucógeno. Cuando se necesita glucosa como fuente de energía o como molécula precursora en los procesos de biosíntesis, se degrada glucógeno por glucogenólisis. En algunas células la glucosa se convierte en ribosa-S-fosfato (un componente de los nuc\eótidos) y NADPH (un potente reductol) por la ruta de las pentosas fosfato. La glucosa se oxida por glucólisis, una ruta que genera energía. que la convierte en piruvato. En ausencia de oxígeno, el piruvato se cOnvieJ1e en lactato. Cuando se encuentra presente el oxígeno. el piruvato se degrada más para formar acetil-CoA. Pueden extraerse de la acetil-CoA por el ciclo del ácido cítrico y el sistema de transporte electrónico cantidades signi ficati vas de energía en forma ele ATP. Obsérvese que el metabolismo de los hidratos de carbono está ligado de forma compleja con el metabolismo de otros nutrientes. Por ejemplo. la acetil-CoA también se genera por la degradación de los ácidos grasos y determinados aminoácidos. Cuando la acetil-CoA se encuentra en exceso, una ruta diferente la convierte en ácidos grasos.

..

Glucogenólisis

) Glucosa

Determinados aminoácIdos

) Piruvato

~

ÁCIdos grasos Ciclo del ácido cítrico

!

Sistema de transporte electrónico

CO

+

H20

+

ATP

www.elsolucionario.net CAPÍTULO OCHO

236

Metabolismo de los hidratos de carbono

B.l . 13LUCÓLIBIB La glucólisis, un conjunto de reacciones que tienen lugar en todas las células, se cree que es de las rutas bioquímicas más antiguas. Tanto las enzimas como el número y mecanismos de los pasos de la ruta son muy semejantes en procariotas yeucariotas. Además, la glucólisis es un proceso anaerobio, que tuvo que surgir en la atmósfera con poco oxígeno de la TielTa pre-eucariota. En la glucólisis, que también se denomina ruta de Embdem-Meyerhof-Parnas, cada molécula de glucosa se divide y convierte en dos unidades de tres carbonos (piruvato). Durante este proceso se oxidan varios átomos de carbono. La pequeña cantidad de energía que se captura durante las reacciones glucolíticas (alrededor del S % de la total disponible) se almacena temporalmente en dos moléculas de ATP y dos de NADH. El destino ulterior del piruvato depende del organismo que se considere y de sus circunstancias metabólicas. En los organismos anaerobios (aquellos que no utilizan oxígeno para generar energía), el piruvato puede convertirse en productos de desecho. Entre los ejemplos se encuentran el etanol, el ácido láctico, el ácido acético y moléculas semejantes. Utilizando oxígeno como aceptor electrónico terminal, los organismos aerobios, como los animales y los vegetales, oxidan totalmente el piruvato para formar CO 2 y H 20 en un mecanismo complejo por pasos, conocido como respiración aerobia. La glucólisis, que consta de 10 reacciones, tiene lugar en dos fases: l.

2.

La glucosa se fosfori la dos veces y se fracciona para formar dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (G-3-P). Las dos moléculas de ATP que se consumen durante esta fase son una inversión, debido a que esta fase crea los sustratos reales de la oxidación de una forma que se atrapan dentro de la célula. El gliceraldehído-3-fosfato se convierte en piruvato. Se producen cuatro moléculas de ATP y dos de NADH. Debido a que se han consumido dos ATP en la fase 1, la producción neta de ATP por molécula de glucosa es 2.

La ruta glucolítica puede resumirse en la siguiente ecuación: D-Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+

--->

2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 W + 2 H 20

Reacciones de la ruta glucolítica En la Figura 8.2 se resume la glucólisis. Las 10 reacciones de la ruta glucolítica son las siguientes:

1. Síntesis de glucosa-6-fosfato. Inmediatamente tras entrar en una célula, la glucosa y otras moléculas de azúcar se fosforilan. La fosforilación impide el transporte de la glucosa fuera de la célula y aumenta la reacti vi dad del oxígeno en el éster fosfato resultante. Varias enzimas, denominadas hexoquinasas, catalizan la fosforilación de las hexosas en todas las células del organismo. El ATP, un cosustrato de la rcacción, está formando complejo con el Mg2+. (Los complejos ATP-Mg2+ son comunes en las reacciones catalizadas por quinasas). En las condiciones intracelulares la reacción es irreversible; es decir, la enzima no tiene capacidad para retener o acomodar el producto de la reacción en su lugar activo, con independencia de la concentración de G-6-P. O 11

HO~:' ~), OH

OH

OH Glucosa

-0-i-0~CH2 O +

ATP

HexoqUlnasa - . . . . ; - -.. ~~ Mg2>

0-

+

OH OH

OH OH

Glucosa-6-fosfato

ADP

www.elsolucionario.net 8.1. Glucólisis

ATP ADP

237

1

Glucosa-6-fosfato

¡ t

Fructosa-6-fosfato FASE 1

ATP ADP Fructosa-1 ,6-bisfosfato

Dihidroxiacetona fosfato

P,

Gliceraldehído-3-fosfato NAD '

H'

+

1i

P,

Gliceraldehído-3-fosfato NAD-

H"

+

Glicerato-1 ,3-bisfosfato ADP ATP

1f !f !f

Glicerato-1,3-bisfosfato ADP ATP

Glicerato-3-fosfato

Glicerato-3-'osfato

Glicerato-2-fosfato

Hp

ATP

1 Piruvato

FASE 2

Glicerato-2-fosfato

H20

Fosfoenolpiruvato ADP

1i !i !i !i t

Fosfoenolpiruvato ADP ATP

Piruvato

F'IGURA B - 2

Ruta glucolítica.

En la glucólisis cada molécula de glucosa se convierte en dos moléculas de piruvato. Además, se producen dos moléculas de ATP y dos de NADH. Las reacciones con flechas dobles son reacciones reversible y las que tienen una única flecha son reacciones irreversibles que sirven como puntos de control de la mta.

www.elsolucionario.net 238

CAPíTULO OCHO

Metabolismo de los hidratos de carbono

El hígado de los animales contiene cuatro hexoquinasas. Tres de estas enzimas, que se encuentran en concentraciones variables en otros tejidos del organismo, poseen afinidades elevadas por la glucosa con relación a su concentración en sangre (es decir, quedan semisaturadas a concentraciones inferiores a 0.1 mM, aunque las concentraciones de glucosa en sangre sean aproximadamente 4-5 mM). Además, estas enzimas se inhiben de la fosforilación de las moléculas de glucosa por la glucosa-6fosfato, el producto de la reacción. Cuando las concentraciones de glucosa en sangre son bajas, estas propiedades permiten a las células, como las del cerebro y el músculo, obtener suficiente glucosa. Cuando las concentraciones de glucosa en sangre son elevadas, las células no fosforilan más moléculas de glucosa que las que se requieren para sus necesidades inmediatas. La cuarta enzima, denominada hexoquinasa D (o glucoquinasa), cataliza la misma reacción pero posee propiedades cinéticas significativamente diferentes que permiten al hígado desviar la glucosa para su almacenamiento como glucógeno. Esta capacidad proporciona los recursos que se utilizan para mantener las concentraciones de glucosa en sangre, una función esencial del hígado. La gJucoquinasa requiere concentraciones de glucosa mucho mayores para su actividad óptima (alrededor de 10 mM), Y no se inhibe por la glucosa-6-fosfato. Por consiguiente, tras una comida con hidratos de carbono, el hígado no comienza a retirar cantidades grandes de glucosa de la sangre para la síntesis de glucógeno hasta que los otros tejidos hayan satisfecho sus requerimientos de esta molécula. Entre las comidas, cuando cae la glucosa sanguínea, otra enzima única de las células hepáticas (y del riñón en condiciones de inanición), denominada glucosa-6-fosfatasa (Sección 8.2), facilita la liberación a la sangre del azúcar movilizado a partir de los depósitos de glucógeno. 2. Conversión de la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato. Durante la reacción 2 de la glucólisis, la aldosa glucosa-6-fosfato se convierte en la cetosa fructosa6-fosfato por la fosfoglucosa isomerasa (PGI) en una reacción fácilmente reversible:

o O

11

-0-¡-0~CH2 O

11

Fosfoglucosa isomerasa

0-

-0-¡-0-C~H2 O CH 2-OH 0-

OH OH

OH OH

OH OH

OH

Glucosa-6-fosfato

Fructosa-6-fosfato

Recuerde que la reacción de isomerización de la glucosa y la fructosa comporta un intermediario enediol (Fig. 7.15). Esta transformación hace disponible para la fosforilación al C-1 de la fructosa producto. 3. Fosforilación de la fructosa-6-fosfato. La fosfofructoqu inasa-l (PFK -1) cata liza de forma irreversible la fosforilación de la fructosa-6-fosfato para formar fructosa-1,6-bisfosfato: O

O

O

11

1I

11

-0-¡-0-C~H2 O CH 2-OH 0-

+

OH OH OH Fructosa-6-fosfato

ATP

PFK_1 -0-¡-0-C~H2 O CH 2- O - ¡ - 0 _-I.~ 0OH 0+

ADP

OH

Mg2.

OH Fructosa-1,6-bisfosfato

La inversión de una segunda molécula de A TP tiene varios fines. En primer lugar, debido a que el ATP se utiliza como agente fosforilante, la reacción tiene lugar con un gran descenso de energía libre. Tras sintetizarse la fructosa-1,6-bisfosfato, la

www.elsolucionario.net 8.1. Glucólisis

239

célula queda comprometida para la glucól isis. Debido a que la fructosa-I ,6-bisfosfato se fracciona en dos triosas, otro fin de la fosforilación es evitar que cualquier producto posterior difunda fuera de la célula. La PFK-l es una enzima reguladora principal de la glucólisis. Su actividad se inhibe alostéricamente por concentraciones elevadas de ATP Y citrato, que son ind icadores de que la carga energética de la célula es elevada y de que el ciclo del ácido cítrico, un componente fundamental en la capacidad generadora de energía de la célula, se ha hecho más lenta. La concentración de AMP aumenta cuando la carga energética de la célula es baja y es un mejor factor de predicción de la deficiencia energética que la concentración de ADP. El AMP es un activador alostérico de la PFK-l. La fructosa-2,6-bisfosfato es un activador alostérico de la actividad PFK-l en el hígado y se sintetiza por la fosfofructoquinasa-2 (PFK-2) como respuesta a señales hormonales relacionadas con la concentración de glucosa en sangre. Cuando la concentración sérica de glucosa es elevada, el aumento de la fructosa-2,6-bisfosfato estimulado por las hormonas aumenta coordinadamente la actividad de la PFK1 (activa la glucólisis) y disminuye la actividad de la enzima que cataliza la reacción inversa, la fructosa-l ,6-bisfosfatasa (inhibe la gluconeogénesis, Sección 8.2). El AMP es un inhibidor alostérico de la fructosa-l,6-bisfosfatasa. La PFK-2 es una enzima bifuncional que se comporta como una fosfatasa cuando está fosforilada como respuesta a la hormona glucagón (concentración baja de azúcar en sangre) y actúa como una quinasa cuando está desfosforilada en respuesta a la hormona insulina (concentración elevada de azúcar en sangre).

AOP

ATP

PFK-2 Fructosa-6-fosfato

Fructosa-2,6-bisfosfato Fructosa-2,6 bisfosfatasa

H

PI

4. Escisión de la fructosa-l,6-bisfosfato. La fase 1 de la glucólisis finaliza con la escisión de la fructosa-l ,6-bisfosfato en dos moléculas de tres carbonos: gliceraldehído-3-fosfato (G-3-P) y dihidroxiacetona fosfato (DHAP). Esta reacción es una escisión aldólica, de ahí el nombre de la enzima: aldolasa. Las escisiones aldólicas son las inversas de las condensaciones aldólicas que se han descrito en la pág. 144. En las escisiones aldólicas los productos son un aldehído y uné} cetona.

o

O 6

11

11

.

11

- 0 - i - 0 - C QOH 2CH 2- O - i - 0 0-

OH

5

O

O

2

0-

Aldolasa

OH Fructosa-1,6-bisfosfato

CH - O - P - O 1

~

2

"C=O

1

1

0-

+

H - s i - OH

O 11

OH ~

. C-H

11 1

1

3

CH 2 -OH

¡¡

CH - O - P - O 2

1

0Dihidroxiacetona fosfato

Aunque la escisión de la fructosa-l ,6-bisfosfato es frecuentemente desfavorable (/':,.(jJ' = +23.8 kJ/mol), la reacción tiene lugar debido a que se eliminan rápidamente los productos. 5. Interconversión del gliceraldehído-3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato. De los dos productos de la reacción de la aldolasa, sólo el G-3-P se utiliza como sustrato de la reacción siguiente de la glucólisis. Para evitar la pérdida de la

Gliceraldehído-3-fosfato

www.elsolucionario.net Metabolismo de los hidratos de carbono

CAPíTU LO OC HO

240

glucólisis de la otra unidad de tres carbonos, la tri osa fosfato isomerasa catal iza la interconversión de la DHAP en G-3-P:

o 11

C-H

Toosa fosfato Isomerasa

1

H - C -OH

o

1

11

CH 2 -OH 1

..

C=O 1

11

CH - O - P - O -

CH - O - P - O 2

o

2

1

0-

1

0-

Gliceraldehído-3-fosfato

Dihidroxiacetona fosfato

Tras esta reacción, la molécula original de glucosa se ha convertido en dos moléculas de G-3-P. 6. Oxidación del gJiceraldehído-3-fosfato. Durante la reacción 6 de la glucólisis, el G-3-P se oxida y se fosforila. El producto, el glicerato-l ,3-bisfosfato, contiene un enlace de energía elevada que puede utilizarse en la reacción siguiente para generar ATP:

o

Gliceraldehído· 3· osfalo deshldrogonasa

1\

C-H

+

1

H-C-OH

+

NAD"

Pi

O

1

..

..

O

11

11

I

0-

C-O-P-O1

+

+

H-C-OH

H

O

I

11

11

CH - O - P - O -

CH - O - P - O 2

o

2

1

1

0-

0Gliceraldehído-3-fosfato

Glicerato-1,3-bisfosfato

Este complejo proceso está catalizado por la gliceraldebído-3-fosfato deshidrogenasa, un tetrámero formado por cuatro subunidades idénticas. Cada subunidad contiene un lugar de unión para el G-3-P y otro para el NAD+. Al formar la enzima un enlace covalente tioéster con el sustrato (Fig. 8.3), se transfiere al NAD+ un ion hidruro (H:-) en el lugar activo. El NADH deja entonces el lugar activo y se sustituye por el NAD+. El aducto acil enzima es atacado por el fosfato inorgánico y el producto abandona el lugar activo. 7. Transferencia del grupo fosforilo. En esta reacción se sintetiza ATP al catalizar la fosfoglicerato quinasa la transferencia de un grupo fosfori10 de energía elevada del glicerato-l ,3-bisfosfato al ADP:

o

o

11

11

o

c-o-p-oI H-C-OH

I

¿-

o \1

CH - O - P - O 2

1

0Glicerato-1,3-bisfosfato

Fosfoglicerato quinasa

+

AOP

..

11

C-O1

H-C-OH

O

1

1\

+

ATP

CH - O - P - O 2

\

0Glicerato-3-fosfato

La reacción 7 es un ejemplo de fosforilación a nivel del sustrato. Debido a que la síntesis de ATP es endergónica, requiere una fuente de energía. En las fosforilaciones a nivel del sustrato se produce el ATP debido a la transferencia de un grupo fosforilo desde un sustrato con un potencial elevado de transferencia de grupo fosforilo. Debido a que se forman dos moléculas de glicerato-l,3-bisfosfato por cada

www.elsolucionario.net 8.1. Glucól isis

O 11

H2 N-C

~'-':

JY I

~

•

L - - - B:

Gliceraldehido-3fosfato

2.

NAO'

~ H

.

H

S-H

241

,

H 1

•

- S-C-O-

H-C=O 1

1

H-C-OH 1

O

H-C-OH

11

H-C-O-P-O1

+B-H

1

H

1

11

H-C-O-P-O1

0-

O

H

1

0-

Glicerato-1,3bis fosfato

9 J

N

O

I

11.../ H N-C

3. NAOH

2

H

H

- - - -- SH

NAOH

B: H

I - - --

H

s-C=O 1

H-C-OH 1

NAO'

o

O

11

11

H-r-

OH

1

H-C-O-P-O1

H

1

0-

Glicerato-1,3-bisfosfasto

1

0-

H

b~

11

H-C-O-P-OH

C-O-P--O-

I

+

O

O •

I - - --

•

11

S-C=O -O-P-O.;

1

H-C-OH 1

1

O

OH

11

H-C-O-P-O1

H

1

0-

F"IBURA s - a Reacciones de la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa. En el primer paso, el sustrato, gliceraldehído-J-fosfato, entra en el lugar activo. Al catalizar la enzima la reacción del sustrato con un grupo sulfhidrilo dentro del lugar activo (Paso 2), el sustrato se oxida (Paso J). El NADH unido se reoxida por la transferencia de un ion hidruro a un NAD+ citoplásmico (Paso 4). El desplazamiento de la enzima por el fosfato inorgá nico (Paso S) Iibera el producto, glicerato-I ,3-bisfosfato, volviendo así la enzima a su forma original.

www.elsolucionario.net 242

CAPíTULO OCHO

lVIetabolismo de los hidratos de carbono

molécula de glucosa, esta reacción produce dos moléculas de A TP Y se recupera la inversión de energía del enlace fosfato. Cualquier síntesis posterior de ATP puede considerarse un rendimiento de esta inversión. 8. Interconversión del 3-fosfoglicerato y 2-fosfoglicerato. El glicerato-3fosfato tiene un potencial bajo de transferencia de grupo fosforilo. Como tal, es un mal candidato para una síntesis posterior de ATP. Las células convierten el glicerato-3-fosfato con su éster fosfato de baja energía en fosfoenolpiruvato (PEP), que posee un potencial de transferencia de grupo fosforilo excepcional mente elevado. (Las energías libres estándar de la hidrólisis del glicerato-3-fosfato y del PEP son -12.6 kJ/mol y -58.6 kJ/mol, respectivamente). En el primer paso de esta conversión (reacción 8), la fosfoglicerato mutasa cataliza la conversión de un compuesto fosforilado en C-3 en un compuesto fosforilado en C-2 a través de un ciclo de adición/eliminación en dos pasos.

o 11

c-o- o

o

I

Fosfogllcerato

11

mutasa

C-O-

o

11

H-C-O-P-O-

H-C-OH

0O

1

O 11

CH 2

11

c-o-

mulasa

..

1

1

Fosfoglicerato

1

I

CH - O - P - O 2

1

CH 2-OH

1

0-

11

H-C-O-P-O-

11

O-P-O-

O

¿-

0-

9. Deshldratación del 2-fosfoglicerato. La enolasa cataliza la deshidratación del glicerato-2-fosfato para formar PEP:

o

o

11

c-o1

11

O

Enolasa

11

O

1

11

11

1

c-o-P-o-

H-C-O-P-O-

I

c-o-

¿-

CH

+

0-

2

CHpH Glicerato-2-fosfato

Fosfoenolpiruvato (PEP)

El PEP posee un potencial de transferencia de grupo fosforilo mayor que el glicerato-2-fosfato debido a que contiene un grupo enol-fosfato en lugar de un éster fosfato simple. La razón de esta diferencia queda clara en la siguiente reacción. Los aldehídos y cetonas tienen dos formas isoméricas. La forma enol contiene un doble enlace carbono-carbono y un grupo hidroxilo. Los eno1es se encuentran en equilibrio con la forma ceto más estable que contiene el carbonilo. La interconversión de las formas ceto y enol, que también se llaman tautómeros, se denomina tautomerización: HO

'" /

.. '"

C=C /

Forma enol

o

H

11

1

-C-C1

Forma ceto

Esta tautomerización está restringida por la presencia del grupo fosfato, como lo es la estabilización de resonancia del ion fosfato libre. Como consecuencia, en la reacción 10 está muy favorecida la transferencia del fosforilo al ADP. 10. Síntesis de piruvato. En la reacción fjnal de la glucólisis, la piruvato quinasa cataliza la transferencia de un grupo fosforilo desde el PEP al ADP. Se forman dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.

www.elsolucionario.net 8.1. Glucólisis

o

ATP

11

c-o1

+

..

AOP

1

1

c-o-

1

c=o

11

0-

2

11

c-o-

c-o-

O 11

11

O

H

11

C-O-P-OCH

O

243

1

CH 2

CH 3

Piruvato (forma enol)

PEP

Piruvato (forma ceto)

Debido a que la energía libre de hidrólisis es excepcionalmente grande, el PEP se convierte en piruvato de forma irreversible. La pérdida de energía libre, que hace a la reacción itTeversible, se asocia con la conversión espontánea (tautomerización) de la forma enol del piruvato en la forma ceto, más estable.

Destinos de piruvato En términos de energía, el resultado de la glucólisis es la producción de dos ATP y dos NADH por molécula de glucosa. El piruvato, el otro producto de la glucólisis, es aún una molécu la con abundante energía, que puede producir una cantidad sustancial de ATP. Sin embargo, antes de que esto pueda suceder se forma una molécula transicional intermedia mediante descarboxilación. Esta molécula es la acetil-CoA, que es el sustrato de entrada del ciclo del ácido cítrico, una ruta anfibólica que oxida totalmente dos carbonos a CO 2 y NADH. En presencia de oxígeno, este ciclo opera al ceder los electrones del NADH (y el FADH2> otro transportador electrónico) producido en el ciclo del ácido cítrico al oxígeno a través del sistema de transporte electrónico para producir agua. El sistema de transporte electrónico consiste en una serie de reacciones ligadas de oxidación-reducción que transfiere los electrones desde los donadores, como el NADH, hasta los aceptores, como el 02' Acoplado a este proceso está la generación de un gradiente de protones que impulsa la síntesis de ATP. En condiciones anaerobias está impedida una posterior oxidación del piruvato. Diversas células y organismos lo compensan convirtiendo esta molécula en un compuesto orgánico más reducido y regenerando el NAD+ que se requiere para que continúe la glucólisis (Fig. 8.4). Este proceso de regeneración del NAD+ se denomina fermentación. Las células musculares y determinadas especies bacterianas (p. ej., Lactobacillus) producen NAD+ transformando el piruvato en lactato: O

O

Lactato deshidrogenasa

11

c-o1

C=O

+

+

..

H-

~

11

c-o1

HO-C-H

+

NAO·

1

1

CH 3

CH 3

Piruvato

Lactato

En las células musculares que se contraen rápidamente la demanda de energía es elevada. Tras reducirse el suministro de O 2 , la fermentación del ácido fáctico proporciona NAD+ suficiente para permitir que continúe la glucólisis (con su bajo nivel de producción de ATP) durante un período de tiempo corto (Fig. 8.5). La mayoría de las moléculas de etanol se destoxifican en el hígado por dos reacciones. En la primera, el etanol se oxida para formar acetaldehído. Esta reacción, que cataliza la alcohol deshidrogenasa, produce grandes cantidades de NADH:

+

NAQt

ADH

+

PREGUNTA B.l

www.elsolucionario.net CAPíTU LO OC H O

244

Metabolismo de los hidratos de carbono

Inmediatamente tras su producción, el acetaldehído se conviene en acetato por la aldehído deshidrogenasa, que cataliza una reacción que también produce NADH:

NAO'

+

NAOH

+

Aldehído

~ deshldrogenasa

2' H'

Un efecto común de la intoxicación por alcohol es la acumulación en sangre de lactato. ¿Puede explicar por qué se produce este efecto?

Los microorganismos que utilizan la fermentación del ácido láctico para generar energía pueden separarse en dos grupos. Los fermentadores homolácticos sólo producen lactato. Por ejemplo, varias especies de bacterias del ácido láctico cortan la leche. Losfermentadores heterolácticos o mixtos producen varios ácidos orgánicos. Por ejemplo, la fermentación ácida mixta se produce en el rumen del ganado. Los organismos simbióticos, algunos de los cuales digieren la celulosa, sintetizan ácidos orgánicos (p. ej., ácidos láctico, acético, propiónico y butírico). Los ácidos orgánicos se absorben del rumen y se utilizan como nutrientes. Se producen también gases como metano y dióxido de carbono.

o

I c-oI

c=o I

CH 3 Piruvato

Fermentación alcohólica

NAO' COz

+

CH 3 CH 2 0H Etanol

O

II I HO-C-H I

C-O-

CH 3

Lactato F'IGURA

B~4

Destinos del piruvato. Cuando se dispone de oxígeno (izquierda), los organismos aerobios oxidan totalmente el piruvato a caz y HzO. En ausencia de oxígeno, el piruvato puede convertirse en varias clases de moléculas reducidas. En algunas células (p. ej., levaduras), se producen etanol y CO 2 (centro). En otras (p. ej., células musculares), tiene lugar la fermentación homoláctica en la cual el lactato es el único producto orgánico (derecha). Algunos microorganismos utilizan reacciones de fermentación heteroláctica (no se muestran) que producen además de lactato otros ácidos o alcoholes. En todos los procesos de fermentación el fin principal es regenerar el NAD+, de forma que pueda continuar la glucólisis.

www.elsolucionario.net 8.1. Glucólisis

Lafermentación alcohólica tiene lugar en las levaduras y varias especies bacterianas. En las levaduras, el piruvato se descarboxila para fonnar acetaldehído, que posteriormente se reduce por el NADH para formar etano!. (En una reacción de descarboxilación, un ácido orgánico pierde un grupo carboxilo en forma de CO2 .)

o

Plruvato

..

descarboxllasa

11

c-o1

c=o

245

Lactato

NAD

1

o 11

C-H

Piruvato

NADH

+

Gliceraldehído-3 fosfato P;

!

Glicerato-1,3bisfosfato

1

CH 3

1

CH 3

H'

a-s Reciclado del NADH durante la glucólisis anaerobia. ~IGURA

Piruvato

Acetaldehido Alcohol deshldrogenasa

..

NADH

+

NA D" Etanol

H

La fermentación alcohólica por determinadas levaduras se utiliza comercialmente para producir vino, cerveza y pan (Recuadro de Interés Especial 8.1). Determinadas especies bacterianas producen alcoholes diferentes al metano!. Por ejemplo, Clostridium acetobutylicum, un microorganismo relacionado con el agente causal del botul ismo y el tétanos, produce butano!. Hasta hace poco, este microorganismo se utilizaba comercialmente para sintetizar butanol, un alcohol que se emplea para producir detergentes y fibras sintéticas. En la actualidad, un proceso de síntesis que emplea petróleo ha sustituido a la fermentación microbiana.

Energética de la glucólisis Durante la glucólisis, el descenso de energía libre de la glucosa está acoplado a la síntesis neta de dos ATP. Sin embargo, la comparación de la energía libre estándar de las reacciones individuales (Fig. 8.6) no señala un pau-ón discernible que explique la eficacia de esta ruta. Un método más útil para evaluar las variaciones de energía libre tiene en cuenta las condiciones (p. ej., pH y concentraciones de metabolitos) en las que operan realmente las células. Como se muestra en la Figura 8.6, las variaciones de energía libre medidas en los eritrocitos indican que sólo tres reacciones (1, 3 Y 10, véanse las págs. 236-243) poseen valores de t.G significativamente negativos. Estas reacciones, catalizadas, respecti vamente, por la hexoqLlinasa, la PFK-l y la piruvato quinasa, son para todos los fines prácticos irreversibles; es decir, cada una se produce hasta completarse en el sentido en que están escritas. Los valores de las reacciones restantes (2, 4-9) son tan cercanos a cero que operan cerca del equilibrio. Consiguientemente, estas últimas reacciones son fácilmente reversibles: las variaciones pequeñas de las concentraciones de los sustratos o los productos pueden alterar la dirección de cada reacción. No sorprende que en la gluconeogénesis (Sección 8.2), la ruta por la que puede generarse glucosa a paI1ir de piruvato y otros sustratos, participen todas las enzimas glucoJ íticas excepto las que catalizan las reacciones 1,3 Y 10. La gluconeogénesis utiliza enzimas diferentes para evitar los pasos i.rreversibles de la glucólisis.

Regulación de la glucólisis La regulación de la glucólisis es compleja debido al papel crucial de la glucosa en la generación de energía y en la síntesis de numerosos metabolitos. El ritmo al que opera Ja ruta glucolítica está controlado principalmente por la regulación alostérica

El NADH producido durante la conversión del gliceraldehído-3-fosfato en glicerato-l ,3bisfosfato se oxida cuando el piruvato se convierte en lactato. Este proceso permite a la célula continuar produciendo ATP durante un periodo de tiempo corto hasta disponer de nuevo de O 2 ,

CONCEPTOa CLAVE B.l

Durante la glucólisis, la glucosa se convierte en dos moléculas de piruvato. Una pequeña cantidad de energía se captura en dos moléculas de ATP y dos de NADH. En los organismos anaerobios, el piruvato se convierte en productos de desecho en un proceso denominado fermentación. En presencia de oxígeno las células de los organismos aerobios convierten el piruvato en CO 2 y

H20.

www.elsolucionario.net =

La producción de bebidas alcohólicas tiene una historia larga y colorista. Los seres humanos probablemente comenzaron a elaborar bebidas femlentadas hace al menos 10000 años. Sin embargo, las pruebas arqueológicas tienen alrededor de 5500 años. Las vasijas antiguas teñidas de vino demuestran que la elaboración de vino era un negocio tloreciente en Sumeria (actualmente el oeste de Irán) en el 3500 a. de e En ese tiempo, el cultivo de la uva vinícola (Vilis vinifera) que se originó en Asia central, se había extendido a través del Oriente Medio, especialmente a Mcsopotamia (Iraq moderno) y Egipto (Fig. SAl. Los vinos también se elaboraban a partir de dátiles dulces y de la savia de los árboles dc palma. Estos pueblos antiguos conocían también la forma de producir cerveza por fermentación de la cebada, un cereal con almidón. (Una tablilila sumeria de aproximadamente 1750 años a. de e que contiene instrucciones para fermentar la cerveza, es probablemente una de las recetas conocidas m,ís antigua.) La elaboración de la cerveza probablemente era una ocupación lucrativa, ya que los soldados sumerios recibían una parle de su paga en cerveza. La cerveza también era popular en el antiguo Egipto. Se han encontrado numerosas referencias en los muros de las tumbas antiguas. La cerveza que se producía en la antigua Chinn, .lapón y África central se elaboraba con mijo. Además de sus propiedades intoxicadoras, tanto el vino como la cerveza eran valiosas en el mundo antiguo debido a sus propiedades medicinales. El vino era especialmente apreciado por los médicos antiguos. Por ejemplo. Hipócrates (460-370 a. de e). el médico griego

que dio a la profesión médica sus ideales éticos. recetaba el vino como diurético, para los vcnd

Q)

e

-40

W

-50

t,.GO ÓG/

- 103.8 kJ (-24.6 kcal)

-60 -70 O

GLU

G6P

F6P

FBP

GAP

GBP

PG3

PG2

PEP

PIR

LAC

FIGURA 8-6

Variaciones de energía libre durante la glucólisis en los eritrocitos. Obsérvese que Jas variaciones ele energía Jibl'e estándar (LlCO) para las reacciones ele la glucólisis no muestran un patrón consistente. Por el contrario, los valores de energía libre reales (LlG), basaelos en las concentraciones de los metabolitos medielas en los eritrocitos, ilustran COI1 clarielad por qué las reacciones 1, 3 Y JO (la conversión ele glucosa en glucosa-6-fosfato, de fructosa-6-fosfato en fructosa-l ,6-bisfosfato y ele fosfoenolpiruvato en piruvato, respectivamente) son irreversibles. La fácjJ reversibilielad ele las reacciones restantes viene inelicada por sus valores ele LlG cercanos a cero. (GLU = glucosa, G6P = glucosa-6-fosfato, F6P = fructosa-6-fosfato, FBP = fruclosa-l ,6-bisfosfato, GAP = gliceralelehído fosfato, PG3 = glicerato-3-fosfato, PG2 = glicerato-2-fosfato, PEP = fosfoenolpiruvato, PIR = piruvato, LAC = lactalo) CUADRO 8-1

Regulación alostérica de la glucólisis Enzima I-lexoquinasa PFK-I PiruvalO quinasa

Acth'ador

Inhibidor Glucosa-6-fosfato. ATP

Fructosa-2.6-bisfosfaIO. AMP Fruclosa-I,6-bisfosfalo, AM P

Citrato. ATP ACClil-CoA. ATP

El glucagón, presente cuando la glucosa sérica es baja, activa la función fosfatasa de la PFK-2, reduciendo la concentración de fructosa-2,6-bisfosfato de la célula. La insulina, presente cuando la glucosa sérica es elevada, activa la función quinasa de la PFK-2, aumentando la concentración de fructosa-2,6-bisfosfato de la célula. La insulina es una hormona que segrega el páncreas cuando aumenta el azúcar sanguíneo. Su función que se observa con mayor facilidad es la reducción de la concentración sanguínea de azúcar al valor normal. La unión de la insulina a la mayoría de las células del organismo estimula el transporte de glucosa a través de la membrana plasmática. La capacidad de una persona para responder a una com.ida con hidratos de carbono reduciendo rápidamente la concentración sanguínea de glucosa se denomina tolerancia a la glucosa. Los animales con deficiencia de cromo tienen una menor tolerancia a la glucosa; es decir, no pueden retirar la glucosa de la sangre con suficiente rapidez. Se cree que el metal facilita la unión de la insulina a las células. ¿Piensa que el cromo actúa como un activador alostérico o como un cofactor?

www.elsolucionario.net 8.2. Gluconeogénesis

249

Louis Pasteur, el gran químico y microbiólogo francés del siglo XIX, fue el primer científico que hizo la observación siguiente. Las células que pueden oxidar la glucosa totalmente a CO 2 y H 20 utilizan la glucosa más rápidamente en ausencia de O 2 que en su presencia. El O 2 parece inhibir el consumo de glucosa. Explique en términos generales el significado de este hallazgo, que se denomina en la actualidad efecto Pasteur.

PREGlUNTA 8.3

8.2. GlLUCONECI3ÉNESIB

La gluconeogénesis, la formación de moléculas nuevas de glucosa a partir de precursores que no son hidratos de carbono, se produce principalmente en el hígado. Estos precursores son el lactato, el piruvato, el glicerol y determinados IX-cetoácidos (moléculas que derivan de los aminoácidos). En determinadas situaciones (esto es, acidosis metabólica e inanición) el riñón puede formar glucosa. Entre las comidas se mantienen las concentraciones sanguíneas adecuadas de glucosa por la hidrólisis del glucógeno hepático. Cuando se agota el glucógeno hepático (p. ej., por un ayuno prolongado o ejercicio vigoroso), la ruta gluconeogénica proporciona al organismo la glucosa adecuada. El cerebro y los eritrocitos dependen exclusivamente de la glucosa como fuente de energía. En circunstancias excepcionales, las células cerebrales también pueden utilizar determinados derivados de los ácidos grasos para generar energía. Los músculos esqueléticos que realizan ejercicio utilizan la glucosa almacenada en forma de glucógeno en la célula muscular en combinación con los ácidos grasos almacenados en forma de micelas en la célula muscular.

Reacciones de la gluconeogénesis La secuencia de reacciones de la gluconeogénesis es, en gran medida, la inversa de la glucólisis. Sin embargo, recuerde que tres reacciones glucolíticas (las reacciones catalizadas por la hexoquinasa, la PFK-l y la piruvato quinasa) son irreversibles. En la gluconeogénesis, para evitar estos obstáculos se utilizan reacciones alternativas catalizadas por enzimas diferentes. Posteriormente se resumen las reacciones singulares de la gluconeogénesis. En la Figura 8.7 se presentan la ruta gluconeogénica completa y sus relaciones con la glucólisis. Las reacciones de circunvalación de la gluconeogénesis son las siguientes:

1. Síntesis de PEPo La síntesis de PEP a partir de piruvato requiere dos enzimas: piruvato carboxilasa y PEP carboxiquinasa. La piruvato carboxilasa, que se encuentra dentro de las mitocondrias, convierte el piruvato en oxalacetato (OAA):

o 11

c-oO

Plruvato ca rboxilasa (biotll1a)

11

c-o1

c=o

I

CH 3 Piruvato

+

COz

+

1

c=o 1

CH 2

HO

+

1

C=o ATP

ADP

+

I

0Oxalacetato (OAA)

Pi

La coenzima biolina, que actúa como transportador de COz, está unida covalentemente a la enzima a través del grupo arnino de la cadena lateral de un residuo de lisina. El OAA se descarboxila y fosforila por la PEP carboxiquinasa en una reacción impulsada por la hidrólisis de la guanosina trifosfato (GTP):·

H'

www.elsolucionario.net 250

CAPíTULO OCHO

Metabolismo de los hidratos de carbono

----"

k

Glucógeno

UDP-glucosa

~

HexoqUlnasa

Glucosa-1-fosfato

~t ~t

ADP Glucosa

PP,

UTP

Glucosa-6-fosfato

Fructosa-6-f:~:to

GIUcosa-S-losfalasa

)

Fruclosa

PFK- 1

(

bisfosfato fosfatasa

ADP Fructosa-1,6-bisfosfato

H

•

f Gliceraldehído-3-fosfato

P,

+

O

2

...

N~!f

...

, Dihidroxiacetona fosfato

te Q

Glicerol

G licerato-1 ,3-bisfosfato ADP

ADP

ir

ATP

ATP

Glicerato-3-fosfato

~t

G Iicerato-2-fosfato

H20

+t

H20

co

Fosfoenolpiruvato ADP Determinados aminoácidos ATP

Piruvato carboxlJ asa

co

NAD' Lactato F"113URA a-7

Metabolismo de los hidratos de carbono: gluconeogénesis y glucólisis. En la gluconeogénesis, que tiene lugar cuando la concentración de azúcar en sangre es baja y está agotado el glucógeno hepático. se invierten 7 de las 10 reacciones de la glucólisis. Tres reacciones glucolíticas irreversibles se evitan mediante otras reacciones. Los principales sustratos de la gluconeogénesis son determinados aminoácidos (que proceden del músculo), el lactato (que se forma en el músculo y los eritrocitos) y el glicerol (que se produce en la degradación de los triacilgliceroles). Al contrario que las reacciones de la glucólisis, que sólo tienen lugar en el citoplasma, varias reacciones de la gluconeogénesis tienen lugar dentro de las mitocondrias (las reacciones catalizadas por la piruvato carboxilasa y, en algunas especies, la PEP carboxiquinasa) y el retículo endoplásmico (la reacción catalizada por la glucosa-6-fosfatasa).

www.elsolucionario.net 8.2. GI uconeogénesis

251

o 11

c-o1

o

PEP

11

carboxiquinasa

c=o


O 11

OH

O-P-OOH

1

0-

G Iucosa-1-fosfato

www.elsolucionario.net 264

CAPÍTULO OCHO

Metabolismo de los hidratos de carbono

forma más segura en el lugar activo de las enzimas que catalizan las reacciones de transferencia (denominadas glucosil transferasas). Debido a que la UDP-glucosa contiene dos enlaces fosforilo, es una molécula muy energética. La formación de la UDP-glucosa, cuyo valor de !1Co' es cercano a cero, es una reacción reversible catalizada por la UDP-glucosa pirofosforilasa:

HO~CH2 O +

UTP

o-r-o-r-oO

b

•

OH OH OH

Glucosa-1-fosfato

O

O

+

PP

Uridina

O

UDP-glucosa

Sin embargo, la reacción se completa debido a que el pirofosfato (PP¡) se hidroliza inmediatamente y de forma iD'eversibJe por la pirofosforilasa con una pérdida grande de energía libre (!1Co' = -33.S kJ/mol):

O

O

11

11

HO-P- O - P - OH 1

O 11

+

H,O

2 - O - P - OH

1

0PP I

1

OH PI

(Recuerde que la eliminación del producto desplaza el equilibrio de la reacción hacia la derecha. Esta estrategia celular es habitual.) 3. Síntesis de glucógeno a partir de lIDP-glucosa. La formación de glucógeno a partir de UDP-glucosa requiere dos enzimas: a. b.

Glucógeno sintasa, que cataliza la transferencia del grupo glucosilo de la UDP-glucosa a los extremos no reductores del glucógeno (Fig. 8.13a), y Amilo-a-( 1,4 --> 1,6)-glucosil transferasa (enzima ramifican te) que crea los enlaces c;(l,6) para las ramificaciones de la molécula (Fig. 8.13b).

La síntesis de glucógeno requiere una cadena de glucógeno. La síntesis de glucógeno se cree que se inicia por la transferencia de glucosa desde la UDP-glucosa a un residuo específico de tirosina en una proteína «cebadora» denominada glucogenina. En el citoplasma de las células hepáticas y musculares de los animales bien alimentados pueden observarse gránulos grandes de glucógeno, cada uno formado por una molécula de glucógeno muy ramificada. Las enzimas responsables de la síntesis y degradación del glucógeno recubren cada gránulo.

Glucogenólisis La degradación del glucógeno requiere las dos reacciones siguientes: l. Eliminación de la glucosa de los extremos no reductores del glucógeno. Utilizando fosfato inorgánico (Pi), la glucógeno fosforilasa rompe los enlaces a(1,4) de las ramificaciones externas del glucógeno para dar glucosa-I-fosfato. La glucógeno fosforilasa se detiene cuando llega a cuatro residuos de glucosa hasta el punto de ramificación (Fig. 8.14). (Una molécula de glucógeno que se ha degradado hasta estos puntos de ramificación se denomina dextrina límite.) 2. Hidrólisis de los enlaces glucosídicos c;(l ,6) en los puntos de ramificación del glucógeno. La amilo-c;(l ,6)-glucosidasa, que también se denomina enzima desramificante, comienza a eliminar los puntos de ramificación c;CI ,6) transfiriendo los tres residuos de glucosa más externos de los cuatro unidos al punto de ramificación a un extremo no reductor cercano. Luego elimina el único residuo de glucosa unido en cada punto de ramificación. El producto de esta última reacción es glucosa libre (Fig. 8.1 S). En la Figura 8.16 se presenta un resumen de la glucogenólisis.

www.elsolucionario.net 8.5. Metabolismo del glucógeno

~ HOCH'

HO

o

o

O

O-~-O-~-O-

OH

OH

1

0-

265

Uridina

+

0-

HO

1

0-

OH

UDP-glucosa

OH

Cebador de glucógeno (n residuos) Glucogeno

1

slntasa

+ OH

OH

O

11

11

-0- P - O - P - O - Uridina

0-

O

O

O

1

1

0-

0-

OH

Glucógeno (n + 1 residuos)

UDP

(a)

Enzima lamlflcanle

(b) F"leURA 8-1:3

Síntesis de glucógeno. (a) La enzima glucógeno sintasa rompe el enlace éster de la UDP-glucosa y forma un enlace glucosídico 0.(1,4) entre la glucosa y la cadena creciente de glucógeno. (b) La enzima ramifjcante es la responsable de la síntesis de enlaces a( 1,6) en el glucógeno.

www.elsolucionario.net 266

CAPíTULO OCHO

Metabolismo de los hidratos de carbono

~~q. O

vt-~

"'0

"5-

~

CH 2 0H

0"5-

+

1-of;:\!~

O

HPor'SS~

~~

~ ~~

SS~

H~

O-PO'3

OH CH 2 0H

+

vt-~ H6H'-

O-PO'3

OH Glucosa-1-fosfato

Glucógeno fosforilasa

HPOf

Glucógeno

FIGlURA 8 - 14

Degradación del glucógeno. La glucógeno fosforiJasa cataJiza la separación de los residuos de glucosa de los extremos no reduclores de una cadena de glucógeno.

..

., "

Regulación del metabolismo del glucógeno El metabolismo del glucógeno está regulado de forma cuidadosa para evitar el derroche de energía. Tanto la síntesis como la degradación están controladas mediante un mecanismo complejo con participación de la insulina, el glucagón y la adrenalina. Estas hormonas inician procesos que controlan varios conjuntos de enzimas. La unión del glucagón a las células hepáticas estimula la glucogenólisis e inhibe la glucogénesis. Al caer la concentración sanguínea de glucosa horas después de una comida, el glucagón asegura la liberación de glucosa al torrente sanguíneo. Tras unirse el glucagón a su receptor, la adenilato ciclasa (una enzima de la membrana celular) se estimula y convierte el ATP en la molécula señalizadora intracelular AMP 3'-5' -cíclico, que se abrevia cAMPo Luego el cAMP inicia una cascada de reacciones (que se describe en el Capítulo 16) que amplifica la señal original. En segundos, unas pocas moléculas de glucagón han iniciado la liberación de miles de moléculas de glucosa. Cuando está ocupado, el receptor de insulina se convierte en una enzima tirosina quinasa activa que produce una cascada de fosforilación que en última instancia

www.elsolucionario.net 8.5. Metabolismo del glucógeno

267

Glucógeno

Amll -,,(1 6,-gluCQ idasa

Glucógeno

.~:'O~o~:'O~>-o~:'O~o~:'O~o. . OH

OH

OH

OH

+

Glc'o,"

~:'o>.

HO

OH

Glucólisis

Torrente sanguíneo

OH FII3IURA 8 - 15

Degradación del glucógeno_ Los puntos de ramificación del glucógeno se eliminan por la enzima desrumificanle (ami 10'l.( 1,6)-glucosidusa).

tiene el efecto opuesto al sistema glucagónlcAMP: las enzimas de la glucogenólisis se inhiben y las enzimas de la glllcogénesis se activan. La insulina aumenta también el ritmo de la captación de la glucosa en varias clases de células diana, pero no en las células hepáticas o cerebrales. El estrés emocional o la agresión física liberan adrenalina por la médula suprarrenal. La adrenalina estimula la glucogenólisis e inhibe la glucogénesis. En situaciones de urgencia, cuando se libera adrenalina en cantidades relativamente grandes, la producción masiva de glucosa proporciona la energía que se requiere para controlar la situación. Este efecto se denomina respuesta de escape o lucha. La adrenalina inicia el proceso activando la adenilato ciclasa del hígado y las células musculares. Otros dos segundos mensajeros, los iones calcio y el inositol trisfosfato (Capítulo 16) se cree que también participan en la acción de la adrenalina. La glucógeno sin tasa y la glucógeno fosforilasa poseen ambas conformaciones activas e inactivas que se interconvierten por modificación covalente. La forma activa de la glucógeno sintasa, conocida como forma 1 (independiente), se convierte en la forma inactiva o D (dependiente) mediante fosforilación. Por el contrario, la forma inactiva de la glucógeno fosforilasa (fosforilasa b) se convierte en la forma activa (fosforilasa a) por la fosforilación de un residuo específico de serina. La enzima fosforilante se denomina fosforilasa quinasa. La fosforilación de la glucógeno sintasa y de la fosforilasa quinasa está catalizada por una proteína quinasa, que se activa

CDNCEFTDS CLAVE 8.4

Durante la glucogénesis, la glucógeno sinlasa cataliza la transferencia del grupo glucosilo de la UDP-glucosa a los extremos no reductores del glucógeno, 'j la enzima rnmificante del glucógeno cataliza la formación de los puntos de ramificación. La glcogenólisis requiere la glucógeno fosforilasa y la enzima desramificante. El metabolismo del glucógeno está regulado por la acción de tres bormonas: glucagón, insulina y adrenalina.

www.elsolucionario.net 268

CAPíTULO OCHO

Metabolismo de los hidratos de carbono

FIGURA 8-1 6

Degradación del glucógeno. La glucógeno fosforilasa rompe los enlaces (,(1,4) del glucógeno para producir glucosa-1-fosfato hasta que llega a cuatro residuos de glucosa de un punto de ramificación. La enzima desramificante transfiere tres de estos residuos a un extremo no reductor cercano y libera el cuarto residuo como glucosa libre. Las acciones repetidas de ambas enzimas pueden conducir a la degradación completa del glucógeno.

Extremo . - reductor Glucogeno fosforllasa

1 GI"~;::;

1

Enzima desramlflcan!e

EnZima desrnmllicante

Glucógeno losforllasa

1

Glucosa-1-fosfato

Dex!rlna li mite

I EnZima t desramihcante I Glucógeno t fosforl!

glucosa-6-fosfato

Glucosa-6-fosfato + H2 0

-->

glucosa + P,

Sugiera cómo se evitan o controlan estos ciclos derrochadores.

10. La glucólisis se produce en dos fases. Describa qué se realiza en cada fase.

PREGUNTAS DE RAZONAR l. Una persona tiene una deficiencia genética que impide la producción de glucoquinasa. Tras una comida con hidratos de carbono. ¿espera que la concentración de glucosa en sangre sea elevada, baja O alrededor de lo normal? ¿Qué órgano acumula glucógeno en estas circunstancias?

S. En la oxidación aerobia, el oxígeno es el agente oxidante último (aceptor electrónico). Nombre dos agentes oxidantes comunes en la fermentación anaerobia. 6. ¿POI qué es importante que la gluconeogénesis no sea la inversión exacta de la g]ucólisis?

2. La síntesis de glucógeno requiere una pequeña cadena cebadora. Explique, dada esta limitación, cómo se sintetizan las moléculas nuevas de glucógeno.

7. Compare las fórmulas estructurales del etanol, el acetato y el acetaldehído. ¿Qué molécula está más oxidada? ¿Cuál es la más reducida? Explique sus respuestas.

3. ¿Por qué se metaboliza la fructosa más rápidamente que la glucosa? 4. ¿Cuál es la diferencia entl'e un éster enol-fosfato y un éster fosfato normal que proporciona al PEP un potencial de transferencia de grupo fosfato tan elevado?