Apuntes de Bioquímica 2
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TTeemmaa 1199 IInnttrroodduucccciióónn aall MMeettaabboolliissmmoo
Introducción: energía en los seres vivos
Los seres vivos:
Desarrollan trabajo para permanecer vivos, crecer y reproducirse.
Tienen capacidad para aprovechar energía y canalizarla en trabajo biológico.
Realizan diversidad de conversiones de una forma de energía en otra
(transducciones de energía).
En la célula nada se hace sin energía, a excepción de la difusión pasiva, que no vale de
mucho por lo lenta que es. Es más, hasta el transporte de vesículas entre los orgánulos
requiere energía.
Todos los seres vivos usan la energía química de los combustibles (que son los nutrientes
como los hidratos de carbono y los lípidos) para:
Síntesis de moléculas complejas a partir de precursores sencillos: por ejemplo, a
partir de aminoácidos, se forman proteínas y a partir de los monosacáridos, se
forman los polisacáridos.
Generación de gradientes de concentración o eléctricos: en muchas células, esto
es necesario, como se puede ver en las neuronas para mantener el equilibrio.
Movimiento: tanto a nivel de tejido (la contracción muscular) como a nivel celular
(el movimiento celular por los flagelos) y subcelular (transporte de vesículas entre
orgánulos).
Termogénesis: es la generación de calor y sirve para mantener la temperatura en los
animales homeotermos.
Fotogénesis: algunos seres vivos pueden generar luz.
Los seres vivos se pueden clasificar, según la fuente de energía que usan, en:
Fototrofos: son los organismos que obtienen la energía a partir de la luz, como las
plantas y algunas bacterias.
Quimiotrofos: son los organismos que obtienen la energía a partir de compuestos
químicos (nutrientes), como los animales, los hongos y la mayor parte de las
bacterias.
También se pueden clasificar según la fuente de carbono usada:
Autótrofos: son aquellos seres vivos que fijan el CO2 atmosférico, como las plantas
y algunas bacterias como las cianobacterias.
Heterótrofos: son los seres vivos que necesitan ingerir el carbono de los nutrientes,
como los animales y los hongos.
También hay diferencias en los organismos en cuanto a la fuente de nitrógeno. Este
nitrógeno se usa, en todos, para sintetizar aminoácidos y nucleótidos, pero las fuentes son
distintas:
Plantas: usan el amoniaco (NH3), los nitratos (
3NO ) o los nitritos (
2NO ).
Animales vertebrados: usan compuestos nitrogenados orgánicos.
Cianobacterias y algunas bacterias del suelo: son bacterias fijadoras del N2
atmosférico y lo asimilan para convertirlo en amoniaco.
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Hay que recordar, además, que hay dos tipos de rutas metabólicas:
Catabolismo: se denomina así a aquellas rutas donde se degradan los nutrientes
(hidratos de carbono o lípidos) para obtener energía.
Anabolismo: se denomina así a aquellas rutas del metabolismo biosintético, es
decir, la síntesis de polímeros necesarios para la célula (polisacáridos, proteínas...).
Cada ruta es una secuencia de reacciones.
Bioenergética y relaciones termodinámicas
La bioenergética es el campo de la bioquímica (la bioquímica son las reacciones de las
células vivas) relacionado con la transformación y empleo de la energía por las células
vivas, o lo que es lo mismo, es el estudio cuantitativo de las transducciones de energía que
tienen lugar en las células.
Todas las transformaciones biológicas de la energía siguen las leyes de la termodinámica:
Primera Ley de la Termodinámica: en cualquier transformación física o química,
la cantidad total de la energía del universo permanece constante. La energía ni se
crea ni se destruye.
Segunda Ley de la Termodinámica: todos los cambios físicos o químicos tienden
a evolucionar en la dirección en la que la energía útil experimente una degradación
irreversible hacia una forma al azar o desordenada denominada entropía. Este
crecimiento de la entropía se interrumpe en un punto de equilibrio en el que la
entropía formada es la máxima posible en las condiciones existentes. Todo tiende al
mayor desorden y en el máximo se detiene.
Para entender todo esto, hay que introducir el concepto de sistema reaccionante, que es el
conjunto de materia que está experimentando un proceso físico o químico (organismo,
célula o dos compuestos que reaccionan). Este sistema reaccionante, junto con el entorno,
constituye el universo.
Estos sistemas pueden ser:
Aislados o cerrados: no intercambian energía con el entorno.
Abiertos: intercambian energía con su entorno. Los sistemas reaccionantes que se
dan en el mundo biológico son sistemas abiertos.
Magnitudes termodinámicas más importantes:
Energía libre de Gibbs (G): es la cantidad de energía capaz de realizar trabajo en
una reacción a temperatura y presión constante. Es la energía útil, disponible para la
célula. Con esto, las reacciones se pueden clasificar en:
o Reacciones exergónicas: son aquellas que liberan energía útil.
o Reacciones endergónicas: son aquellas que consumen energía útil.
Entalpía (H): es la cantidad de calor que el sistema reaccionante libera o absorbe
del entorno a temperatura y presión constante. Con esto, las reacciones pueden ser:
o Reacciones exotérmicas: son aquellas reacciones que generan calor.
o Reacciones endotérmicas: son aquellas reacciones que requieren calor, es
decir, lo absorben.
Entropía (S): es la expresión cuantitativa del desorden del sistema, a temperatura y
presión constantes. A mayor desorden del sistema, mayor es la entropía y viceversa.
La tendencia del Universo es que aumente la entropía.
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En los sistemas biológicos, donde la temperatura y la presión son constantes, se ve que
estas tres magnitudes están relacionadas entre sí mediante la siguiente fórmula:
STHG
Donde ΔG es la variación de la energía libre de Gibbs, ΔH es la variación de entalpía de las
reacciones bioquímicas, T es la temperatura absoluta (medida en grados Kelvin) y ΔS es la
variación de entropía.
Los seres vivos conservan su orden interno tomando de su entorno energía libre en forma
de nutrientes o luz solar y devolviendo al entorno una cantidad igual de energía en forma de
calor y entropía.
Las células son sistemas isotérmicos que funcionan a temperatura y presión constantes.
La variación de la energía libre se relaciona con la constante de equilibrio de una reacción
química. Para que una reacción esté en equilibrio, ha de ser reversible:
bBaA ⇌ dDcC
Donde las letras en minúscula son los coeficientes estequiométricos de la reacción, A y B
son los reactivos y C y D son los productos.
Para este tipo de reacciones, se define la constante de equilibrio (o Ley de Acción de
Masas) como la relación que hay entre las concentraciones de los productos y de los
reactivos:
ba
dc
eqBA
DCK
Esta constante K’eq depende de la temperatura (a distinta temperatura, distinto valor de
K’eq) y de las concentraciones de reactivos en el equilibrio, pero no del modo en el que se
ha llegado al equilibrio.
Indica, además, hacia donde está desplazada la reacción, puesto que puede suceder:
K’eq > 1: la reacción está desplazada hacia los productos (∆Gº’ < 0). R. favorable.
K’eq < 1: la reacción está desplazada hacia los reactivos (∆Gº’ > 0). R. desfavorable.
K’eq = 1: en condiciones estándar (∆Gº’ = 0). Reacción en equilibrio.
Curiosamente, la K’eq cambia de valor si se hace la reacción inversa a la reacción mostrada
anteriormente, porque existe una relación inversa: 1 eqeq KK
Por otro lado, la energía libre de Gibbs estándar biológica se define como la energía útil de
un sistema en condiciones estándar, es decir, a una temperatura de 25ºC (298 K), una
presión de 1 atm, a concentraciones de reactivos y productos de 1 M y, en el caso de las
reacciones bioquímicas, a un pH de 7. En condiciones estándar, las variaciones de energía
en la reacción química son aditivas. Matemáticamente, se define con la siguiente relación:
eqeq KRTKRTG log303,2ln'0
Donde R es la constante de los gases ideales, T es la temperatura absoluta en grados Kelvin,
y K’eq es la constante de equilibrio de la reacción.
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El valor de la constante R puede ser:
0,08205 atm l mol–1
K–1
8,314 J mol–1
K–1
1,987 cal mol–1
K–1
Depende de las unidades de energía que se empleen. Hay que recordar que 1 julio son 0,239
calorías y 1 caloría son 4,184 julios.
Si se busca hallar la energía libre de Gibbs real a partir de la energía libre de Gibbs estándar
y de las concentraciones de productos y reactivos, se ve que se cumple lo siguiente:
BA
DCRTGG log303,2'0
Cada reacción tiene una ∆Gº’ característica, lo cual proporciona información sobre a dónde
se desplaza la reacción, es decir, si es favorable o desfavorable. Las rutas que generan
energía a partir de degradación de nutrientes (β-oxidación de ácidos grasos, glucólisis) son
rutas catabólicas. Las reacciones de síntesis de glúcidos, proteínas, se denominan rutas
anabólicas o biosintéticas. Hay una serie de reacciones en cada ruta con una ∆Gº’
característica.
Una ruta metabólica es una secuencia ordenada de reacciones, en las que el producto de
una es el reactivo de la siguiente reacción. Cada reacción es catalizada por una enzima.
FEDCBAEEEEE 54321
En el metabolismo intermediario las variaciones de energía libre son aditivas. Al considerar
una ruta, la energía libre total se puede considerar la suma de la energía libre de las
reacciones que participan en ella.
'0'0
3
'0
2
'0
1
'0 ... nT GGGGG
Compuestos ricos en Energía. ATP
Adenosín trifosfato (ATP): el ATP es un
ribonucleótido cuya base nitrogenada es adenina y
que tiene tres grupos fosfatos en lugar de uno.
El nucleósido sería la pentosa, que en este
caso es la ribosa, unida a la base nitrogenada (la
adenina). Este nucleósido se une mediante un enlace
covalente a un grupo fosfato, obteniéndose el
adenosín monofosfato (AMP).
Sin embargo, en el ATP, hay tres fosfatos,
denominados Pα, Pβ y Pγ, que están unidos mediante
enlaces de alta energía (todos de igual energía).
En las rutas metabólicas catabólicas, como la hidrólisis de lípidos o la glucólisis, se produce
ATP y, en las células, el ATP se usa para el metabolismo biosintético (es decir, en las rutas
anabólicas), el transporte celular y la motilidad celular. Este ATP se degrada en ADP en la
siguiente hidrólisis: iPADPATP
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Esta hidrólisis libera energía, ΔG0’
= –7,3 kcal/mol (o lo que es lo mismo –31 kJ mol–1
).
Esto indica que esta reacción está favorecida termodinámicamente, es decir, el ATP se
tiende a hidrolizar en esa reacción de manera espontánea, rompiéndose el enlace rico en
energía situado entre el Pβ y Pγ. Esta ruptura del ATP es la ruptura ortofosfatolítica.
También se hidroliza el ADP, generándose AMP y pirofosfato inorgánico: ruptura
pirofosfatolítica: iPPAMPADP
Esta reacción también libera energía, ΔG0’
= –7,3 kcal/mol (igual que en la primera
reacción). Esto indica que esta reacción está favorecida termodinámicamente, es decir, el
ADP se tiende a hidrolizar rompiéndose el enlace rico en energía situado entre el Pα (el más
interno del ATP) y Pβ (el fosfato central del ATP).
No solamente se hidroliza el ADP, sino que también se puede hidrolizar el AMP,
formándose adenosina y un fosfato inorgánico: AMP Adenosina + Pi
Sin embargo, en esta reacción no se rompe un enlace rico en energía, sino que se rompe el
enlace covalente situado entre el Pα y el nucleósido. Esta reacción está favorecida
termodinámicamente, puesto que su energía libre de Gibbs (ΔG0’
) es de –3,4 kcal mol–1
(como en cualquier enlace covalente simple), pero no es tan energética como en las demás
reacciones.
Hay que tener en mente que el ATP y sus derivados son compuestos fosforilados cuyos
fosfatos están unidos por enlaces ricos en energía, lo que implica que su hidrólisis va a
tener una energía libre negativa. Los motivos de esto son:
1. El grado de ionización del ATP: el ATP, en el pH celular, está cargado negativamente
(teniendo 4 cargas negativas) y, en la hidrólisis del ATP, el ADP adquiere tres cargas
negativas y el fosfato liberado tiene dos, tal y como se ve en la reacción: HPADPOHATP i
23
2
4
En condiciones estándar biológicas, es decir, a 25º C, 1 atm de presión, a unas
concentraciones de productos y reactivos de 1 M y a pH=7, se ve que la concentración
de hidrogeniones (H+) es de 10
–7 M, es decir, mucho más pequeña que 1 M.
Por ello, en este caso, debido a la Ley de Acción de Masas, la reacción se tiende a
desplazar para formar los productos, para que la concentración de hidrogeniones se
aproxime a las condiciones estándar.
En el citoplasma, el ATP y el ADP forman complejos con el Mg2+
para reducir su
carga: [ATP Mg]-2
, [ADP Mg]-1
.
2. Partiendo de lo anterior, hay que tener en cuenta que existen repulsiones electrostáticas
entre las cargas negativas del ATP y, por ello, se reducen en la reacción anterior
porque los productos van a tener menos cargas negativas que el reactivo (el ADP y el
fosfato liberado tienen 3 y 2 cargas negativas, mientras que el ATP tiene 4). En
resumen, se libera tensión de carga, se favorece la hidrólisis del ATP porque al perder
carga negativa la molécula se hace más estable.
3. El ADP y el fosfato inorgánico se estabilizan por resonancia, pudiéndose
deslocalizarse y, dado que se ven híbridos de resonancia, las cargas en el estado de
energía son menores que la del ATP.
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La hidrólisis de ATP libera mucha energía. Hay otros compuestos fosforilados cuya
hidrólisis libera aún más energía (piruvato, creatina). También existen compuestos
fosforilados de baja energía.
En las condiciones intracelulares la ∆G de la hidrólisis del ATP es todavía mayor. ∆G
alcanza valores de entre –12 y –16 Kcal/mol. Esa variación de energía libre real se
denomina potencial de fosforilación del ATP.
El ATP actúa como intermediario en reacciones de captación y cesión de P. Hay
compuestos fosforilados capaces de ceder el P al ADP. El ATP puede ceder el P a otros
compuestos, provocando la fosforilación de esos compuestos. El fosfoenolpiruvato (PEP)
se puede hidrolizar:
OHPEP 2 ⇌ iPpiruvato
En esta reacción ΔG0’
= -14,8 Kcal/mol, se encuentra muy favorecida. La fosforilación del
ADP (ADP + Pi ATP + H2O) tiene una energía libre de 7,3 Kcal/mol. No está
favorecida, esta reacción consume energía, no libera.
La energía que se libera de la rotura del PEP se emplea para que el ADP se una al Pi y
forme ATP.
ATPpiruvatoADPPEP
OHATPPADP i
2
∆Gº’ = -7,5 Kcal/mol
Incluso sobra energía que es liberada en forma de calor.
Derivados fosforilados de azúcares: son importantes en el metabolismo y, de todos ellos,
el ejemplo que se va a ver es la glucosa–6–fosfato (G6P), que se puede hidrolizar de la
siguiente manera:
molkcalGPPG i /3,3Glucosa6 '0
Como se puede ver en el resultado de la energía libre de Gibbs, esta reacción libera energía
y es favorable termodinámicamente.
Atendiendo a esta reacción, ahora habría que analizar la primera reacción de la glucólisis,
que es la formación de G6P a partir de glucosa y ATP (donador de P):
ADPPGATP 6Glucosa
En condiciones estándar, esta reacción no se daría en la célula por ser termodinámicamente
desfavorable. Sin embargo, en las células, para que una reacción que no está favorecida
desde el punto de vista de la termodinámica lo sea, sucede que se hacen reacciones
acopladas, y este es un claro ejemplo de ello:
molkcalGPGADPATP
molkcalGPGP
molkcalGPADPATP
i
i
/0,46Glucosa
/3,36Glucosa
/3,7
'0
'0
'0
Esta reacción es favorable debido a la suma de las reacciones que se producen por
independiente en la célula, y por ello, se produce G6P por medio de Glucosa y ATP.
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Esta reacción es irreversible y está catalizada por una hexoquinasa en el hígado o una
glucoquinasa en una célula somática no hepática. Esta enzima es la primera enzima
reguladora de la glucólisis.
La variación de la energía libre (ΔG0’) es de –14,8 kcal/mol, y por ello, la reacción se
tiende a producir en las células en ese sentido (y no en el inverso). Este compuesto tiene
más energía que el ATP, y por ello, se acopla a la reacción de formación de ATP. Esta
última reacción tiene una energía libre de Gibbs positiva, lo que indica que no se produce
en la célula de manera espontánea, consumiendo energía:
molkcalGATPPADP i /3,7'0
Esta reacción es la suma de dos reacciones acopladas que hacen que, una reacción que no
está favorecida termodinámicamente, lo sea:
1,3–Bifosfoglicerato (1,3–BPG): el 1,3–BPG es un compuesto de muy elevada energía que
está acoplada a la síntesis de ATP. La reacción de hidrólisis que se da lugar con el 1,3–BPG
tiene un valor elevado de energía libre de Gibbs ( molkcalG /8,11'0 ), lo que indica
que, en la célula, se tiende a hidrolizar con mucha facilidad (como sucede con el PEP).
La fosfoglicerato quinasa cataliza la transformación de este 1,3–BPG a 3–fosfo-glicerato,
que hace la reacción de la síntesis de ATP por medio de ADP.
molkcalGPGPBPG i /8,1133,1 '0
Fosfocreatina: Este compuesto es un reservorio de energía que se usa para reponer el ATP,
puesto que la reacción de hidrólisis de este compuesto tiene una energía libre elevada, como
en el PEP y en el 1,3–BPG.
molkcalGPCreatinainaFosfocreat i /3,10'0
En el músculo, esta reacción está acoplada a la síntesis de ATP y está catalizada por la
creatina quinasa o creatin fosfoquinasa.
Esta reacción tiene una energía libre total de: molkcalGT /0,33,73,10'0
Otros compuestos fosforilados: el ATP se puede recuperar a partir de dos moléculas de
ADP por medio de enzimas, en este caso, la adenilato quinasa:
AMPATPquinasaadenilato
ADPADP
Esta reacción es el conjunto de dos reacciones acopladas:
molkcalGATPAMPADPADP
molkcalGPAMPADP
molkcalGATPPADP
i
i
/0,0
/3,7
/3,7
'0
'0
'0
molkcalGATPPiruvatoADPPEP
molkcalGPPiruvatoPEP
molkcalGATPPADP
i
i
/5,7
/8,14
/3,7
'0
'0
'0
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Es decir, se da en la célula, aunque no es muy favorable termodinámicamente hablando. No
solo se usa esto en el metabolismo de ATP, sino que el ADP se hidroliza cuando sea
necesario.
Además, existen sistemas enzimáticos (nucleósido difosfoquinasas) que intervienen en la
interconversión entre ATP y un NTP (que puede ser UTP, GTP o CTP):
CTPADPCDPATP
GTPADPGDPATP
UTPADPUDPATP
O incluso interconvertirse entre estos NTP, como por ejemplo:
UTPGDPUDPGTP
También se pueden producir desoxirribonucleótidos trifosfato a partir de núcleotidos
trifosfato:
dATPGDPdADPGTP
dCTPADPdCDPATP
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TTeemmaa 2200 OOxxiiddoorrrreedduucccciióónn BBiioollóóggiiccaa
Introducción
En los procesos de degradación metabólica de los nutrientes, se producen coenzimas
reducidas como el FADH2 y el NADH.
Los nutrientes (glúcidos, lípidos...) pueden ir oxidándose progresivamente, y su poder
reductor puede pasar al FADH2 y al NADH, posteriormente estas coenzimas podrán ser
usadas, en las mitocondrias, para la síntesis de ATP.
El poder reductor del FADH2 y del NADH se va a transferir a unas moléculas de la
membrana mitocondrial, los transportadores electrónicos, los cuales recogen los electrones,
pasando de estado oxidado a estado reducido, mientras que las coenzimas pasan de estado
reducido a oxidado. En última instancia estos transportadores cederán electrones al oxígeno
molecular, reduciéndolo a agua.
Reacciones Redox
Una reacción redox es aquella en la que hay transferencia de electrones. Estas reacciones
tienen dos semirreacciones a su vez: oxidación y reducción. Una semirreacción de
oxidación se da cuando hay ganancia de oxígeno o pérdida de electrones, mientras que la
semirreacción de reducción se da cuando hay pérdida de oxígeno o ganancia de electrones.
El elemento que se oxida se denomina agente reductor, y el elemento que se reduce se
denomina agente oxidante. La razón de esto se debe a que el elemento que se reduce causa
la oxidación del otro elemento, es decir, una reducción siempre va ligada a una oxidación y,
de ahí, el nombre de estas reacciones. Un ejemplo de reacción redox es:
Fe2+
+ Cu2+
Fe3+
+ Cu+
Reductor + Oxidante Reductor oxidado + Oxidante reducido
Se denomina par redox al par formado por un reductor y su oxidante conjugado (Fe2+
/Fe3+
).
Los electrones se pueden transferir de cuatro formas en las reacciones redox:
Directamente como electrones.
En forma de átomos de hidrógeno, puesto que un átomo de hidrógeno es un protón y
un electrón (H2 → H+ + e
–).
En forma de ión hidruro (H–) y dos electrones.
Por combinación directa con el oxígeno molecular (O2).
El potencial de reducción es un parámetro que controla las reacciones redox.
En las oxidaciones biológicas, la tendencia de un reductor a perder electrones se conoce
como el potencial de reducción estándar (E0’). Se define como la fuerza electromotriz
medida en voltios dada por un electrodo sensible colocado en una solución que contiene al
dador de electrones y al aceptor de electrones conjugado, ambos a una concentración de 1
M, a temperatura de 25ºC y pH=7.
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Este potencial de reducción, se determina experimentalmente tomando como referencia el
electrodo de hidrógeno estándar empleando una célula electroquímica. Esta célula
electroquímica está formada por dos semicélulas. Cada una contiene un donador de
electrones y su aceptor conjugado (par redox). El electrodo de hidrógeno estándar es la
semicélula de referencia y un par redox a concentración 1 M es la semicélula prueba.
Ambas semicélulas están conectadas por un puente salino, y los electrones pueden
desplazarse hacia la semicélula de referencia o en sentido contrario dependiendo de quien
ceda los electrones.
Por convenio, para el H2, en condiciones estándar, el potencial de reducción es E0
= 0 V, y
se puede dar que:
El potencial de reducción es negativo (E0 < 0): el poder reductor de ese compuesto
es elevado y por lo tanto, el par redox dona electrones al electrodo de hidrógeno.
El potencial de reducción es positivo (E0 > 0): el poder oxidante de ese compuesto
es elevado y, por ello, el par redox acepta electrones del electrodo de hidrógeno.
Sin embargo, en bioquímica, se incluye en las condiciones estándar el valor de pH 7, por lo
que se emplea el concepto de potencial de reducción estándar biológico (E0’). Para el
electrodo de hidrógeno, se ve que el valor de E0’ es distinto al del E
0 convencional, puesto
que, mientras a pH 0, el valor de E0 es de 0 V; a pH 7, el valor del E
0’ es de –0,41 V (lo que
indica que es un agente reductor).
Los potenciales de reducción estándar biológicos permiten calcular la variación de energía
libre de Gibbs de la reacción, a partir de la siguiente ecuación:
'0'0 EnFG
Donde n es el número de electrones y F es la constante de Faraday (96500 J V-1
mol-1
).
Un valor negativo de la variación del potencial de reducción (ΔE0’< 0) implica que el valor
de la variación de la energía libre del sistema es positivo (ΔG0’> 0) y, por ello, está
desfavorecida termodinámicamente. Sin embargo, un valor positivo en la variación del
potencial de reducción (ΔE0’> 0) implica que el valor de la variación de la energía libre del
sistema es negativo (ΔG0’< 0) y, por ello, es favorable termodinámicamente.
En condiciones no estándar, se calcula E a partir de la ecuación de Nernst:
edador
eaceptor
nF
RTEE ln'0
Cadena respiratoria: componentes y secuencia
Los transportadores de electrones especializados son cofactores que experimentan
reacciones redox reversibles y en los procesos catabólicos se reducen conservando la
energía.
Ejemplo de este tipo de moléculas son el NAD(P)+, el FMN, el FAD, las quinonas
liposolubles y las proteínas ferrosulfuradas (o citocromos).
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En el catabolismo, hay una serie de reacciones que producen coenzimas en estado reducido,
como son:
2
2
22
22
22
FMNHeHFMN
FADHeHFAD
HNADHeHNAD
En estas reacciones, cuando se acopla con
oxígeno atómico, se ve que hay una cesión de
electrones (por parte de las coenzimas reducidas
como el FADH2 o el NADH) que se transfieren
al oxígeno para dar una molécula de agua:
La coenzima Q (o ubiquinona) es capaz de pasar
de un estado oxidado, captando dos electrones y
dos protones, a ubiquinol (o coenzima Q
reducida).
Este proceso también se puede dar a la inversa.
La coenzima Q va a transportar los electrones a
otros compuestos hasta que, mediante el uso de
oxígeno gaseoso, se de agua.
En la cadena de transporte electrónico, a parte de
la ubiquinona, también están presentes los
citocromos. Sus espectros de absorción son los
siguientes:
Donde en abscisas se representa
la longitud de onda a la que se
mide la absorbancia, que está
representada en ordenadas. Este
espectro de absorción varía en
relación de que el citocromo
esté oxidado o reducido.
La estructura de un citocromo es
un componente proteico y un
anillo con un grupo hemo, es
decir, son hemoproteínas.
½ O2 H2O
2NADH ó FADH2
Estructura general de
los citocromos c y c1
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Este grupo hemo lleva unido un
átomo de hierro, tal y como se ve
en otras proteínas como la
hemoglobina, y es este hierro el
que participará en el transporte
electrónico.
Por último, queda hablar de los
centros ferrosulfurados, que
contienen hierro y azufre, están
asociados a las proteínas a través
de residuos de cisteína.
Estos componentes de la cadena de transporte electrónico forman complejos asociándose
entre ellos y se localizan en la membrana mitocondrial interna. Hay que recordar que la
membrana mitocondrial externa es permeable a ciertos solutos iónicos mientras que la
interna no lo es.
Hemo A en los
citocromos a y a3
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Si se analizan los complejos de la cadena de transporte electrónico, se ve que los electrones
siguen estas rutas:
El complejo I o NADH–ubiquinona reductasa consta de 25 polipéptidos y capta el poder
reductor del NADH mediante la NADH deshidrogenasa, que va a oxidar el NADH a NAD+.
Esta enzima lleva el FMN, que capta los protones y los electrones y se reduce a FMNH2,
pasándose así el poder reductor del NADH. Posteriormente, ese poder se cede a los centros
ferrosulfurados, llegando, por último, a la ubiquinona, que se reduce a ubiquinol.
El complejo II o succinato–ubiquinona reductasa
consta de 4 polipéptidos y capta el poder reductor
del FADH2 para transferirlo a la ubiquinona. La
enzima que permite hacer esta transferencia es la
succinato deshidrogenasa, que cataliza la reacción
de fumarato a succinato.
En esta reacción participa el FAD, centros ferrosulfurados y un citobromo del tipo b, que es
el citocromo b560. A partir de la coenzima Q, se transfiere el poder reductor hasta el
citocromo b562 del complejo III.
I
II
III
IV
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El complejo III, citocromo c–coenzima Q oxidorreductasa o ubiquinol–citoromo c
reductasa transfiere el poder reductor desde el ubiquinol hasta el citocromo c. Tiene una
parte polipeptídica (de 2–10 polipéptidos), un peso molecular de 200 kDa y está compuesto
por varios citocromos b (b562 y b566), centros ferrosulfurados y el citocromo c1. Del
citocromo c1 se pasa el poder reductor al citocromo c.
Por último, el complejo IV o citocromo oxidasa se compone de 13 polipéptidos y contiene
los citocromos a y a3, e iones cúpricos (Cu2+
) que participan en las reacciones redox. Este
complejo IV cede los electrones desde el citocromo c al oxígeno molecular para producir
agua.
Los componentes de la cadena de transporte electrónico están ordenados de forma que el
transporte de electrones se produce desde aquellos compuestos con un potencial de
reducción más electronegativos hasta los más electropositivos.
Siempre, en los pares redox, se ordenan de más electronegativos a más electropositivos, por
lo que se está liberando energía libre de Gibbs. Como consecuencia de las reacciones redox,
se libera energía útil, y además, hay puntos de caída de energía, porque la liberación es muy
pronunciada.
'0'0 EnFG NADH / NAD
+ E0’= -0,32 V
H2O / ½O2 E0’= 0,82 V
molKcalG /6,52))32,0(82,0(230622'0
Esta liberación de energía se puede aprovechar para que la célula sintetice ATP mediante la
fosforilación de ADP.
Para estudiar la cadena de transporte electrónico, se ha usado una serie de inhibidores, tal y
como se ve en el siguiente esquema:
La rotenona y el amital, por ejemplo, actúan sobre el complejo I, bloqueando la
transferencia de electrones de los centros ferrosulfurados a la coenzima Q.
La antimicina A actúa bloqueando la transferencia de electrones desde el ubiquinol hasta el
citocromo c, es decir, interactúa con el complejo III.
Otros inhibidores, como el cianuro, el monóxido de carbono y la azida, inhiben el paso del
citocromo a3 al oxígeno molecular, es decir, interactúan con el complejo IV.
Alberto Fonte Polo
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TTeemmaa 2211 FFoossffoorriillaacciióónn OOxxiiddaattiivvaa
Estructura de la ATPasa
La fosforilación oxidativa es
la síntesis de ATP a partir de
ADP y fosfato inorgánico
( ATPPADP i ATPsintasa )
catalizada por una enzima.
Esta enzima se localiza
insertada en la membrana
mitocondrial interna y se
denomina ATP sintasa, ATP
sintetasa o ATP-asa FoF1.
En estudios con ultrasonidos (sonicación) de las mitocondrias, se obtienen unas vesículas
invertidas con unas protuberancias, las ATPasas. Si estas vesículas invertidas se tratan con
tripsina (proteasa) o urea, se separan los componentes de la ATP sintasa:
Factor Fo: Componente integrado en la membrana mitocondrial que es sensible a la
oligomicina, este compuesto se une al factor Fo inhibiendo la síntesis de ATP.
Factor F1: que es la “protuberancia” que se ve al microscopio electrónico.
Estas estructuras son incapaces de sintetizar el ATP cuando se separan, es decir, que la
enzima ATP sintasa se compone de estos dos factores. Sin embargo, el factor que presenta
actividad ATPasa es el factor F1, y por ello, a la ATP sintasa se la puede denominar como
ATPasa Fo F1.
Estructura de la ATP sintasa:
El factor Fo es la base de la ATP sintasa y se compone de 3 subunidades: a, b y c. La
subunidad c está formada por 12 estructuras proteicas que atraviesan la membrana
mitocondrial interna. La subunidad a también está inserta en la membrana, e interacciona
con la subunidad b, que sirve de unión al factor F1.
El factor F1 se divide en:
tallo: se compone de dos subunidades proteicas.
nudo: contiene tres subunidades α y tres subunidades β, y los seis polipéptidos
están dispuestos como los gajos de una naranja. También hay un polipéptido γ, un
polipéptido ε y un polipéptido δ.
Bioquímica 2º cuatrimestre
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Hipótesis de la fosforilación oxidativa
A lo largo de la historia de la bioquímica, ha habido varias hipótesis para explicar el
aprovechamiento de la energía del transporte electrónico mitocondrial para realizar la
síntesis de ATP. Estas hipótesis son:
Hipótesis del acoplamiento químico: esta hipótesis suponía que, en la cadena de
transporte electrónico, se generaban componentes como el fosfoenolpiruvato (PEP) o la
creatina fosfato (CP) que participaban en la síntesis de ATP por una reacción acoplada. Sin
embargo, fue descartada porque no existe ningún componente químico de elevada energía
en el transporte electrónico.
Hipótesis del acoplamiento conformacional: según algunos autores, la fosforilación
oxidativa se podía producir sobre alguna molécula de la membrana mitocondrial interna, lo
que conllevaba a un cambio de la conformación a una molécula con una conformación de
elevada energía que recogía, de ese modo, la energía del transporte electrónico. Esa energía,
posteriormente, se cedía para la síntesis del ATP. Esta hipótesis fue descartada porque no se
ha visto ningún cambio conformacional en ninguna molécula de la membrana mitocondrial
interna.
Hipótesis del acoplamiento quimiosmótico: es la hipótesis que se considera verdadera,
sostiene que la fosforilación oxidativa es la consecuencia del transporte electrónico
mitocondrial, dado que se produce el bombeo de hidrogeniones desde la matriz al espacio
intermembranoso. Esto conlleva que el lado externo tiene mayor carga positiva, mientras
que el lado interno tiene mayor carga negativa. Además, como la concentración de protones
en el exterior es mayor que en el interior, se ve una diferencia de pH considerable. Con
esto, se produce un gradiente electroquímico ( H
) de protones con dos componentes:
- Variación del potencial de membrana (Δψ): es la consecuencia del cambio de carga
positiva y negativa.
- Variación del pH (ΔpH): se produce entre dos compartimentos (el espacio
intermembranoso y la matriz mitocondrial).
Así, la fórmula del gradiente electroquímico de H es: F
pHTRH
3,2
Función de la ATPasa
La ATP sintasa, para cada uno de los dímeros αβ del factor F1, puede tener tres
configuraciones distintas:
Conformación laxa (L).
Conformación compacta o tensa (T).
Conformación abierta (O): en esta configuración es donde puede entrar ADP y
fosfato inorgánico o salir ATP.
Alberto Fonte Polo
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Primero, entra ADP y fosfato inorgánico en un dímero αβ cuya conformación es abierta.
Con esto, llega energía, que hace que se cambie la conformación de todos los dímeros, de
modo que siempre se pasa de un dímero O a uno L; de L se pasa a T; y de T se pasa a O.
Con esto, se permite que salga el ATP previa síntesis. Tras este primer cambio
conformacional de dímero O a L, la subunidad γ gira entre 60º y 120º y, en una segunda
etapa, en el dímero T se produce la síntesis de ATP.
Se sabe que una molécula de NADH va a bombear 10 protones, mientras que una molécula
de FADH2 bombeará 6 H+. Para la síntesis de cada molécula de ATP, se requiere que la
ATP sintasa bombee 4 protones. Así, en realidad, se dice que:
Por cada molécula de NADH se forman 2,5 moléculas de ATP
Por cada molécula de FADH2 se forman 1,5 moléculas de ATP
Por convenio se dice que:
Por cada molécula de NADH se forman 3 moléculas de ATP
Por cada molécula de FADH2 se forman 2 moléculas de ATP
Además, la síntesis de ATP y la actividad del transporte electrónico dependen del contenido
energético de la célula. A mayor energía de la célula, menor síntesis de ATP y, a menor
energía intracelular, se aumentará la síntesis de ATP. Esto se debe a que las
concentraciones de ADP y ATP en la célula están estrechamente relacionadas en un
cociente que es constante:
ADP
ATPK
Bioquímica 2º cuatrimestre
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Lanzaderas
La cadena transportadora de electrones consume NADH y produce NAD+. Sin embargo,
este NADH proviene del citosol y de diversas rutas metabólicas. Así, surge ahora una
pregunta: ¿cómo es posible que el NADH del citosol entre en la mitocondria?
Esto se soluciona con lo que se conoce como lanzaderas, que son sistemas que
permiten “bombear” el NADH producido en el citosol al interior mitocondrial por medio de
isoenzimas.
Lanzadera dihidroxiacetona fosfato/glicerol-3-fosfato: el NADH va a ser utilizado en el
citosol oxidándose a NAD+ en una reacción acoplada (que es la reducción de la
dihidroxiacetona fosfato a glicerol–3–fosfato). Esta reacción está catalizada por la glicerol–
3–fosfato deshidrogenasa citosólica.
Posteriormente, el glicerol–3–fosfato atraviesa la membrana mitocondrial externa
(dado que ésta no es impermeable) y llega a la membrana mitocondrial interna. Allí, este
glicerol–3–fosfato se transforma en dihidroxiacetona fosfato por una isoenzima de la
glicerol–3–fosfato deshidrogenasa (que es una enzima mitocondrial) usando el poder
reductor de la reacción de reducción del FADH2 ( 2
2 FADHFAD ). La dihidroxiacetona
fosfato atraviesa libremente la membrana externa y se repite de nuevo este ciclo.
Lanzadera malato/aspartato: en el citosol el NADH + H
+ se usa para reducir el
oxalacetato (que es un componente de cuatro carbonos) a malato, oxidándose así a NAD+
por medio de la malato deshidrogenasa. Este malato atraviesa las dos membranas
mitocondriales, dado que en el interior de la mitocondria se encuentra con un sistema
transporte que le introduce en la matriz.
Dentro de la mitocondria, se da la reacción inversa, es decir, de malato se oxida a
oxalacetato, usando el NAD+ para reducirse a NADH. Esta reacción esta catalizada por la
isoenzima malato deshidrogenasa mitocondrial.
Tras esto, se produce la transaminación del ácido glutámico (Glu) con un
oxalacetato para dar lugar al ácido α-cetoglutámico (que es un α-cetoácido) y aspartato
(Asp).
Ambos van a ir al espacio intermembrana por medio de dos sistemas de transporte:
- En uno, el malato entra y el α-cetoglutarato sale.
- En el otro, el ácido glutámico (Glu) entra y el aspartato (Asp) sale.
En el citosol, se produce la reacción inversa a la de la mitocondria:
oOxalacetatGluAspatocetoglutar satransaminaAspartato 5 C 4 C 5 C 4 C
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Componentes enzimáticos de la membrana mitocondrial interna
Cuando el NADH cede su poder reductor y se usa para la síntesis de ATP, este ATP se ha
de situar posteriormente en el hialoplasma. Además, el fosfato inorgánico que se usa en la
síntesis de ATP se irá gastando en la mitocondria. Por esto, tendrá que haber sistemas de
transporte en alguna de las membranas mitocondriales.
La membrana mitocondrial externa es muy permeable y, por ello, lo más probable es que no
haya sistemas de transporte. Sin embargo, la membrana mitocondrial interna es
impermeable a todos los componentes celulares, salvo los que tienen sistema de transporte.
Enzimas que se encuentran en la membrana mitocondrial interna:
Adenina nucleótido translocasa: esta enzima expulsa al citosol una molécula de
ATP y permite la entrada de una molécula de ADP.
ATP sintasa FoF1.
Fosfato translocasa: puede actuar de dos modos:
o Modo antiporte: un antiporte es aquel transporte activo en el que entra una
sustancia a cambio de la salida de otra. En este caso, entra un ión
dihidrógenofosfato (H2PO4–) y sale un ión hidroxilo (OH
–).
o Modo simporte: un simporte es aquel transporte activo en el que entran dos
sustancias a la par. En este caso, entran un ión H2PO4– y dos protones (2H
+).
Sistema de transporte de piruvato: el piruvato se produce por la glucolisis y se
transporta al interior bombeando al exterior iones hidroxilo, de modo que se da un
antiporte.
Sistemas de transporte de moléculas del ciclo de Krebs (succinato, malato,
fumarato): este sistema de transporte de ácidos dicarboxílicos funciona mediante la
introducción de uno de estos ácidos bombeando un fosfato inorgánico u otro ácido
dicarboxílico distinto al citosol.
Sistemas de transporte de ácidos tricarboxílicos (citrato o isocitrato): estos
sistemas de transporte permiten la entrada de citrato o isocitrato a cambio de la
salida de isocitrato, citrato o un ácido dicarboxílico.
Bioquímica 2º cuatrimestre
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TTeemmaa 2222 EEssttrruuccttuurraa,, FFuunncciióónn yy PPrrooppiieeddaaddeess FFiissiiccooqquuíímmiiccaass ddee llooss GGllúúcciiddooss
Concepto de glúcido, funcionalidad y clasificación
Los hidratos de carbono o glúcidos son polihidroxicetonas o polihidroxialdehídos. La
fórmula empírica de estos compuestos se escribe como (CH2O)n, como puede ser la glucosa
(C6H12O6).
Un glúcido o azúcar puede realizar las siguientes funciones en las células:
Función energética: todos los azúcares se degradan en el metabolismo.
Función de reserva energética: como el glucógeno (en animales) y el almidón (en
vegetales).
Función estructural: como es el caso de la celulosa (en la pared celular de
vegetales) o de la quitina (de la pared celular de hongos).
Función de reconocimiento: como se ve en el glicocálix (cuyos ejemplos más
notables son los antígenos de la sangre, o el anclaje de los virus).
Pueden actuar como lubricantes en las articulaciones.
Forman parte de lípidos (glucolípidos) y de proteínas (glucoproteínas).
Los azúcares se pueden clasificar en:
Monosacáridos: son los glúcidos más simples y constan de una única unidad de
polihidroxialdehído o polihidroxicetona, como es el caso de la D–Glucosa.
Oligosacáridos: cadenas cortas de monosacáridos (2-10). Si está formado por dos
unidades se trata de un disacárido, si está formado por tres unidades es un
trisacárido... Ejemplos de oligosacáridos son la sacarosa y la lactosa.
Polisacáridos: son polímeros formados por centenares o millares de unidades de
monosacáridos, como por ejemplo la celulosa.
Monosacáridos: clasificación, estructura y propiedades
Los monosacáridos son los azúcares más sencillos y todos se caracterizan por
la presencia de grupos alcohol. Sin embargo, estos monosacáridos se
diferencian en la presencia de un grupo ceto o un
grupo aldehído y por ello, se las puede clasificar en:
Cetosas: son las polihidroxicetonas, como es
el caso de la dihidroxiacetona y la D–fructosa.
Aldosas: son los polihidroxialdehídos, como
pueden ser el gliceraldehído y la D–glucosa.
Estas aldosas y cetosas pueden tener distinto número de
carbonos. Así, según el número de carbonos, un
monosacárido, independientemente de su grupo funcional,
podrá ser una triosa (si tiene tres carbonos), tetrosa (si tiene
cuatro carbonos), pentosa (si tiene cinco carbonos), hexosa
(si tiene seis carbonos) y heptosa (si tiene siete carbonos). gliceraldehído
D–fructosa dihidroxiacetona
D–glucosa
Bioquímica 2º cuatrimestre
22
Clasificación de los monosacáridos:
Nº de carbonos Aldehído Cetona
3 Aldotriosa Cetotriosa
4 Aldotetrosa Cetotetrosa
5 Aldopentosa Cetopentosa
6 Aldohexosa Cetohexosa
7 Aldoheptosa Cetoheptosa
Estructuralmente, la aldotriosa más sencilla que hay es
el gliceraldehído, y la cetotriosa más sencilla es la
dihidroxicetona.
El gliceraldehído puede dar a lugar a dos isómeros
ópticos (D–gliceraldehído y L–gliceraldehído) por la
presencia de un carbono asimétrico (Cβ) que es un
centro quiral.
Esto confiere a los monosacáridos una propiedad
óptica, que es la desviación de la luz polarizada al
atravesarlos. Se denominan dextrógiros si desvían la
luz hacia la derecha y levógiro si desvían la luz
hacia la izquierda.
Los compuestos D son aquellos que presentan el grupo hidroxilo del carbono asimétrico a la
derecha y los compuestos L son los que tienen el hidroxilo a la izquierda del centro quiral.
Serie del D–gliceraldehído
Alberto Fonte Polo
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Los átomos de carbono de un azúcar se numeran a partir de la cadena más próxima al grupo
carbonilo. Se puede decir que, en general, una molécula con n centros quirales puede tener
2n estereoisómeros. Así, el gliceraldehído podrá tener 2 estereoisómeros, las aldotetrosas
tendrán 4 isómeros…
Serie de la dihidroxicetona (serie de la D–eritrulosa)
En disolución los monosacáridos, como la D–Glucosa,
de estructura lineal se pueden ciclar. Este ciclado se
forma entre el hidroxilo del carbono 5’ y el carbono 1’
del azúcar. En este caso, se realiza un ataque
nucleofílico y se forma un anillo de 6 miembros.
En la D–glucosa el radical hidroxilo se sitúa hacia abajo,
mientras que en la L–glucosa se sitúa hacia arriba.
El C1 ahora también será asimétrico en esta forma
cíclica, dado que tiene cuatro sustituyentes. Esto hace
que tenga también las propiedades ópticas anteriormente
mencionadas y, también, se volverá un centro quiral con
dos isómeros. Por ello, a este carbono se le denomina
carbono anomérico.
La D-glucosa cuando esta ciclada se denomina como α-
D-glucopiranosa y β-D-glucopiranosa según la posición
del grupo alcohol (si está hacia abajo o hacia arriba
respectivamente). El nombre de
piranosa (glucopiranosa) se debe
a que el anillo de seis miembros
recuerda a un compuesto
orgánico denominado pirano.
Bioquímica 2º cuatrimestre
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La α-D-glucopiranosa y β-D-glucopiranosa son anómeros y el proceso por el cual se
interconvierten la α-D-glucopiranosa a β-D-glucopiranosa y viceversa es la mutarrotación.
Estos anillos no son planos, sino que pueden adoptar dos conformaciones distintas:
Conformación de silla: esta conformación se
caracteriza por tener cada enlace C–C de
manera escalonada, librándose tanto de la
tensión angular como de la tensión torsional.
Por ello, se encuentra en un mínimo
energético y de ahí que las moléculas cíclicas
tengan, generalmente esta conformación.
Conformación de bote: esta conformación tiene conjuntos de
enlaces eclipsados. La conformación de bote es menos estable
que la de silla (hay tensión debido al acercamiento de los
hidrógenos). Además, se considera que está en un máximo
energético, por lo que sería un estado de transición.
Estas conformaciones son interconvertibles sin necesidad de romper ningún enlace
covalente.
La D–Fructosa es una cetosa que tiene seis carbonos y su grupo ceto está en
el C2. Debido a esto último, en una solución acuosa forma un anillo de cinco
miembros que recuerda a la estructura del furano. Y por ello se habla de α–
D–fructofuranosa o β–D–fructofuranosa.
Como hay un nuevo centro anomérico, esta fructosa tiene propiedades ópticas. Todos estos
anillos (tanto el de la glucosa como el de la fructosa) se forman en reacciones que se dan
entre los grupos hidroxilo y los aldehídos o cetonas, formando los hemiacetales o
hemicetales.
En el caso de la
ribosa, se da también
mutarrotación, pero
puede optar por ser
una piranosa o una
furanosa.
Alberto Fonte Polo
25
En resumen, se puede hablar de cuatro isomerías en los monosacáridos:
1. Enantiómeros: estereoisómeros que son imágenes especulares uno del otro.
2. Diastereoisómeros: estereoisómeros que se diferencian en los sustituyentes
situados en torno al carbono asimétrico.
3. Anómeros: estereoisómeros que difieren en la configuración del carbono
anomérico.
4. Isómeros conformacionales: son moléculas con la misma configuración
estereoquímica pero que difieren en su conformación tridimensional (Silla/Bote).
También hay que mencionar que los monosacáridos tienen una serie de derivados que son
muy importantes en biología. Estos derivados de azúcares son:
Aminoazúcares: son aquellos derivados de monosacáridos que tienen un grupo
amino, como la β-D-galactosamina y la β-D-manosamina.
Estos aminoazúcares se suelen ver en las glucoproteínas (como la β-D-
glucosamina) o con grupos acetilo junto al amino, tal y como se puede observar en
la N-acetil-β-D-glucosamina.
Desoxiazúcares: son azúcares que pierden el
grupo hidroxilo en su cadena y se sustituye por
un hidrógeno. Ejemplos de desoxiazúcares son la
2-desoxirribosa, la L-fucosa y la L-ramnosa. La
desoxirribosa está presente en el ADN, la fucosa
forma parte de los poliósidos de la leche y las
glucoproteínas, y la ramnosa está presente en la
pared de células bacterianas y vegetales.
Derivados fosforilados: son azúcares que tienen unido a éste
un grupo fosfato, como es el caso de la D-glucosa-6-fosfato.
La función de estos derivados es participar en las rutas
metabólicas como metabolitos.
Derivados acídicos: son ácidos derivados de monosacáridos. Hay dos tipos de
azúcares acídicos:
o Aldónicos: en este caso, el grupo formilo del carbono primero (C1) se oxida
a un grupo carboxilo, tal y como se sucede en el D-gluconato.
o Urónicos: en este caso, el carbono que se oxida a grupo carboxilo es el
carbono 6 (C6), tal y como se ve en el glucuronato.
Bioquímica 2º cuatrimestre
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Un ejemplo de ácido acídico es el ácido siálico, que es un derivado acídico aldónico
de un aminoazúcar:
Está presente en las glucoproteínas de la membrana plasmática del hematíe. Se ha
visto que la proporción de ácido siálico en dicha membrana varía según envejece el
glóbulo rojo. El hecho de que disminuya la cantidad de ácido siálico actúa como
señal de envejecimiento, de modo que el glóbulo rojo es retirado de la sangre.
Azúcares reductores: monosacáridos que
actúan como agentes reductores. Ejemplo: la
D-glucosa, en presencia de iones cobre,
participa en reacciones redox. La D-glucosa se
oxida a D-gluconato, y el cobre se reduce
(2Cu2+
→ 2Cu+).
Oligosacáridos. Disacáridos
Los disacáridos son los oligosacáridos más sencillos, son el resultado de la unión de dos
monosacáridos que forman un enlace O–glucosídico entre ellos, se produce una reacción de
condensación (pérdida de H2O). Estos enlaces se pueden formar entre los mismos azúcares
y entre distintos azúcares.
Ejemplo: formación de la maltosa:
En ese caso, se produce una unión entre dos azúcares α-D-glucosa, donde se pierde una
molécula de agua y se da lugar a la O-α-D-glucopiranosil-(1→4)-α-D-glucopiranosa o
maltosa.
Este enlace O–glucosídico se denomina así porque se forma a través del oxígeno como
puente de unión. Si en lugar de un oxígeno, hubiera un nitrógeno, sería un enlace N–
glucosídico, tal y como sucedía en los ácidos nucleicos.
Otros disacáridos importantes en biología son:
Lactosa (O-β-D-galactopiranosil-(1→4)-β-D-
glucopiranosa): este disacárido se produce por
la unión de la galactosa y la glucosa mediante
un enlace O-glucosídico entre el C1 de la
galactosa y el C4 de la glucosa.
Alberto Fonte Polo
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Sacarosa (O-α-D-glucopiranosil-(1→2)-
β-D-fructofuranósido): este disacarido se
produce por la unión de una glucosa con
una fructosa mediante un enlace O-
glucosídico entre el C1 de la glucosa y el
C2 de la fructosa. En este caso, la
terminación ósido se debe a que se podría
confundir con el anillo de la fructosa
(fructofuranosa). Este disacárido es el
azúcar de mesa.
Trehalosa (O-α-D-glucopiranosil-(1→1)-
α-D-glucopiranosa): este disacárido son
dos glucosas donde la unión glicosídica
involucra los grupos hidroxilos de los dos carbonos anoméricos. Como no hay
carbonos anoméricos libres, se pierde el poder reductor.
Polisacáridos
Los polisacáridos o glucanos son glúcidos que contienen un elevado número de unidades de
monosacáridos y cuyo peso molecular puede ser variable porque puede variar el número de
unidades de monosacáridos. Las cadenas pueden ser lineales o ramificadas. Clasificación:
Homopolisacáridos: si tienen las mismas unidades de monosacáridos, es decir, si el
polímero se compone del mismo monosacárido repetido n veces. A éstos, se les
clasifica según su funcionalidad:
o De reserva: si sirven para el almacén de monosacáridos que luego serán
degradados en caso de necesidad por parte de la célula.
o Estructural: si sirven para conferir propiedades mecánicas a las células.
Heteropolisacáridos: si tienen distintas unidades de monosacáridos. Todos estos
heteropolisacáridos son estructurales.
Homopolisacáridos de reserva:
Almidón: es un homopolisacárido de reserva energética en plantas. Se divide, a su
vez, en:
o Amilosa: es un homopolisacárido lineal cuyo número de unidades de α–D–
glucosas va desde unos miles a 500.000. Estos monosacáridos están unidos
entre sí por enlaces glucosídicos (α1→4):
Espacialmente, esta amilosa forma una hélice:
Bioquímica 2º cuatrimestre
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o Amilopectina: es un homopolisacárido ramificado que se compone de hasta
106 unidades de α–D–glucosas, que, en la cadena principal, se unen como
en el caso de la amilosa, con enlaces (α1→4), pero cada 24–30 residuos se
ramifica, viéndose así enlaces glucosídicos (α1→6). Espacialmente, tiene
una forma similar a la amilosa, pero con ramificaciones.
Glucógeno: es un homopolisacárido ramificado de reserva energética en células
animales (en los hepatocitos y en las fibras musculares) y en bacterias. Se compone
de varios millones de unidades de α–D–glucosa, que, en la cadena principal, se
unen como en el almidón, con enlaces (α1→4), pero cada 8-12 residuos se
ramifica, viéndose así enlaces glucosídicos (α1→6), de modo parecido a la
amilopectina.
Homopolisacáridos estructurales:
Celulosa: es un homopolisacárido que se encuentra en las paredes de las células
vegetales, confiriéndoles resistencia y rigidez, cuya estructura es lineal y se
compone de hasta 15000 unidades de β–D–glucosa unidas por enlaces glucosídicos
(β1→4). Este enlace glucosídico permite el giro de los monómeros de glucosa y por
ello, se ve que, en su estructura lineal, las glucosas están rotadas:
Sin embargo, esta molécula es rígida por el elevado número de puentes de
hidrógeno que se producen entre las fibras de celulosa.
Alberto Fonte Polo
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Quitina: es un homopolisacárido que se encuentra en los exoesqueletos de
artrópodos (insectos, crustáceos, arañas…), cuya estructura es lineal, como en el
caso anterior, y se compone de un elevado número de unidades de N–acetil-
glucosamina unidas por enlaces glucosídicos (β1→4), cada unidad gira 180º
respecto de la anterior y de la siguiente.
Heteropolisacáridos:
Peptidoglucanos: son heteropolisacáridos que tienen una pequeña proporción de
péptidos. Se encuentran, fundamentalmente, en la envoltura celular bacteriana,
donde les confiere rigidez. Este heteropolisacárido es una cadena lineal con una
elevada cantidad de unidades de N–acetilglucosamina y N–acetilmurámico que se
unen entre sí por un enlace glucosídico (β1→4). Los péptidos están unidos al ácido
N-acetilmurámico, difieren según si la bacteria es Gram positiva o Gram negativa.
En las células grampositivas el tetrapéptido es (L–Ala)–(D–Glu)–(L–Lys)–(D–Ala).
Los peptidoglucanos pueden ser atacados por enzimas como la lisozima, que se
encuentra en las lágrimas y en la saliva y que rompe los enlaces glicosídicos
(β1→4) entre el ácido N–acetilmurámico y la N–acetilglucosamina.
Bioquímica 2º cuatrimestre
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Glucosaminoglucanos: los glucosaminoglucanos son heteropolisacáridos que están
presentes en determinados líquidos como el líquido sinovial (cuya función es
lubrificar la rótula) y el humor vítreo (en el que desempeña la función de aumentar
la viscosidad). Generalmente, están constituidos por dos monosacáridos:
- Ácido urónico: que suele ser ácido glucurónico.
- Aminoazúcar: que puede ser o bien N–acetilglucosamina o bien N–
acetilgalactosamina. Estos aminoazúcares, además, están sulfatados.
Ejemplos de glucosaminoglucanos son:
o Hialuronato o ácido Hialurónico: es una cadena lineal compuesta por ácido
glucurónico y N–acetilglucosamina, que se repite hasta 50000 veces,
formando una cadena de longitud variable. Estos dos monosacáridos están
unidos por un enlace β–glicosídico 1→3.
Sin embargo, la unión entre la N–acetilglucosamina y el ácido glucurónico
se da por medio de un enlace β–glicosídico 1→4.
o Sulfato de condroitina o condroitín sulfato: es una cadena lineal compuesta
por ácido glucurónico y N–acetilgalactosamina sulfatada, que, como en el
caso anterior, están unidas por un enlace β–glicosídico 1→3, pese a que la
unión entre la N–acetilgalactosamina sulfatada y el ácido glucurónico se da
por medio de un enlace β–glicosídico 1→4.
El número de disacáridos que hay por cadena es de 20 a 60.
o Sulfato de queratán o queratán sulfato: es una cadena lineal compuesta por
galactosa y N–acetilglucosamina sulfatada, que están unidas por un enlace
β–glicosídico 1→4, y la unión que se da entre la N–acetil-glucosamina
sulfatada y la galactosa se da por medio de un enlace β–glicosídico 1→3. El
número de disacáridos que hay por cadena es siempre mayor a 25.
Alberto Fonte Polo
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Proteoglucanos: son heteropolisacáridos similares a los anteriores, dado que es la
unión de un glucosaminoglucano a una proteína. La parte peptídica es mayor que la
del peptidoglucano, pero siguen siendo más importantes los glúcidos que la
proteína. Se puede ver en las articulaciones de vertebrados, como el cartílago.
En este caso, la composición es la de una larga cadena de ácido hialurónico
unido a proteínas de enlace (proteínas núcleo), pero de forman no covalente. Esta
proteína de enlace se ve cada 40 nm y, en ésta, se unen glucosaminoglucanos (que
pueden ser condroitín sulfato o queratán sulfato) de manera covalente a residuos de
serina.
Glucoproteínas
Son proteínas que están integradas en la membrana celular y que tienen componentes
glucídicos, que están en un porcentaje pequeño si se
compara con los proteoglucanos o los peptidoglucanos.
Los glúcidos más comunes que forman parte de las
glicoproteínas son: manosa, galactosa, N–
acetilglucosamina y N–acetilgalactosamina, los cuales
se enlazan con residuos de treonina y asparagina.
Las glucoproteínas son importantes porque sirven como
punto de reconocimiento de virus, como determinantes
antigénicos para la sangre, para generar cargas negativas
(como en el sistema nervioso)…
Bioquímica 2º cuatrimestre
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TTeemmaa 2233 CCaarrbboohhiiddrraattooss ddee llaa DDiieettaa
Digestión de los carbohidratos
La degradación metabólica se da a nivel celular, mientras que, la digestión se da a nivel
extracelular y no solamente actúan enzimas, sino que hay además movimientos mecánicos.
En la dieta, se ingieren principalmente glucosa, una serie de disacáridos (como la lactosa, la
sacarosa…) y polisacáridos.
En los países occidentales, los glúcidos forman parte del 50% de la dieta, y son, por ello, un
componente importante. En países poco desarrollados los glúcidos llegan a ser el 80% de la
dieta. Para que sean asimilados, han de ser hidrolizados a monosacáridos en la digestión.
La digestión de los carbohidratos es un proceso secuencial, comienza en la boca con la
actuación de las enzimas de la saliva, posteriormente intervienen las enzimas pancreáticas,
y finalmente las enzimas del intestino delgado.
Los oligosacáridos dan lugar a los monosacáridos de los que están compuestos en el tubo
digestivo por medio de la acción de las enzimas glucosidasas, que son de dos tipos:
α–Amilasas y glucogenasas: están presentes en la saliva y es parte de la secreción
de enzimas del páncreas exocrino. Estas enzimas hidrolizan los enlaces glucosídicos
α(1→4) presentes en la amilosa, la amilopectina y el glucógeno, comenzando por el
extremo no reductor (es decir, en aquellos donde el carbono anomérico está libre) y
liberando unidades de glucosa hasta verse dos residuos próximos al final de la
cadena de polisacáridos mediante una hidrólisis. No hidrolizan las ramificaciones
que se mantienen por enlaces glucosídicos α(1→6). Así, la reacción que se da es la
siguiente: Polisacárido amilasa Oligosacáridos + n glucosa. Donde estos
oligosacáridos tienen una composición de maltosa o maltotriosa y pueden ser
lineales o ramificados, conteniendo hasta 6 unidades de glucosa. Esto es lo que se
suele denominar restos de polisacáridos o, más correctamente, α-dextrinas.
Oligosacaridasas: estas enzimas completan la digestión iniciada por las α-amilasas.
Se producen en las células con borde en cepillo de la mucosa intestinal del yeyuno e
ileon, y son hidrolasas (glicoproteínas de peso molecular elevado que actúan a un
pH óptimo de 6) que escinden los enlaces glucosídicos. Hay distintos tipos:
o α–glucosidasa, exo 1→4 α D glucosidasa o glucoamilasa: actúa sobre la
maltosa y sobre la maltotriosa, rompiendo los enlaces glucosídicos α(1→4)
sobre el extremo no reductor de cadenas lineales, originando restos de
glucosa. No hidroliza los enlaces glucosídicos en los puntos de ramificación.
o α–dextrinasa, isomaltasa u oligo-1,6-glucosidasa: actúa en el intestino
delgado rompiendo los enlaces α(1→6) de las ramificaciones y los enlaces
α(1→4) de los extremos reductores. Sirve para la hidrólisis del almidón y
del glucógeno. Los polisacáridos van a quedar hidrolizados totalmente a
varias unidades de glucosa.
Alberto Fonte Polo
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o lactasa o β–galactosidasa: escinde la lactosa en galactosa y glucosa.
o sacarasa o β–fructofuranosidasa: escinde la sacarosa en fructosa y glucosa.
o trehalasa: rompe los enlaces glucosídicos de la trehalosa, que es un
disacárido de reserva en insectos y hongos, son dos moléculas de glucosa
unidas por un enlace α(1→1), por lo que es un azúcar no reductor.
La α–dextrinasa y la sacarasa se sintetizan como un único polipéptido apolar, hidrofóbico,
que entra en la membrana del epitelio intestinal, posteriormente una proteasa rompe la
proteína quedando las dos enzimas funcionales.
En algunos invertebrados, se pueden ver celulasas que rompen los enlaces β–glucosídicos,
que en otros animales, no se pueden digerir.
Absorción de los carbohidratos
Tras la digestión de los glúcidos, lo que se tiene es un conjunto de monosacáridos que se
han de absorber en distintas proporciones para que el organismo los pueda usar como
fuente de energía. Así, en los animales, los azúcares que se absorben, de mayor a menor
cantidad son: D–Glucosa, D–Galactosa, D–Fructosa, D–Manosa, D–Xilosa y D–Arabinosa.
Es decir, se absorben principalmente la glucosa y la galactosa en el animal, pero siempre
habrá una pequeña parte que no se absorberá, sino que se perderá.
Los mecanismos de absorción se dan a nivel intestinal, y en el caso de la glucosa, su
absorción la realizan las células en cepillo del epitelio intestinal, debido a que la glucosa es
muy elevada en el lumen intestinal pero es escasa en el epitelio.
Bioquímica 2º cuatrimestre
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Hay un proceso de transporte pasivo en la luz del intestino que, en verdad, es una difusión
facilitada. El transporte pasivo depende del gradiente de concentración (por lo que no
requiere energía) y, además, necesita un transportador, que es específico. Si no hay
gradiente de concentración, se finaliza la difusión.
Sin embargo, hay que destacar la presencia de un transporte activo por parte de una
proteína que introduce iones Na+ y moléculas de glucosa (en lo que se conoce como un
simporte) al interior de las células del epitelio intestinal.
Posteriormente, hay un transportador que bombea glucosa al
torrente sanguíneo, pero para recuperar el equilibrio iónico, hay
otro transportador que, lo que hace, es un antiporte de iones Na+ y
K+. Lo que sucede es que el ión sodio se va al torrente sanguíneo
y el ión potasio va al interior de la célula. Este transportador es lo
que se conoce como bomba Na+/K
+ y requiere ATP para su
funcionamiento, es decir, tiene actividad ATPasa.
La concentración de iones Na+ dentro de la célula epitelial es baja porque continuamente se
está bombeando iones sodio hacia el sistema circulatorio. Este sistema, por el contrario, no
requiere gradiente de glucosa y tiene actividad ATPasa.
Destino metabólico y regulación del nivel de la glucosa: el hígado
Hay un 50% de la glucosa que se metaboliza en los enterocitos, dando lugar a lactato y ATP
por la glucólisis, debido a que es una serie de reacciones catabólicas. El lactato se transporta
en la sangre hasta el hígado, donde será transformado en glucosa, requiriendo ATP.
Lactato → Piruvato → Glucosa
Esto es lo que se conoce como gluconeogénesis o síntesis de novo de la glucosa y es un
reacción anabólica. Este proceso consume más energía que la que produce la glucólisis y,
por lo tanto, el transporte de lactosa para formar glucosa posteriormente sale caro. A pesar
de este aparente problema, le es rentable porque disminuye la concentración de glucosa en
los enterocitos y sirve para difundir de forma pasiva la glucosa.
Hay dos situaciones en las que se va a considerar al organismo como reservorio de glucosa
y que suministra dicho recurso a otros órganos y tejidos:
Estado postprandial: tras la ingesta de alimentos ricos en hidratos de carbono, los
niveles de glucosa aumentan en el animal y será usada por los órganos y tejidos
(cerebro, riñón, tejido adiposo, músculo...) bien consumiéndola, bien acumulándola.
En el hígado, el exceso de glucosa se acumulará como glucógeno en la
glucogenogénesis.
Ayuno: como no existe aporte de glucosa, los niveles de glucosa han de estar en un
estado de equilibrio (homeostasis) en el cuerpo. Por ello, el glucógeno del hígado se
degrada en la glucogenolisis y la glucosa va a llegar a los tejidos por medio de la
sangre. Además a partir de otros metabolitos puede haber una síntesis “de novo” de
la glucosa (gluconeogénesis).
Alberto Fonte Polo
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En resumen, en el organismo siempre tiene que estar la concentración de glucosa en lo que
se conoce como nivel de normoglucemia, puesto que si no sucede esto, se puede caer en
enfermedades como la diabetes.
Patologías asociadas a la digestión y absorción de azúcares
Las patologías que se pueden dar en relación con la digestión y absorción de determinados
glúcidos se deben, principalmente, a que algunas enzimas de la digestión son defectuosas.
Así, se podrán diagnosticar las siguientes enfermedades si las siguientes enzimas están
defectuosas o en muy baja concentración:
α–Amilasa pancreática: en niños pequeños, se puede presentar una deficiencia que
impide degradar adecuadamente el almidón en los primeros meses de vida. En los
adultos, no se suele dar la deficiencia de esta enzima porque hay un exceso de ella.
Los signos por los que se presenta esta deficiencia es que aumenta la presión
osmótica debido a la permanencia de los polisacáridos, causando la salida de agua
de los enterocitos (es decir, deshidratación) y la consecuente diarrea.
Oligosacaridasas: la deficiencia de estas enzimas causa la enfermedad celíaca,
cuya sintomatología y detección es similar a la del caso anterior. La única solución
que hay es no dar alimentos con gluten.
Lactasa: su deficiencia se manifiesta durante la infancia. En los mamíferos, la
concentración de lactasa es alta cuando el animal es una cría, y disminuye esta
concentración cuando deja de tomar leche materna. En el caso de la deficiencia de la
lactasa, lo que sucede es que la lactosa no se puede hidrolizar, y por ello, sufren los
mismos síntomas que en los dos casos anteriores. La solución que se da, en este
caso, es no dar ningún alimento con lactosa.
Además, también se puede detectar esta deficiencia mediante una biopsia,
puesto que se ve estos efectos en la mucosa intestinal, o mediante un análisis de
sangre, debido a la falta de elevadas concentraciones de glucosa y galactosa tras la
ingestión de la leche.
Bioquímica 2º cuatrimestre
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Aspectos generales del metabolismo de carbohidratos
Alberto Fonte Polo
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TTeemmaa 2244 GGlluuccóólliissiiss
Importancia de la glucosa en las células
La glucólisis es la degradación de una molécula de glucosa a dos moléculas de piruvato. Es
una ruta catabólica (de oxidación) que permite la obtención de energía en forma de ATP, es
una ruta citosólica, es una ruta anaeróbica, ya que no necesita oxígeno, y es una ruta
universal, es decir, ocurre en todas las células del organismo, y en todos los organismos.
Esta glucosa procede de la dieta y, su degradación se da principalmente de dos maneras:
Glucólisis: cuyo resultado será la obtención de dos moléculas de ácido pirúvico que
se degradará en:
o Acetil–CoA: si se hace en condiciones aerobias (es decir, en presencia de
oxígeno), en el proceso denominado respiración. Este acetil–CoA entra en el
ciclo de Krebs, donde se degradará totalmente, dando lugar dióxido de
carbono y agua.
o Lactato o etanol: si se hace en condiciones anaerobias (es decir, en ausencia
de oxígeno), en lo que se conoce como fermentación láctica o alcohólica
respectivamente.
Ruta de las pentosas fosfato: en esta ruta se obtendrán otros carbohidratos, como
la ribosa–5–fosfato, necesaria para la formación de ácidos nucleicos.
Esta glucosa se puede almacenar en forma de glucógeno, al igual que se pueden dar rutas
biosintéticas de la glucosa a partir del piruvato. Esto se puede ver mejor en el siguiente
esquema:
Glucógeno
Glucosa
Piruvato Ribosa–5–fosfato
Acetil CoA Lactato
Etanol
CO2 + H2O
Dieta
Glucogenólisis Glucogenogénesis
Glucólisis
Gluconeogénesis
Rutas de las
pentosas fosfato
Respiración (con O2) Fermentación (sin O2)
Ciclo de Krebs
(Mitocondria)
Hígado
Sangre
Bioquímica 2º cuatrimestre
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Este esquema general varía de un tejido a otro y de una célula a otra, porque no todas las
células tienen la misma función en la degradación.
Eritrocito: esta célula no posee mitocondrias (no hay ciclo de Krebs), por lo que la
glucosa, cuando se transforma en glucosa–6–fosfato, puede optar o por la ruta de las
pentosas fosfato o por la fermentación láctica.
Cerebro: las neuronas usan de manera exclusiva los hidratos de carbono como
fuente de energía y de carbono. Por ello, cumplen el esquema general, pero no
pueden ni formar ni degradar glucógeno, al igual que no hacen fermentación, puesto
que les interesa obtener la máxima energía posible.
Tejido adiposo: la glucosa la va a usar para almacenar en forma de glucógeno
(aunque esto es un hecho minoritario) y la va a degradar a ácido pirúvico, formando
posteriormente acetil–CoA que, en lugar de participar en el ciclo de Krebs, servirá
para la transformación en grasa. Hay que tener en mente que los adipocitos sirven
para almacenar ácidos grasos que provienen de glúcidos en su mayoría.
Células musculares estriadas esqueléticas y cardíacas: en este caso, la glucosa se
puede almacenar en forma de glucógeno (para un uso posterior de la célula), seguir
la ruta de las pentosas fosfato o degradarse hasta ácido pirúvico. Si se da la
glucólisis, este piruvato puede participar en la fermentación láctica o en la
respiración.
Hepatocito: en estas células, la glucosa puede seguir muchas vías, desde la
glucogenogénesis hasta la respiración aerobia pasando por la ruta de las pentosas
fosfato, la ruta de los glucurónidos (que se usa en la desintoxicación), la
fermentación láctica, la conversión de acetil–CoA en grasas e incluso, la salida de la
glucosa por el torrente sanguíneo.
Hay que tener claro que el hígado es el regulador, por excelencia, del control
de la glucosa en sangre y que, mientras en todos los tejidos la glucosa se fosforila
para evitar que salga de las células, en los hepatocitos se encuentra una enzima que
desfosforila la glucosa–6–fosfato para que salga por la sangre.
Glucólisis y cáncer: los tumores poseen velocidades aumentadas de captación de glucosa y
de la glucólisis porque crecen más deprisa que los vasos sanguíneos, lo que conlleva que
hagan un metabolismo en condiciones anaerobias, experimentando así hipoxia.
Debido a la hipoxia, las células tumorales secretan un factor de transcripción HIF–1
(que está activado) y que permite que el tumor se adapte a estas condiciones anaerobias
mediante el incremento de las enzimas glucolíticas. Y la glucólisis deriva a fermentación
láctica.
Con esto, lo que se logra es que no muera el tumor y da tiempo a que los vasos
sanguíneos se desarrollen, puesto que si no crecieran, el tumor moriría. Por lo tanto, la
captación de la glucosa indica la malignidad del tumor.
Proteínas del metabolismo de la glucosa codificadas por HIF-1: Glut–1, Glut–3,
hexoquinasa, fosfofructoquinasa, aldolasa, gliceraldehído–3–fosfato deshidrogenasa,
fosfoglicerato quinasa, enolasa, piruvato quinasa y lactato deshidrogenasa.
Alberto Fonte Polo
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Reacciones de la glucólisis
FASE 1: FASE DE GASTO DE ENERGÍA: en esta fase, la glucosa va a dar lugar a dos
moléculas de gliceraldehído–3–fosfato, y se gastan, para ello, dos moléculas de ATP.
1er
Paso: La primera reacción de la glucólisis es la fosforilación de la glucosa, para
activarla (aumentar su energía) y así poder utilizarla en otros procesos cuando sea
necesario. Esta activación ocurre por la transferencia de un grupo fosfato del ATP, dando
lugar a la glucosa–6–fosfato. Esta reacción está catalizada, en todos los tejidos, por la
enzima hexoquinasa, pero en el hígado lo realiza la glucoquinasa.
Todas las quinasas van a fosforilar el sustrato a expensas del ATP, y necesitan Mg2+
como cofactor.
Ésta reacción es termodinámicamente favorable (ΔG0’ negativo), es irreversible, por
lo que para que ocurra en el sentido contrario se necesitaría otra enzima.
La fosforilación impide que la glucosa salga de la célula, ya que el grupo fosfato
hace que la molécula sea más grande. El hígado es el único órgano que tiene una enzima
(fosfatasa) que desfosforila la glucosa-6-P.
2º Paso: Tras la fosforilación, la
glucosa–6–fosfato se isomeriza
dando lugar a la fructosa–6–
fosfato en una reacción
reversible catalizada por la
fosfoglucoisomerasa.
3er
Paso: A continuación, esta fructosa–6–fosfato va a ser fosforilada en una reacción
irreversible mediante energía que es aportada por el ATP dando lugar a fructosa–1,6–
bisfosfato. Esta reacción esta catalizada por la enzima fosfofructoquinasa, que es una
enzima alostérica que tiene muchos activadores e inhibidores. Esto hace que sea esta
reacción la que limite la velocidad de la ruta.
HK (GK)
Glucosa Glucosa-6-fosfato
Glucosa-6-fosfato Fructosa-6-fosfato
fosfogluco-
isomerasa
Fructosa-6-fosfato Fructosa-1,6-bifosfato
fosfofructoquinasa
Bioquímica 2º cuatrimestre
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4º Paso: La fructosa–1,6–bisfosfato se escindirá en una reacción reversible catalizada por la
aldolasa en dihidroxiacetona fosfato y en gliceraldehído–3–fosfato. Esto se debe a que se
rompen los enlaces entre el C3 y el C4 de esta fructosa–1,6–bisfosfato.
F 1,6 BP DHAP GA3P
5º Paso: Hay interconversión entre la
dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído–3–
fosfato, y esto está catalizado por la triosa fosfato
isomerasa. El sentido de la reacción dependerá de
las concentraciones de cada sustancia.
FASE 2: FASE DE OBTENCIÓN DE ENERGÍA: en esta, las dos moléculas de
gliceraldehído–3–fosfato van a dar lugar a dos moléculas de piruvato, cuatro moléculas de
ATP y dos moléculas de NADH + H+ (que es el poder reductor que luego participará en la
cadena respiratoria).
6º Paso: Esta fase comienza cuando se da una reacción redox entre las dos moléculas de
gliceraldehído–3–fosfato y dos moléculas de NAD+, que se transforman en poder reductor
(NADH + H+). Esta molécula resultante es inestable y, rápidamente, se fosforila con dos
grupos fosfato, dando lugar a dos moléculas de ácido 1,3–bisfosfoglicérico. Estas dos
reacciones consecutivas las cataliza la gliceraldehído–3–fosfato deshidrogenasa y ambas
son reversibles.
7º Paso: Estas dos moléculas de ácido 1,3–bisfosfoglicérico se desfosforilan con ayuda de
dos moléculas de ADP, dando lugar a dos moléculas de ácido 3–fosfoglicérico y dos
moléculas de ATP. Esta reacción reversible la cataliza la fosfogliceratoquinasa.
aldolasa
DHAP GA3P
TPI
2 2 2
Alberto Fonte Polo
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8º Paso: Posteriormente, estas dos moléculas de ácido 3–fosfoglicérico se van a
interconvertir por medio de la fosfoglicerato mutasa en dos moléculas de ácido 2–
fosfoglicérico.
9º Paso: Acto seguido esas dos moléculas de ácido 2–fosfoglicérico se deshidratarán (es
decir, cada una perderá una molécula de agua) para dar lugar a dos moléculas de
fosfoenolpiruvato, en una reacción reversible catalizada por la enolasa.
10º Paso: Al final, estas dos moléculas de fosfoenolpiruvato, en una reacción irreversible
catalizada por la piruvato quinasa, van a dar lugar a dos piruvatos y a dos moléculas de
ATP.
Así pues, el rendimiento total de la glucólisis es:
OH2H2NADH2ATP2Pyr2P2ADP2NAD2Glucosa1 2i
molKJG /85´0
Regulación de la glucólisis
La regulación de la glucólisis ocurre en las tres reacciones irreversibles. Los pasos que
permiten que la glucólisis esté controlada son:
Reacción de fosforilación de la glucosa catalizada por la hexoquinasa (o la
glucoquinasa):
PGlcGlc HKGK 6/
Reacción de la fosforilación de la fructosa–6–fosfato a fructosa–1,6–bisfosfato
catalizada por la fosfofructoquinasa I:
BPFruPFru IPFK 6,16
Reacción de la defosforilación del PEP a piruvato por la piruvato quinasa:
PiruvatoPEP PK
Aunque todas estas reacciones son importantes, cabe destacar la segunda, puesto que es la
que tiene mayor número de moduladores.
Bioquímica 2º cuatrimestre
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Regulación de la hexoquinasa y la glucoquinasa: diferencias entre hígado y tejidos
extrahepáticos
Tanto en los tejidos extrahepáticos (hexoquinasa) como en los hepatocitos (glucoquinasa),
cuando hay una inhibición de la fosfofructoquinasa I por un exceso de ATP, hay un
incremento de la glucosa–6–fosfato, que será el principal inhibidor de la hexoquinasa y de
la glucoquinasa. Con esto, se inhibe la glucólisis.
La diferencia que hay entre estas dos enzimas es la afinidad a la glucosa.
Como se puede apreciar, la afinidad de la glucoquinasa por la glucosa es menor que la de la
hexoquinasa, debido a que la constante de Michaelis es mayor en la glucoquinasa que en la
hexoquinasa.
La concentración de la glucosa en sangre se corresponde a 5 mM aproximadamente y,
cuando se ha ingerido la comida, se aumenta el nivel de glucosa en sangre, haciendo que las
células extrahepáticas capten esta glucosa y lo que sobre vaya al hígado. En estos tejidos
extrahepáticos, se fosforilará la glucosa para que no retorne a la sangre, mientras que, si se
ha comido demasiado, los hepatocitos captaran esa glucosa que la glucoquinasa fosforilará.
En el hígado, la glucoquinasa tiene un modulador positivo, que es la fructosa–6–fosfato. La
fructosa es un azúcar muy importante en la dieta y provoca un aumento de los triglicéridos,
porque se fosforila en el hígado, haciendo que se transfiera el grupo fosfato de este azúcar a
la glucosa y se estimule, así la glucólisis.
Además, la glucoquinasa está inducida por la insulina, dado que, cuando hay altos niveles
de glucosa en sangre, se genera insulina, viéndose que la glucosa en sangre regula también
la secreción de insulina.
[Glucosa]
Vmax
GK HK
Km (HK) Km (GK)
Alberto Fonte Polo
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Regulación de la fosfofructoquinasa I por energía
La fosfofructoquinasa I es una enzima alostérica que requiere ATP para ejercer su función
quinasa. El ATP, por ello, es un sustrato de la enzima a bajas concentraciones y activa la
enzima, pero cuando termina la glucólisis, este ATP que se genera en la susodicha ruta
inhibe la actividad de la fosfoglucoquinasa I:
O lo que es lo mismo, el ATP es un modulador negativo de la fosfofructoquinasa I.
En las células, existe una relación entre la concentración de ATP y de ADP que es
constante: [ATP]/[ADP]=cte.
Al ser constante esta relación, si aumenta la concentración de ATP en la célula,
disminuirá el ADP y viceversa. Por ello, el ADP y el AMP serán moduladores positivos.
En resumidas cuentas, a elevado nivel de energía celular, la fosfofructoquinasa I se
inhibe y a menor nivel de energía en la célula, la fosfofructoquinasa I se activa.
Otro modulador negativo es el ácido cítrico. El piruvato de la glucólisis pasa a la
mitocondria, donde se transforma en acetilCoA, que, en el ciclo de Krebs, participa en la
reacción que se da entre el oxalacetato y el citrato.
Si hay una elevada cantidad de energía en la célula, se inhiben una serie de pasos
hasta el ciclo de Krebs, dando lugar a un aumento de la concentración de citrato. Este
exceso de citrato hace que salga de la mitocondria, donde, entre otras cosas, inhibirá la
glucólisis porque la célula tiene mucha energía, y las mitocondrias también.
Papel de la fructosa 2,6–bisfosfato en la regulación de la fosfofructoquinasa I
Además del AMP, hay otro modulador positivo de la fosfofructoquinasa I. Este modulador
positivo es la fructosa–2,6–bisfosfato, que activa la fosfofructoquinasa II y procede de la
fructosa–6–fosfato.
Sin embargo, para pasar de fructosa–2,6–bisfosfato a fructosa–6–fosfato, lo que
actúa es una fosfatasa (fructosa bisfosfatasa II), la cual, requiere agua para liberar el grupo
fosfato situado en el C2:
Bioquímica 2º cuatrimestre
44
Esto sería un ciclo fútil que gasta mucha energía y, por ello, estás reacciones están
controladas, o lo que es lo mismo, estas dos reacciones nunca se van a dar juntas. Si la
fosfofructoquinasa II está activa, la fosfatasa (fructosa bisfosfatasa II) está inhibida y
viceversa.
Lo que se observó es que la fructosa–6–fosfato activa la fosfofructoquinasa II, lo que hace
que la fructosa–2,6–bisfosfato active la fosfofructoquinasa I. Posteriormente, se vio que la
fosfofructoquinasa II y la fosfatasa es la misma enzima, pero que actuaba de una manera u
otra dependiendo de que esta enzima estuviera fosforilada o no. En el caso de los
hepatocitos:
Si estaba fosforilada, la enzima tenía la función “fosfatasa”.
Si no estaba fosforilada, la enzima tenía función “fosfofructoquinasa II”.
La proteína quinasa A (PKA) es la encargada de llevar a cabo esta fosforilación, esta
proteína se activa por la acción de la hormona glucagón, que la secreta el páncreas exocrino
cuando hay una baja concentración de glucosa en sangre. El glucagón no entra en la célula,
sino que se une a un receptor, que cuando se activa, activa la adenilato ciclasa, ciclando el
ATP para dar lugar a AMPc. Este AMPc fosforila la PKA, activándola y haciendo que
fosforile la enzima para que de lugar a la fosfatasa (fructosa bisfosfatasa II).
Al estar activa la fosfatasa, hay una
disminución de la concentración de la
fructosa–2,6–bisfosfato, inhibiendo así la
fosfofructoquinasa I y haciendo que de la
fructosa–1,6–bisfosfato se pase a glucosa
(por las reacciones inversas, a excepción
de la última, que se da por una enzima
hepática) y, que esta glucosa salga al
torrente sanguíneo.
Ahora bien, la insulina se secreta
tras la ingesta de alimento, y lo que hace es desfosforilar la enzima por medio de las
fosfoproteínas fosfatasas (PP), haciendo la actividad antagónica al glucagón.
En el músculo, sin embargo, la fosfofructoquinasa II y la fructosa bisfosfatasa II son
isoenzimas de las del hígado, aquí se ve lo contrario:
Si estaba fosforilada, la enzima tenía la función “fosfofructoquinasa II”.
Si no estaba fosforilada, la enzima tenía función “fosfatasa”.
También se vio que estaba fosforilada por la PKA, pero lo que sucedía era lo contrario.
El mensaje de la adrenalina, que se da en situación de estrés, en el caso del hígado, es igual
al mecanismo del glucagón, es decir, se inhibe la glucólisis
en el hígado para que el músculo obtenga la energía
suficiente para combatir o huir.
Sin embargo, en el caso del músculo, aumenta la
concentración de fructosa–2,6–bisfosfato, activando la
fosfofructoquinasa I para que se degrade la glucosa y
obtener ATP.
Alberto Fonte Polo
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Regulación de la piruvato quinasa
La piruvato quinasa es la enzima que cataliza la desfosforilación del PEP, por medio de
ADP, para dar lugar a piruvato y ATP.
En este caso, un inhibidor de esta enzima es la elevada concentración de ATP en la célula,
debido a que la célula no necesita generar más energía. El ATP es sustrato y modulador de
la enzima a la vez. Otros inhibidores que hay son la acetilCoA (dado que si hay mucho
acetilCoA, no es necesario hacer piruvato, dado que no es necesario hacer la
descarboxilación oxidativa) y los ácidos grasos.
Un modulador positivo de esta piruvato quinasa es la fructosa–1,6–bisfosfato, que
hace que esta enzima se active para que se vaya degradando el PEP que se genera a
piruvato.
Esta piruvato quinasa presenta distintas isoenzimas y se ha visto que hay tres tipos
principales:
M: se encuentra en el músculo.
L: se encuentra en el hígado.
A: se encuentra en otros tejidos.
Estas isoenzimas presentan distintas actividades cinéticas y distintas formas de ser
reguladas. Ejemplo de esto es que la piruvato quinasa L se inactiva por la proteína quinasa
A (PKA) que la fosforila. La PKA está activada, como se ha dicho antes, por el AMPc
(segundo mensajero), que se debe a un estímulo del glucagón o de la adrenalina.
La piruvato quinasa M, por el contrario, no se inhibe por fosforilación. En un caso de
estrés, donde se produce adrenalina, ésta llega a los receptores de la célula muscular y
hacen que se activen las PKA, que harán que aumente mucho la fructosa–2,6–bisfosfato,
conllevando a un incremento de la fructosa–1,6–bisfosfato. La elevada cantidad de
fructosa–2,6–bisfosfato permitirá que la fosfofructoquinasa I catalice la reacción de
fructosa–6–fosfato a fructosa–1,6–bisfosfato, haciendo que este último sustrato active la
piruvato quinasa M. Con esto, se continúa la degradación de la glucosa para la obtención de
energía.
Entrada de otros azúcares en la ruta glucolítica
La lactosa, proveniente de la leche, se degrada por la acción de la enzima lactasa, en
galactosa y glucosa en el exterior del enterocito.
La sacarosa (azúcar de mesa) se degrada a glucosa y fructosa por medio de la sacarasa.
Bioquímica 2º cuatrimestre
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La galactosa, por medio de una reacción de fosforilación y posterior transferencia de UDP
(en las que participa las enzimas galactosa quinasa y galactosa uridil transferasa
respectivamente), va a dar lugar a la glucosa–1–fosfato, que participará en la glucólisis al
transformarse en glucosa–6–fosfato (por medio de la fosfogluco mutasa).
La maltosa, proveniente del almidón, se degrada en dos glucosas (por acción de la maltasa)
que, sin más complicaciones, seguirá la glucólisis.
Mientras que la glucosa hace la glucólisis, la fructosa va a pasar por dos vías:
Reacción con hexoquinasa: es minoritaria y se da en los tejidos extrahepáticos. En
este caso, se obtiene fructosa–6–fosfato que participa directamente en la glucólisis.
ADPPFruATPFru Mg
62
Reacción con fructoquinasa y aldolasa B: es mayoritaria y se realiza en el hígado.
En este caso, en la primera reacción se obtiene fructosa–1–fosfato que, por acción
de la aldolasa B, da lugar a dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído–3–fosfato
(aunque éste se obtiene por fosforilación del D-gliceraldehído dependiente de ATP).
PGADHAP
ADPPFruATPFru Mg
3
12
La intolerancia a la fructosa se debe a un error en la aldolasa B, que es la encargada de
degradar la fructosa–1–fosfato a dihidroxiacetona fosfato. Lo que genera esta enfermedad
es una hipoglucemia porque el aumento de la concentración de la fructosa–1–fosfato
favorece la glucólisis.
Por último, habría que citar que del metabolismo de las grasas, se incorpora el glicerol a la
glucolisis o gluconeogénesis en caso de lo que requiera el organismo. Para ello, el glicerol
se fosforila a glicerol–3–fosfato por medio de la glicerol quinasa y, tras esto, se degrada a
DHAP por medio de la glicerol–3–fosfato deshidrogenasa.
Alberto Fonte Polo
47
Esquema general de la glucólisis
Bioquímica 2º cuatrimestre
48
Esquema general de la regulación de la glucólisis
Alberto Fonte Polo
49
TTeemmaa 2255 MMeettaabboolliissmmoo ddeell PPiirruuvvaattoo
Destinos del piruvato tras la glucólisis
El piruvato puede seguir dos rutas distintas:
En condiciones aerobias, es decir, si hay oxígeno, ocurre una descarboxilación
oxidativa, que consiste en la formación de dos moléculas de acetilCoA que, por
medio del ciclo de Krebs, dará lugar, posteriormente, a CO2 y agua.
En condiciones anaerobias, lo que sucederá es que se da una fermentación, en la
cual, no se reduce totalmente el piruvato, sino que se dará lugar a unos metabolitos
que pueden ser:
o Lactato: en lo que se conoce como fermentación láctica, que se da en el
músculo esquelético, eritrocito y microorganismos como algunas bacterias
del género Lactobacillus.
o Etanol: si la fermentación que se da es la alcohólica, que solo ocurre en
microorganismos como las levaduras.
Fermentación láctica
En la fermentación láctica el piruvato va a originar lactato mediante una reacción catalizada
por la lactato deshidrogenasa, una enzima que requiere poder reductor del NADH + H+
para llevar a cabo la siguiente reacción química:
Glucosa
Piruvato
Acetil CoA
Lactato CO2 + H2O
Glucólisis
Respiración (+O2) Fermentación (–O2)
Ciclo de Krebs
(Mitocondria)
Etanol
Fermentación
láctica
Fermentación
alcohólica
2 2
Bioquímica 2º cuatrimestre
50
Esta reacción es importante porque genera NAD+, es decir, servirá para que continúe la
glucólisis. Si no existiera este proceso, disminuiría la concentración de NAD+ en la célula y
no se podría continuar con la glucólisis:
La lactato deshidrogenasa es una isoenzima que tiene cuatro cadenas polipeptídicas de dos
grupos (M y H), de modo que se combinan entre sí. Así, se pueden ver desde lactato
deshidrogenasa M4 (en el caso del músculo esquelético), hasta lactato deshidrogenasa H4
(en el caso del músculo cardíaco), pasando por las combinaciones M3H, M2H2 y MH3.
Estas isoenzimas, por lo tanto, son distintas.
En el caso de la lactato deshidrogenasa M4, ante una determinada situación (como por
ejemplo, el trabajo en condiciones anaerobias), hará que el piruvato se transforme en
lactato, haciendo que se regenere el NAD+, obteniéndose energía y pudiéndose degradar así
la glucosa:
Por el contrario, la lactato deshidrogenasa H4, raras veces hará esta fermentación, dado que,
en este caso, es preferente que haga una degradación total a CO2 y H2O:
Glucosa
Piruvato
NAD+
NADH + H+
Lactato
CO2 + H2O
LDH H4
Glucosa
Piruvato
NAD+
NADH + H+
Lactato
CO2 + H2O
LDH M4
Alberto Fonte Polo
51
La lactato deshidrogenasa M4 tiene una constante de Michaelis (Km) muy baja, mientras
que la lactato deshidrogenasa H4 tiene una constante de Michaelis muy alta. Esto indica que
la lactato deshidrogenasa del músculo esquelético tiene mayor afinidad por el piruvato, por
lo que, cuando deja de degradarse a dióxido de carbono y agua mediante el ciclo de Krebs,
actúa rápidamente para la fermentación.
Las células miocárdicas, sin embargo, tienen muchas mitocondrias, y raramente trabajan en
condiciones anaerobias, siendo ésta la razón por la que la lactato deshidrogenasa H4 tiene
mucha menor afinidad por el piruvato, y solamente actuaría en situación límite. Es decir,
siempre actuará el ciclo de Krebs.
Fermentación alcohólica
Esta fermentación alcohólica se produce en dos reacciones.
La primera es la descarboxilación (liberación de CO2) de las dos moléculas de ácido
pirúvico para dar lugar a dos moléculas de acetaldehído. Esta reacción está catalizada por la
piruvato descarboxilasa, que tiene como cofactor el pirofosfato de tiamina (PPT).
La segunda reacción es una reacción redox en la que las dos moléculas de acetaldehído,
junto a dos moléculas de NADH + H+, van a dar lugar a dos moléculas de etanol (que es el
producto final de la fermentación alcohólica) y a dos moléculas de NAD+. Esta última
reacción (catalizada por la alcohol deshidrogenasa) es reversible, mientras que la
descarboxilación es irreversible:
Las dos moléculas de NAD+ servirán para la glucólisis, tal y como sucedía en la
fermentación láctica:
2 2
2
Bioquímica 2º cuatrimestre
52
La piruvato descarboxilasa solamente se ve en microorganismos, mientras que la alcohol
deshidrogenasa se presenta en los organismos superiores, la cual se usa para degradar el
etanol. Se ha visto que, en realidad, lo que causa la borrachera es el acetaldehído.
La fermentación alcohólica se usa para la fabricación de las bebidas alcohólicas, los
refrescos (como la gaseosa) y en repostería, dado que se produce CO2.
Descarboxilación oxidativa
La descarboxilación oxidativa se da en condiciones aerobias y es el paso del piruvato a
acetilCoA. Esto se realiza en un solo paso y está catalizada por la piruvato deshidrogenasa:
Este proceso sucede en las mitocondrias de las células, dado que la piruvato deshidrogenasa
se encuentra en el espacio mitocondrial. El NADH + H+ irá a la cadena de transporte
electrónico, y el piruvato entrará a la mitocondria con un simporte junto a los
hidrogeniones.
Ahora bien, la piruvato deshidrogenasa, en realidad, es un complejo multienzimático
formado por muchas copias de tres enzimas:
E1: Piruvato deshidrogenasa (propiamente dicha) o piruvato descarboxilasa: es
la encargada de descarboxilar el piruvato.
E2: Dihidrolipoil transacetilasa: es la encargada de transferir grupos acetilos.
E3: Dihidrolipoil deshidrogenasa: cataliza una reacción redox.
Además, este complejo multienzimático contiene cinco coenzimas:
NAD+ (Nicotinamida Adenina Dinucleótido).
Alberto Fonte Polo
53
FAD+2
(Flavina Adenina Dinucleótido).
SHCoA (Coenzima A).
Ácido lipoico: es el ácido 6,8–ditiocetanoico:
El lipoato no está libre en la célula, sino que
forma un enlace covalente del tipo amida con
una Lys. En el transcurso de la reacción de la
descarboxilación, el ácido lipoico pasa de
estar reducido a estar oxidado y viceversa.
Pirofosfato de tiamina (PPT): es la tiamina
fosforilada dos veces y cuya función es
transportar radicales formilo.
Lo que sucede es que la piruvato descarboxilasa se asocia con el pirofosfato de tiamina, la
dihidrolipoil transacetilasa se asocia con la SHCoA y el lipoato y la dihidrolipoil
deshidrogenasa se asocia con FAD (que es el cofactor de la enzima) y NAD+
(que no es el
cofactor, pero participa en la descarboxilación oxidativa).
El objetivo de la descarboxilación oxidativa es la obtención de acetilCoA a partir del
piruvato proveniente de la glucólisis, y así poder realizar el ciclo de Krebs.
Todo comienza cuando el ácido pirúvico se descarboxila en una reacción catalizada por la
piruvato descarboxilasa. Lo que se transfiere a la tiamina pirofosfato es un radical
hidroxietilo que se transferirá al ácido lipoico (que en realidad es una lipoamida) de la
dihidrolipoil transacetilasa. En este caso, un extremo tiol se va a reducir y va a
transformarse este ácido lipoico en acetil–dihidrolipoamida. El grupo acetilo de esta acetil–
dihidrolipoamida se va a transferir a la CoA, formándose así acetil–CoA y
dihidrolipoamida (es decir, el ácido dihidrolipoico unido a la lisina).
E1 E2
E3
E2
Bioquímica 2º cuatrimestre
54
Para que se recupere la dihidrolipoil transacetilasa a su forma original, lo que sucede es que
se transfiere los protones de la dihidrolipoamida a una flavoproteína (dihidrolipoil
deshidrogenasa), que usa el FAD+ como aceptor de protones y electrones. Tras esto, la
dihidrolipoil transacetilasa vuelve como estaba en un principio, pero la dihidrolipoil
deshidrogenasa tiene que ceder esos protones y electrones para volver a su actividad. Así, el
FADH2 cede electrones y protones al NAD+, obteniéndose poder reductor que participará
en la cadena de transporte electrónico.
Regulación de la piruvato deshidrogenasa:
La descarboxilación oxidativa es un ciclo independiente que tiene enzimas que la regulan,
como se ha visto antes. Hay que tener en cuenta que el piruvato es precursor de: acetilCoA,
aminoácidos y ácido láctico. Estos dos últimos también se pueden usar para formar ácido
pirúvico.
Sin embargo, la acetilCoA se usa para:
Obtención de energía: en el ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos, donde
se degrada totalmente a dióxido de carbono y agua.
Lipogénesis: es la formación de ácidos grasos. Estos ácidos grasos, por medio de la
β–oxidación, va a dar lugar a acetilCoA.
Formación de aminoácidos: como en el caso del piruvato, el acetilCoA puede dar
lugar a aminoácidos y viceversa.
Formación de colesterol y derivados de éste.
Formación de los cuerpos cetónicos: se debe a los acúmulos de acetilCoA.
Se ha comprobado que, cuando hay un exceso de la degradación de aminoácidos, no se
degrada pirúvico, y esto se debe a que va a dar lugar acetilCoA.
La piruvato deshidrogenasa está inhibida por la acetilCoA, NADH y ATP. Esto se debe a
que si ya hay una alta concentración de acetilCoA (o de energía, bien en forma de ATP o de
poder reductor), no es necesario formar más, sino que hay que degradarla para obtener
energía.
Además, esta enzima se activa por medio de ADP, NAD+ y CoA, debido a que estos
compuestos son indicadores de la baja energía celular. Es importante tener en cuenta la
relación existe entre acetilCoA y CoA; ATP y ADP; y NAD+ y NADH, que es constante. Si
aumenta uno de los dos factores, el otro disminuye.
Aparte de esta regulación intracelular, la piruvato
deshidrogenasa se puede fosforilar, de tal modo
que se inactiva. Esta fosforilación la realiza una
quinasa (es decir, requiere ATP), que es activada
por los inhibidores de la piruvato deshidrogenasa.
Por el contrario, la insulina, el calcio intracelular (en el caso del músculo) y los activadores
favorecen la actividad de una fosfatasa que defosforila la piruvato deshidrogenasa,
permitiendo su actividad y la formación de acetilCoA.
En resumen, el piruvato se une a la piruvato deshidrogenasa, que dependiendo de la
actividad de las quinasas y de las fosfatasas, puede estar activa o inactiva
(respectivamente). A veces, el piruvato puede entrar y estar inhibida la piruvato
deshidrogenasa (debido a que se ha fosforilado), ya que el paso de pirúvico a acetilCoA es
irreversible. Una vez formada la acetilCoA, lo más probable es que entre en el ciclo de los
ácidos tricarboxílicos, del ácido cítrico o de Krebs.
Alberto Fonte Polo
55
TTeemmaa 2266 CCiicclloo ddee KKrreebbss
Papel central del ciclo de los ácidos tricarboxílicos
El ciclo de Krebs, ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos es un ciclo de
reacciones químicas que se resume en el siguiente esquema simple:
El oxalacetato (4C) se combina con el acetil CoA (2C) para dar lugar al ácido cítrico (6C).
Este ácido cítrico se descarboxila y genera NADH + H+ formando ácido α–cetoglutárico
(5C). Éste se descarboxila de nuevo y genera otra vez NADH + H+ formando ácido
succínico (4C). Este compuesto de cuatro carbonos va a dar lugar a GTP, FADH2 y NADH
+ H+, y se transformará en oxalacetato, reiniciándose así el ciclo.
Los dos carbonos que entran en el ciclo de Krebs se pierden en la descarboxilación y,
además, se producen 3 moléculas de NADH + H+, 1 molécula de FADH2 y 1 molécula de
GTP. Esto indica que el acetil CoA va a ir al ciclo de
Krebs y se va a dividir, por lo que no se puede decir que
los átomos de carbono de la glucosa se van a reducir.
Hay que mencionar que los ácidos grasos no se van a
degradar para formar la glucosa, sino que la glucosa se
va a degradar formando acetil CoA y que, esta acetil
CoA es la precursora de los ácidos grasos libres:
Además, no se puede generar glucosa a partir de acetil CoA porque el paso de
fosfoenolpiruvato (PEP) a piruvato y de éste a acetil CoA es irreversible.
Ácidos grasos Glucosa
Acetil CoA
Degradación
Degradación Síntesis
Bioquímica 2º cuatrimestre
56
El objetivo del ciclo de Krebs es extraer los electrones de los protones del poder reductor
obtenido anteriormente (glucólisis…) para que se pueda dar la cadena de transporte
electrónico.
Este ciclo del ácido cítrico es la ruta central del metabolismo donde convergen las tres
grandes biomoléculas: hidratos de carbono, lípidos y aminoácidos. Además, se considera la
ruta universal de la degradación de la glucosa. Ya que a partir de una molécula de glucosa
(6C), se obtienen 4 moléculas de dióxido de carbono.
Reacciones del ciclo de Krebs
El acetil CoA se combina con el oxalacetato y con agua para formar citrato, y se desprende
CoA-SH. Esta reacción la cataliza la enzima citrato sintasa, que no requiere energía en
forma de ATP en la reacción de condensación, al contrario que ocurre con las sintetasas.
Posteriormente, el citrato se va a deshidratar y va a formar un compuesto intermediario
denominado cis–aconitato, que es inestable y, se va a hidratar formando isocitrato. Estas
dos reacciones están catalizadas por la aconitasa y son reversibles.
El isocitrato se va a descarboxilar y, además, va a generar poder reductor (dado que el
NAD+ se va a transformar en NADH + H
+). El producto de esta reacción es α–cetoglu-
tarato y está catalizada por la isocitrato deshidrogenasa.
El α–cetoglutarato, como en el caso del isocitrato, se va a descarboxilar y va a generar
poder reductor en forma de NADH + H+. En este caso, sin embargo, lo que va a entrar al
ciclo, aparte de NAD+, es CoA-SH y el producto de esta reacción es la succinil CoA. Esta
reacción está catalizada por la α–cetoglutarato deshidrogenasa, que es un complejo
multienzimático similar a la piruvato deshidrogenasa, que se compone de α–cetoglutarato
deshidrogenasa (o α–cetoglutarato descarboxilasa), dihidrolipoil transuccinilasa y
dihidrolipoil deshidrogenasa.
Alberto Fonte Polo
57
La succinil CoA va a sufrir una reacción de condensación en la cual, participa el GDP y un
fosfato inorgánico. Lo que va a suceder es que se libera la CoA y se genera una molécula de
GTP y una molécula de succinato (que es el producto de la condensación de la succinil
CoA). Esta reacción esta catalizada por la succinil CoA sintetasa.
Este succinato va a generar poder reductor en forma de FADH2 y fumarato por medio de
una reacción redox catalizada por la enzima succinato deshidrogenasa.
El fumarato, por medio de una reacción catalizada por la fumarasa, se va a hidratar y va a
dar lugar al malato.
Por último, el malato, en una reacción redox catalizada por la málico deshidrogenasa, va a
generar poder reductor en forma de NADH + H+ y oxalacetato. Al final, se reinicia el ciclo
de Krebs.
A partir de GTP, se puede obtener ATP, por medio de la siguiente reacción:
GDPATPADPGTP
Pese a todo, energéticamente, se considera que el GTP libera la misma energía que el ATP.
Balance energético
En una vuelta del ciclo de Krebs, se ha obtenido dos moléculas de dióxido de carbono, tres
moléculas de NADH, tres iones H+, una molécula de GTP, una molécula de FADH2 y se
han perdido dos moléculas de agua.
Por cada molécula de glucosa, el rendimiento energético de éste ciclo de los ácidos
tricarboxílicos es:
En la glucólisis, sucede que una molécula de glucosa se transforma en dos
moléculas de piruvato. En éste paso, se forman dos moléculas de ATP y dos
moléculas de NADH + H+.
En la descarboxilación oxidativa, se ve que dos moléculas de piruvato dan lugar a
dos moléculas de acetil CoA. Hay que recordar que se forman dos moléculas de
NADH + H+.
Las dos moléculas de acetil CoA van a ir a ciclo de Krebs y dan lugar a seis
moléculas de NADH + H+, dos moléculas de FADH2 y dos moléculas de GTP.
Si se considera la lanzadera malato/aspartato (en el hígado y en el corazón):
De la glucólisis, se producen dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH +
H+. Sabiendo que una molécula de NADH + H
+ va a dar lugar a 2,5 moléculas de
ATP en la cadena respiratoria, se obtiene que, en la glucólisis, el número de ATP
que se produce en total es de:
Bioquímica 2º cuatrimestre
58
ATPHNADH
ATPHNADHATP 75,2)(22
De la descarboxilación oxidativa, se forman dos moléculas de NADH + H
+, lo que
significa que se produce un total de 5 ATP en la cadena respiratoria.
Dos moléculas de acetil CoA van a generar la siguiente cantidad de ATP en la
fosforilación oxidativa:
ATPFADH
ATPFADH
HNADH
ATPHNADH
GTP
ATPGTP 205,125,2)(612
2
2
En total, se produce 32 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.
Por el contrario, si se considera la lanzadera del glicerol-3-P (en el músculo esquelético y
cerebro), se obtiene que todas las moléculas de NADH + H+ actuaran en forma de FADH2
en la respiración mitocondrial y, por ello, se obtiene lo siguiente:
De la glucólisis, se producen dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH +
H+. Sabiendo que una molécula de NADH + H
+ va a dar lugar a 1,5 moléculas de
ATP en la cadena respiratoria (debido a que la lanzadera va a dar lugar FADH2), se
obtiene que, en la glucólisis, el número de ATP que se produce en total es de:
ATPHNADH
ATPHNADHATP 55,1)(22
De la descarboxilación oxidativa, se forman dos moléculas de NADH + H+, lo que
significa que se produce un total de 3 ATP en la cadena respiratoria.
Dos moléculas de acetil CoA van a generar la siguiente cantidad de ATP en la
fosforilación oxidativa:
ATPFADH
ATPFADH
HNADH
ATPHNADH
GTP
ATPGTP 205,125,2)(612
2
2
En este caso, como el NADH + H
+ se forma dentro de la mitocondria, no se ha de
aplicar el efecto de la lanzadera, sino que se usan las relaciones energéticas
habituales.
En total, se produce 30 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.
Esto indica que se produce mucha energía en la célula, aunque no tan elevada como en el
caso de los lípidos.
Regulación del ciclo de Krebs
La regulación de este ciclo se da en las reacciones irreversibles, que son:
Paso de oxalacetato a citrato catalizada por la citrato sintasa: cuando los niveles
energéticos de la célula son elevados, la cadena respiratoria produce mucho ATP,
causando así el bloqueo de la cadena respiratoria. El NADH se acumula en la
mitocondria, haciendo que el exceso de este NADH (sustrato y producto de la
malato deshidrogenasa) se degrade en el proceso de transformación del oxalacetato
en malato para dar lugar a la succinil CoA. En la mitocondria, se acumula la succinil
CoA, que inhibe a la α–cetoglutarato deshidrogenasa y a la citrato sintasa.
En la glucólisis, la fosfofructoquinasa está inhibida por el citrato que saldrá
del ciclo de Krebs para indicar a estas enzimas que hay un exceso de nivel
energético producido por la cadena respiratoria.
Alberto Fonte Polo
59
Paso de isocitrato a α–cetoglutarato por la isocitrato deshidrogenasa: se inhibe
fundamentalmente por fosforilación, aunque en el ciclo de Krebs, la inhibición de
esta enzima se debe, principalmente, a la alta concentración de ATP.
Paso de α–cetoglutarato a succinil CoA por la α–cetoglutarato deshidrogenasa:
se da por fosforilación, como en el caso de la piruvato deshidrogenasa. Además, un
exceso de energía desactiva este complejo.
Tanto la isocitrato deshidrogenasa como la α–
cetoglutarato deshidrogenasa se activan en las
células musculares por el aumento de la
concentración de Ca2+
.
Estas reacciones se regulan, fundamentalmente,
por los niveles energéticos de la célula, dado que el
complejo de la piruvato deshidrogenasa aporta los
sustratos para este ciclo y está inhibido por
fosforilación, acetil CoA y el poder reductor, es
decir, por altos niveles de energía. Estos niveles
elevados de energía activarían la quinasa.
Bioquímica 2º cuatrimestre
60
Carácter anfibólico del ciclo de Krebs y reacciones anapleróticas
El ciclo de Krebs tiene carácter anfibólico, es decir, sirve para la degradación de moléculas
y para la síntesis de moléculas, debido a que determinadas moléculas intermediarias pueden
salir del ciclo para iniciar la ruta de síntesis de unas sustancias moleculares concretas. Así,
se pueden ver las siguientes reacciones de síntesis:
El oxalacético se puede usar para formar fosfoenolpiruvato (que sirve como sustrato
gluconeogénico o como precursor de aminoácidos tales como la Ser, Gly, Phe…) o
para dar lugar a aspartato (y así dar lugar a bases pirimidínicas).
El citrato se puede usar para formar acetil CoA que dará lugar a ácidos grasos.
El α–cetoglutarato va a dar lugar a glutamato que puede usarse como precursor de
bases púricas o como precursor de otros aminoácidos como la Arg.
El succinato puede dar lugar a las porfirinas del grupo hemo.
De todas estas reacciones, la más importante es la que se da entre el oxalacetato y el
aspartato, que es una reacción de transaminación que se produce entre un aminoácido y un
α–cetoácido para dar lugar a un aminoácido y α–cetoácido distintos:
Como se puede ver, esto ocurre en la lanzadera malato/aspartato, y las reacciones pueden ir
en sentido contrario porque son reversibles, al igual que las conversiones que se dan en el
ciclo de Krebs entre aminoácidos.
Alberto Fonte Polo
61
Por otro lado, las reacciones anapleróticas son aquellas en las que se van reponiendo
aquellos intermediarios del ciclo de Krebs que sirven como precursores biosintéticos. Son:
La reacción de carboxilación del piruvato a oxalacetato, que es catalizada por la
piruvato carboxilasa. Esta piruvato carboxilasa usa biotina como coenzima y la
reacción que se da es la siguiente:
Esta reacción es reversible, pudiendo liberar CO2 y generar ATP. Sólo es activa esta
enzima con altas concentraciones de acetil CoA, es decir, en presencia del
modulador positivo. Esto se debe a que el acetil CoA inhibe el paso del piruvato a
acetil CoA y, por ello, activa la piruvato carboxilasa, produciendo más oxalacetato
para hacer el ciclo de Krebs y degradar el exceso de acetil CoA.
Ahora bien, si el ciclo de Krebs está inhibido, el oxalacetato servirá como
sustrato gluconeogénico, es decir, como precursor para formar glucosa.
La reacción de carboxilación y defosforilación del fosfoenolpiruvato (PEP), que da
como resultado el oxalacetato, y que está catalizada por la fosfoenolpiruvato
carboxiquinasa (en el caso de animales) o por la fosfoenolpiruvato carboxilasa (en
el caso de vegetales). Tanto una enzima como la otra es la misma y cataliza la
siguiente reacción reversible:
La reacción de carboxilación de piruvato a malato catalizada por la enzima málica,
que es la siguiente:
El NADPH no va a la cadena de transporte respiratorio, sino a la síntesis de ácidos
grasos y se genera en la ruta de las pentosas fosfato.
La enzima málica es la malato deshidrogenasa dependiente de NADPH y esta
reacción se da en el citosol, donde el malato entra en la mitocondria por medio de la
lanzadera malato/aspartato. En la matriz mitocondrial, el malato se transforma en
oxalacetato generando NADH + H+:
Piruvato
+ CO2
Malato
NADPH + H+ NADP
+
Enzima málica
Bioquímica 2º cuatrimestre
62
Esta reacción la lleva a cabo la malato deshidrogenasa mitocondrial y es parte del
mismo ciclo de Krebs.
Con esto, el NADPH del citosol (que tiene poder reductor) ha sido introducido en la
mitocondria en forma de NADH, pudiendo participar en la respiración oxidativa. Se
da cuando hay exceso de NADPH en el citosol y se quiere degradar.
Ciclo del glioxilato
El ciclo del glioxilato es una modificación del ciclo de Krebs que se produce en unos
orgánulos denominados glioxisomas, en las semillas de vegetales superiores en
germinación y en los microorganismos. Éste ciclo sirve para obtener glucosa a partir del
acetil CoA, y sólo ocurre en estos organismos debido a la irreversibilidad de algunas
enzimas en el resto de los seres vivos. Hay que tener en cuenta que el ciclo del glioxilato no
es sustitutivo del ciclo de Krebs.
El ciclo comienza como en el ciclo de Krebs, pero el isocitrato se escindirá en glioxilato y
en succinato en una reacción catalizada por la isocitrato liasa. El succinato irá al ciclo de
Krebs (que se da en las mitocondrias) para sintetizar glucosa, mientras que el glioxilato, por
medio de una transacetilación, se transformará en malato. Esto se debe a que la acetil CoA
cederá un radical acetilo al
glioxilato, dando lugar a CoA
y a malato en una reacción
catalizada por la malato
sintasa. Posteriormente, el
malato va a usar el poder
reductor del NADH + H+ para
dar lugar a oxalacetato, como
en el ciclo de Krebs.
El ciclo del glioxilato sólo es
útil mientras la planta no es
capaz de realizar la
fotosíntesis, entonces utiliza
los lípidos almacenados en la
semilla para obtener glucosa.
Cuando la planta adquiere el
aparato fotosintético ya no se
da el ciclo del glioxilato.
Malato
NAD+ NADH + H
+
Malato deshidrogenasa
mitocondrial Oxalacetato
Alberto Fonte Polo
63
En la semilla los triglicéridos
(ácidos grasos esterificados
con glicerol) se almacenan
en los cuerpos lipídicos.
Los ácidos grasos entran en
los glioxisomas donde ocurre
el ciclo del glioxilato, el
succinato pasa a la
mitocondria, y posteriormente
se obtendrá malato del ciclo
de Krebs, que saldrá de la
mitocondria por la lanzadera
malato / aspartato y, mediante
gluconeogénesis, se formarán
hexosas para dar lugar a
moléculas de sacarosa.
La regulación de éste ciclo
está coordinada con la del
ciclo de Krebs y esto se debe a que el isocitrato
puede realizar el ciclo del ácido cítrico o del
glioxilato en función de las necesidades
fisiológicas de la célula.
En el caso del ciclo del glioxilato, la
regulación va a recaer en la isocitrato
deshidrogenasa, que se inhibe por fosforilación
y depende de los niveles energéticos de la
célula. Si hay un exceso de energía, se
generará glucosa, mientras que si hay carencia
de energía, se degradará glucosa por ciclo de
Krebs. Para saber el nivel energético de la
célula, se basa en la cantidad de AMP, que
inhiben las quinasas y activan las fosfatasas.
Cuando hay altos niveles energéticos en la
célula, se inactivan las quinasas (y se activan
las fosforilasas) y, por ello, se inactiva la
isocitrato deshidrogenasa. Así, se activa la
isocitrato liasa, activando el ciclo del
glioxilato. En caso de que haya bajos niveles
energéticos celulares, se activan las quinasas
(desactivandose las fosfatasas) y empieza a
actuar la isocitrato deshidrogenasa, para
realizar el ciclo de Krebs y, así, la célula puede
obtener energía. En resumen, si la fosfatasa se
activa, la liasa se inhibe y si la fosfatasa se
inactiva, la liasa se activa.
Bioquímica 2º cuatrimestre
64
TTeemmaa 2277 GGlluuccoonneeooggéénneessiiss
Concepto e importancia de la gluconeogénesis
La gluconeogénesis es la síntesis de novo de la glucosa a partir de sustratos
gluconeogenéticos, ocurre sólo en el hígado y en la corteza renal. La gluconeogénesis es
necesaria para mantener la homeostasis.
El hígado se encarga de recoger la glucosa que sobra (proveniente de la dieta y tras repartir
a los distintos tejidos) y la almacena en forma de glucógeno. Si no hubiera tal homeostasis
de la glucosa, se produciría o una hipoglucemia o una hiperglucemia, en función de la baja
o alta concentración de dicho monosacárido en sangre, respectivamente.
Cuando el hígado se queda sin glucógeno, se encarga de sintetizar glucosa partiendo de
determinados aminoácidos y del glicerol proveniente de la lipólisis llevada a cabo en el
tejido adiposo. Los ácidos grasos de esta lipólisis irán al músculo para su degradación,
mientras que el glicerol irá al hígado.
Esto es importante porque hay tejidos que no pueden usar ácidos grasos como
combustible (como es el caso de las neuronas) y solamente usan glucosa.
Esta ruta es universal, es decir, todos los seres vivos son capaces de sintetizar glucosa de
novo. Mientras en las plantas, la formación de la glucosa se realiza a partir de la fijación de
CO2 (realizada en la fotosíntesis), en los animales, se da fundamentalmente por la
conversión de lactato a piruvato. Sin embargo, tanto animales como vegetales pueden
sintetizar glucosa a partir de aminoácidos y glicerol.
Alberto Fonte Polo
65
Reacciones de la gluconeogénesis
Relación entre gluconeogénesis y glucólisis
Las reacciones son prácticamente las mismas que la de la glucólisis, a excepción de las tres
reacciones irreversibles de la glucólisis, donde no participan las mismas enzimas que las de
la glucólisis. También hay que decir que se produce en el citosol, como la glucólisis.
La primera reacción diferente es el paso de piruvato a fosfoenolpiruvato (PEP), que no está
catalizada por ninguna enzima específica, por lo que se siguen otras rutas alternativas.
La segunda reacción distinta es la del paso de fructosa–1,6–bisfosfato a fructosa–6–fosfato,
que está catalizada por la fructosa–1,6–bisfosfatasa.
Bioquímica 2º cuatrimestre
66
La tercera reacción distinta es la del paso de glucosa–6–fosfato a glucosa, que está
catalizada por la glucosa–6–fosfatasa, que se encuentra en el hígado y no se encuentra en
ningún otro órgano.
Sustratos gluconeogenéticos: obtención de fosfoenolpiruvato
Se denominan sustratos gluconeogenéticos a aquellos compuestos bioquímicos que pueden
dar lugar a glucosa mediante gluconeogénesis. Estos sustratos son:
Piruvato: cuando el sustrato es el piruvato, éste se carboxila a oxalacetato por
medio de una reacción catalizada por la piruvato carboxilasa, que es activada por la
acetil CoA y que requiere ATP para su funcionamiento. Posteriormente, este
oxalacetato va a transformarse en malato haciendo la reacción inversa de la del ciclo
de Krebs (y con ello, se gasta poder reductor).
Esto se da en la mitocondria y el malato sale de la mitocondria mediante la
lanzadera malato/aspartato en sentido contrario. Fuera de la mitocondria, el malato
se transforma en oxalacetato por medio de una reacción redox catalizada por la
malato deshidrogenasa citosólica. El oxalacetato se transforma en fosfoenolpiruvato
(PEP) mediante una reacción de descarboxilación y fosforilación catalizada por la
fosfoenolpiruvato carboxiquinasa citosólica.
Hay que tener en cuenta que, para realizar la gluconeogénesis, se requiere
NADH citosólico.
Alberto Fonte Polo
67
Lactato: si el sustrato es el lactato, este
compuesto participa en una reacción redox
en la cual se genera poder reductor en
forma de NADH + H+ y piruvato. Este
piruvato se introduce en la mitocondria y
se va a transformar en oxalacetato por
medio de una reacción de carboxilación
catalizada por la piruvato carboxilasa.
Este oxalacetato puede seguir dos vias:
- Sale de la mitocondria en forma de
aspartato mediante una lanzadera
malato/aspartato. Este oxalacetato, en el
citosol, se transforma en fosfoenolpiruvato
(PEP) mediante una reacción de
descarboxilación y fosforilación catalizada
por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa.
- Se descarboxila y se fosforila a
fosfoenolpiruvato mediante una reacción
catalizada por la fosfoenolpiruvato
carboxiquinasa mitocondrial. Es la vía
mayoritaria.
Glicerol: el glicerol procedente de la degradación de ácidos grasos (en el tejido
adiposo) va a ir al hígado, donde se va a transformar en gliceraldehido–3–fosfato.
Para ello, el glicerol entra en el hepatocito, donde, por medio de una reacción
de fosforilación llevada a cabo por la glicerol quinasa, se transforma en glicerol–3–
fosfato. Este glicerol–3–fosfato interacciona con NAD+ y se va a oxidar a
dihidroxiacetona fosfato, mediante la acción de la enzima glicerol-3-fosfato
deshidrogenasa, obteniéndose poder reductor en forma de NADH + H+.
Posteriormente, esta dihidroxiacetona fosfato se isomeriza a glideraldehído–3–
fosfato por medio de una reacción catalizada por la triosa fosfato isomerasa.
Alanina (Ala): en este caso, la alanina se introduce en la mitocondria en forma de
piruvato, requiriendo para ello la extracción de NADH mitocondrial y a partir de ese
momento, hace lo mismo que el piruvato, es decir, forma oxalacetato mediante una
reacción de carboxilación catalizada por la piruvato carboxilasa.
Sin embargo, a diferencia de lo que sucedía con el piruvato (y como sucede
en una de las vías del lactato), el oxalacetato sale de la mitocondria en forma de
aspartato para realizar la gluconeogénesis mediante una lanzadera malato / aspartato.
Este oxalacetato, en el citosol, se transforma en fosfoenolpiruvato (PEP) mediante
una reacción de descarboxilación y fosforilación catalizada por la fosfoenolpiruvato
carboxiquinasa.
Bioquímica 2º cuatrimestre
68
Glutamina (Gln): se introduce en la mitocondria como α–cetoglutarato que hace el
ciclo de Krebs hasta que se transforma en malato, donde realiza la lanzadera
malato/aspartato (a la inversa), continuándose como en el caso del piruvato. Es un
sustrato gluconeogenético minoritario.
Regulación de la gluconeogénesis
Todas las reacciones de la gluconeogénesis son reversibles, y solo dependen de la
concentración de los sustratos, del nivel energético de la célula y del poder reductor (en
forma de NADH + H+) que tiene la célula. Si la célula necesita energía, degradará glucosa
por medio de la glucólisis.
Ahora bien, la regulación de la síntesis de la glucosa está coordinada con la degradación de
la glucosa. Esta regulación se realiza en tres niveles:
Piruvato carboxilasa y fosfoenolpiruvato carboxiquinasa: hay dos modos de
regular estas dos enzimas:
o Regulación por metabolitos: el principal regulador de la reacción que se da
de piruvato a oxalacetato es la acetil CoA, dado que una elevada
concentración de esta molécula en la célula hace que se active la enzima
piruvato carboxilasa.
Si la concentración de ATP se eleva en la célula, la cadena de
transporte cesa, causando un incremento de poder reductor (NADH + H+)
que inhibiría la citrato sintasa y que causaría un aumento en la concentración
de oxalacetato a nivel intramitocondrial. Este oxalacetato, en lugar de unirse
a acetil CoA, formará fosfoenolpiruvato que activaria la fosfoenolpiruvato
carboxiquinasa.
o Regulación hormonal: En este caso, la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa es
inducida por la baja ingesta de hidratos de carbono, siendo activa cuando la
hormona que se une al receptor diana es el glucagón (que activa la PKA) e
inhibida por la insulina.
Hay que recordar también que la piruvato quinasa de la glucólisis
está inhibida por la fosforilación llevada a cabo por la proteína quinasa A
(PKA) para evitar el ciclo fútil de degradación y síntesis a la vez.
Fructosa bisfosfatasa I: el principal modulador negativo (inhibidor) de esta enzima
es la fructosa–2,6–bisfosfato, que es modulador positivo, a su vez, de la
fosfofructoquinasa I de la glucólisis. Hay dos modos de regulación de esta enzima:
o Regulación hormonal: se lleva a cabo por el glucagón, y para ello, hay que
tener en mente que la fosfofructoquinasa II y la fructosa bisfosfatasa II es la
misma enzima. La única diferencia que hay entre ambas es que una está sin
fosforilar y la otra está fosforilada.
La gluconeogénesis se ve solamente en el hígado y, en este caso, al
haber poca concentración de fructosa–2,6–bisfosfato, se pasa a formar
fructosa–6–fosfato.
Alberto Fonte Polo
69
o Regulación por metabolitos: en este caso, el principal modulador positivo de
esta enzima es el citrato, ya que inactiva la fosfofructoquinasa I de la
glucólisis.
Glucosa–6–fosfatasa: en esta enzima, la constante de Michaelis (Km) es similar a
los niveles de glucosa presentes en el hepatocito.
Así, si hay una elevada concentración de glucosa–6–fosfato en el hígado, se
realiza la síntesis de glucosa, pero si hay una elevada concentración de glucosa, se
inhibe esta ruta y se activa la glucólisis. Además, en el hígado se observa que la
glucosa puede salir de los hepatocitos si el organismo requiere glucosa.
Glucagón Gluconeogénesis Glucólisis
pKA pK y niveles de F2,6BP FBPasa y PFK I
Inducción de PEP carboxiquinasa
Captación de Pyr por mitocondrias
Transporte de Ala al hígado
Lipolisis en tej. adiposo Ác. Grasos Acetil CoA Pyr carboxilasa
Glicerol
Insulina Gluconeogénesis Glucólisis
Sustratos gluconeogeneticos lipolisis Salida de aminoácidos del músculo
Fosfatasa (PP) F2,6 BP FBPasa 1
Inducción de GK Inducción de PEP carboxiquinasa
Bioquímica 2º cuatrimestre
70
Ciclos de sustratos
Ciclo de Cori (o ciclo de la glucosa-ácido láctico)
En el músculo, se degrada continuamente
glucosa, de tal modo que se transforma en
piruvato (glucólisis). En condiciones
anaerobias, durante actividades musculares
intensas de corta duración, el piruvato
fermenta dando lugar a lactato. Este lactato
viaja en sangre hasta llegar al hígado, donde
se transforma en piruvato y, éste, va a servir
para formar glucosa por medio de la
gluconeogénesis. Esta glucosa se exporta a
sangre y llega al músculo, donde se degrada
y vuelve a comenzar el ciclo.
Ciclo de la Glucosa–Alanina
Este ciclo tiene dos funciones importantes:
Aporta esqueleto carbonatado para la
síntesis de glucosa en el hígado.
Transporta iones amonio tóxicos al
hígado para que los degrade por el ciclo
de la urea.
En el músculo, la glucosa se degrada a
piruvato mediante la glucólisis pero, en lugar
de fermentar a lactato, lo que sucede es que
este piruvato se transforma en alanina (Ala)
por medio de una reacción de transaminación
con el glutamato (que dará lugar a α–
cetoglutarato).
Alberto Fonte Polo
71
La Ala saldrá del músculo e irá al hígado por el torrente sanguíneo. En el hepatocito, esta
Ala, por medio de una reacción de transaminación con el α–cetoglutarato, va a dar lugar a
piruvato y a Glu respectivamente. Este piruvato se va a usar en el hígado para la
gluconeogénesis y, esta glucosa saldrá del hepatocito y viajará por el torrente sanguíneo
hasta el músculo, donde comenzará de nuevo el ciclo.
La alanina no sólo procede del hígado, sino también del riñón, del tejido adiposo y del
intestino.
Cuando el músculo degrada sus propias proteínas, durante ayunos prolongados, se
intensifica el ciclo de la glucosa–alanina.
alanina ácido pirúvico
Efectos del exceso de alcohol
Cuando ha habido una alta ingesta de alcohol, se
produce una hipoglucemia. Esto se debe a que el
etanol es un mal precursor de la glucosa y, en
este caso, el etanol se oxida a acetaldehído por
medio de la alcohol deshidrogenasa (donde se va
a obtener poder reductor en forma de NADH +
H+). Este acetaldehído, posteriormente, se
transformará en acetato que se convertirá
finalmente en aceti-CoA.
En el hígado, lo que sucederá si hay una elevada
concentración de poder reductor en forma de
NADH + H+ son tres reacciones a tener en
cuenta:
La reducción de la dihidroxiacetona fosfato (DHAP) a glicerol–3–fosfato
(gastandose poder reductor) y su posterior desfosforilación a glicerol (usando ADP
y dando lugar a ATP):
De este modo se quita un sustrato gluconeogenético.
NADH + H+ NAD+ ADP ATP
Bioquímica 2º cuatrimestre
72
El piruvato fermentará dando lugar a lactato por medio de la reducción del primero
al segundo:
Con esto, se quita otro sustrato gluconeogenético.
El oxalacetato se reduce a malato usando para ello NADH + H+:
Esto hace que la concentración de glucosa en sangre disminuya aunque el hígado intente
sintetizarla. Además, se junta con el exceso de NADH + H+ causado por la ingesta de
alcohol, que va a causar la retirada de los sustratos gluconeogenéticos y la consiguiente
hipoglucemia. Para evitar esto, se ha de comer antes de beber alcohol.
Ahora bien, el acetil CoA va a dar lugar a grasas que se acumulan en el
hígado formando lo que se conoce como un hígado graso, que contiene
elevada cantidad de triglicéridos (ácidos grasos unidos a glicerol) por la
elevada cantidad de acetil CoA. Esta acetil CoA también puede dar
lugar a acetona, haciendo que el bebedor tenga el olor característico a
cetona. Si esto no se revierte, puede conllevar a la cirrosis.
NADH + H+ NAD+
acetona
Alberto Fonte Polo
73
TTeemmaa 2288 MMeettaabboolliissmmoo ddeell GGlluuccóóggeennoo
El glucógeno, reserva energética en los animales
En los animales, la glucosa se almacena en forma de glucógeno en el hígado y en el
músculo.
El glucógeno es un homopolisacárido de α–D–glucopiranosas unidas por un enlace
α–1,4–glucosídico y que tiene ramificaciones debidas a enlaces α–1,6–glucosídicos.
En el hígado hay un 10 % de glucógeno, y éste se va a usar en las horas en la que el animal
no está comiendo, ya que exporta a la sangre la glucosa que se obtiene de la glucogenólisis
para que otros tejidos (como el sistema nervioso) la puedan usar.
En el músculo hay entorno al 1–2 % de glucógeno, y es de uso exclusivo, es decir,
solo se usa para la degradación por parte de las células musculares hasta la respiración
aerobia o la fermentación (respiración anaerobia).
Aunque haya más cantidad de glucógeno en el hepatocito, hay más células
musculares en el organismo, y por ello, hay más glucógeno almacenado en los músculos
que en el hígado.
El glucógeno se almacena en gránulos, que contienen no solo dicho polisacárido, sino todas
las enzimas encargadas de su síntesis y de su degradación.
Además, la glucosa–6–fosfato procedente del glucógeno tiene distintos destinos, tales como
el hígado, el músculo, el riñón...
Las ramificaciones del glucógeno pueden servir para almacenar más glucosa en menos
espacio. Además, al haber ramificaciones, la síntesis y la degradación ocurrirán a mayor
velocidad.
Hay que tener en cuenta que, en el glucógeno, hay dos tipos de extremos:
Reductores: este extremo se corresponde con el carbono anomérico (C1) de la
glucosa de la cadena principal del glucógeno.
No reductores: este extremo (C4) se ve en la parte final de cada ramificación y es
por donde actuarán las enzimas de la síntesis y la degradación del glucógeno.
Bioquímica 2º cuatrimestre
74
Síntesis de glucógeno: glucogenogénesis
Lo que se va a hacer es unir la glucosa procedente de la dieta o de la gluconeogénesis con la
glucosa del glucógeno. Esta síntesis del glucógeno se va a dar en tres pasos:
Iniciación: en este caso, la glucosa–6–fosfato se va a transformar a glucosa–1–
fosfato en una reacción catalizada por la enzima fosfoglucomutasa.
Posteriormente, esta glucosa–1–fosfato va a unirse a un nucleótido de uracilo
para dar lugar a UDP–glucosa y liberar pirofosfato inorgánico. Esta última reacción
la lleva a cabo la UDP–glucosa pirofosforilasa.
Elongación: la UDP–glucosa va a interaccionar con una cadena de glucosas
lineales inicial para unir la glucosa (proveniente de UDP–glucosa) a esta cadena, en
una reacción catalizada por la enzima glucógeno sintasa.
Ramificación: la cadena lineal de glucosa se va a ramificar por medio de una
reacción catalizada por la enzima ramificante (glucosiltransferasa), dando lugar al
glucógeno.
Así pues, la estequiometría de la reacción es:
UDPGlucógenoglcUDPGlucógeno nn 1
sintasaglucógeno
Iniciación de la glucogenogénesis: en la iniciación, se dan dos reacciones:
Formación de glucosa–1–fosfato: Paso de glucosa–6–fosfato a glucosa–1–fosfato
por medio de la fosfoglucomutasa. Esta reacción es reversible.
Síntesis de UDP–glucosa: En este caso, la glucosa–1–fosfato se va a transferir a
UTP para dar lugar a UDP–glucosa y pirofosfato inorgánico (PPi). En este caso, la
reacción esta catalizada por la UDP–glucosa pirofosforilasa.
La reacción es un ataque nucleófilo llevado a cabo por el fosfato de la glucosa–1–
fosfato hacia el Pγ del UTP. Esto hace que se rompa el enlace entre el Pγ y Pβ del
UTP.
Esta reacción es irreversible porque el pirofosfato se hidroliza a dos grupos fosfato
inorgánico, haciendo que se libere una alta cantidad de energía. De hecho, esta
energía se considera como si se gastara una molécula de ATP termodinámicamente
hablando.
Alberto Fonte Polo
75
Elongación de la glucogenogénesis: incorporación de la glucosa. En esta fase, lo que
sucede es que la UDP–glucosa producida anteriormente interaccionará con una cadena
lineal de glucógeno primigenio que hará que se una la glucosa proveniente de la UDP–
glucosa a la cadena de glucógeno. Esta reacción la cataliza la glucógeno sintasa y se libera
UDP.
En este caso, lo que sucede es un ataque nucleófilo del extremo no reductor al carbono
anomérico de la glucosa que está en la UDP–glucosa.
El UDP que se obtiene se regenera por medio de una molécula de ATP, transformándose en
UTP (y el ATP se convierte en ADP).
ADPUTPATPUDP
La cadena primigenia de glucosas es un cebador sobre el que se ensamblan las nuevas
unidades de glucosa, ya que la glucógeno sintasa no puede generar glucógeno de novo.
Ramificación del glucógeno: al final, lo que sucede es que la cadena lineal de glucosas, se
va a acortar para ramificarse y formar el glucógeno. Así, la enzima ramificante coge una
amplia rama de la cadena lineal de glucosas unidas por enlace α–glucosídico 1→4 y lo
traslada para formar un enlace α1→6.
Así, se genera un extremo no reductor y se deja una separación entre ramificaciones
y ramificaciones.
Bioquímica 2º cuatrimestre
76
Degradación de glucógeno: glucogenolisis
El catabolismo del glucógeno se produce por la ruptura de los enlaces α–glucosídicos 1→4
por la incorporación de un grupo fosfato que no depende de ATP en un extremo no
reductor, o lo que es lo mismo, una fosforilación. También se da la ruptura del enlace α-
glucosídico 1→6, que es llevado a cabo por la enzima desramificante.
En este caso, la glucógeno fosforilasa lo que hace es romper los extremos reductores para
dar lugar a glucosa–1–fosfato. Así se consigue la ruptura de los enlaces α–glucosídicos
1→4 por la incorporación de un grupo fosfato que no depende de ATP en un extremo no
reductor. Tras esto, se van a ir eliminando los glúcidos de esta cadena hasta que se llega a la
ramificación.
glucógeno fosforilasa
glucosa–1–fosfato
En la zona cercana a la ramificación actúa la enzima desramificante, que tiene dos
actividades:
Actividad transferasa: transfiere las glucosas próximas a la ramificación a otra
cadena, a excepción de la glucosa que está unida por enlace α–glucosídico 1→6.
Actividad α–1,6–glucosidasa: esta enzima es capaz de cortar el enlace α–
glucosídico 1→6, liberando así la glucosa.
La degradación del glucógeno se lleva a cabo hasta que queda un núcleo de glucosas que no
se degradan. Este núcleo del glucógeno está formado por 4-6 moléculas de glucosa, unidas
a la glucogenina (enzima que sintetiza estas primeras glucosas).
+
Alberto Fonte Polo
77
Regulación del metabolismo del glucógeno
La regulación del metabolismo del glucógeno está acorde a las enzimas glucógeno sintasa y
glucógeno fosforilasa, las cuales están reguladas por fosforilación. Si las enzimas están
fosforiladas, se da la degradación del glucógeno; mientras que si las enzimas no están
fosforiladas, lo que sucede es la síntesis del glucógeno.
Regulación de la glucógeno fosforilasa
La glucógeno fosforilasa es una enzima formada por dos subunidades idénticas, que están
activas cuando están fosforiladas. La enzima inactiva se denomina glucógeno fosforilasa b
y la enzima activa se llama glucógeno fosforilasa a.
Esta fosforilación se debe a otra enzima denominada glucógeno fosforilasa quinasa y esto
ocurre tanto en el hígado como en el músculo.
En el caso del músculo, el nivel energético influye en la regulación de esta enzima. Si hay
altas concentraciones de AMP, éste se va a unir a la enzima y va a hacer que se vuelva
activa. Por el contrario, si hay altas cantidades de glucosa–6–fosfato o de ATP, se inactiva
la enzima y se favorece la glucólisis y la glucogenolisis.
En el caso del hígado, el modulador principal de la glucógeno fosfatasa es la glucosa, que
actúa como un inhibidor.
Regulación de la glucógeno fosforilasa quinasa
La glucógeno fosforilasa quinasa es una enzima con 4 subunidades distintas repetidas 4
veces (αβγδ)4, de las cuales, α y β son susceptibles a la fosforilación, mientras que δ es una
calmodulina, es decir, una proteína que se activan por su unión a Ca2+
.
Bioquímica 2º cuatrimestre
78
En este caso, la fosforilación se debe a la actividad de la proteína quinasa A (PKA), que es
activada, a su vez, por el glucagón (hormona), que es un indicador de la baja concentración
de glucosa en sangre.
Regulación de la glucógeno sintasa
La glucógeno sintasa se inhibe por fosforilación. Tiene distintos grados de activación, ya
que tiene múltiples puntos de fosforilación, las proteínas que los puede fosforilar son:
Proteína quinasa A (PKA).
Proteínas dependientes de Ca2+
tales como la proteína quinasa C (PKC) y la
glucógeno fosforilasa quinasa.
Otras quinasas dependientes de Ca2+
denominadas glucógeno sintasa quinasas.
Esta enzima, tiene dos moduladores
importantes: uno negativo y otro positivo.
El modulador positivo es la glucosa-6-
fosfato, mientras que el modulador negativo
es el AMP.
Toda esta regulación, pues, depende de la fosforilación, ya que la glucosa–6–fosfato
mantiene estable la glucógeno sintasa, debido a que impide la fosforilación de la enzima.
La defosforilación de todas estas enzimas (incluyendo la glucógeno fosforilasa y la
glucógeno fosforilasa quinasa) se debe a las fosfatasas PP (concretamente la PP1G), que es
activada por la insulina.
Regulación hormonal del metabolismo del glucógeno en músculo
Hay dos hormonas que pueden interaccionar con las células musculares:
Adrenalina: la adrenalina es una hormona que se libera en situaciones de estrés y, en éste
caso, la adrenalina interacciona con el receptor de ésta, que activa a la proteína G que, a su
vez, va a activar la adenilato ciclasa. Esta adenilato ciclasa va a convertir el ATP en AMPc,
que es un segundo mensajero. También es importante la señal del incremento de Ca2+
en la
célula, dado que es un indicador de que se va a contraer la musculatura.
Éste AMPc va a activar la proteína quinasa A (PKA), ya que se une a las regiones
reguladoras de esta proteína tetramérica. La proteína quinasa A se convierte en un dímero
activo y va a contribuir a la degradación del glucógeno porque, en este caso, la adrenalina
es un indicador de que se requiere energía para combatir o huir, que se obtiene a partir de
glucosa.
Alberto Fonte Polo
79
Esta PKA va a fosforilar, para ello, a la glucógeno sintasa, a la PP1G y a la
glucógeno fosforilasa, causando así, la inhibición de la primera y la segunda, y la activación
de la tercera.
Así pues, este glucógeno va a dar lugar a moléculas de glucosa–1–fosfato que se
isomerizarán a glucosa–6–fosfato y se van a degradar a dióxido de carbono y agua por
medio de la glucólisis, descarboxilación oxidativa y ciclo de Krebs. Por ello, se puede decir
que la adrenalina activa la glucólisis, puesto que la PKA fosforila la fosfofructoquinasa II,
haciendo que la fructosa–6–fosfato se fosforile a fructosa–2,6–bisfosfato, que es el
principal activador de la fosfofructoquinasa I.
En resumen, la adrenalina favorece la glucogenolisis y la glucólisis.
Insulina: esta insulina está indicando la elevada presencia de glucosa en sangre (en este
caso procedería de la ingesta). El músculo va a captar esta glucosa para almacenarla en
forma de glucógeno, por lo que se activará la PP1G por medio de segundos mensajeros.
Con esto, se logra:
- Defosforilar la glucógeno sintasa: activándola.
- Defosforilar la glucógeno fosforilasa: inhibiéndola.
- Defosforilar la glucógeno fosforilasa quinasa: inhibiéndola.
Regulación hormonal del metabolismo del glucógeno en hígado
En el caso del hígado, la respuesta se da por:
Glucagón: el glucagón es una hormona que se libera en el ayuno e interacciona con el
receptor de ésta, que activa a la proteína G que, a su vez, va a activar la adenilato ciclasa.
Esta adenilato ciclasa va a convertir el ATP en AMPc, que es un segundo mensajero.
Bioquímica 2º cuatrimestre
80
Este AMPc va a activar la proteína quinasa A (PKA), ya que se une a las regiones
reguladoras de esta proteína tetramérica. La PKA se convierte en un dímero activo y va a
contribuir a la degradación del glucógeno.
Esta PKA va a fosforilar, para ello, a la glucógeno sintasa, a la PP1G y a la
glucógeno fosforilasa, causando así, la inhibición de la primera y la segunda, y la activación
de la tercera.
Además, la PKA fosforilará la fosfofructoquinasa II, haciendo que esta enzima
tenga actividad fructosa bisfosfatasa II. Esta enzima fructosa bisfosfatasa II hará que
disminuyan los niveles de fructosa–2,6–bisfosfato. Estos bajos niveles harán que no se
estimule la fosfofructoquinasa I, por lo que la glucólisis no se favorecerá, al igual que no
inhibirán la fructosa bisfosfatasa I, que hará que se dispare la gluconeogénesis.
También existe una regulación por nivel de glucosa, ya que si aumenta la
concentración de glucosa en el hígado, se inhibe la degradación del glucógeno, tal y como
se ha dicho anteriormente.
En resumen, el glucagón favorece la glucogenolisis como lo hacía la adrenalina en
el músculo, pero no la glucólisis, haciendo que se favorezca la gluconeogénesis.
Insulina: el efecto que se genera es el contrario al glucagón, ya que esta insulina está
indicando la elevada presencia de glucosa en sangre (en este caso procedería de la ingesta).
El hígado va a captar esta glucosa para almacenarla en forma de glucógeno, por lo que se
activará la PP1G por medio de segundos mensajeros. Con esto, se logra:
- Defosforilar la glucógeno sintasa: activándola.
- Defosforilar la glucógeno fosforilasa: inhibiéndola.
- Defosforilar la glucógeno fosforilasa quinasa: inhibiéndola.
Adrenalina: genera el mismo efecto que en el músculo.
Alberto Fonte Polo
81
TTeemmaa 2299 RRuuttaa ddee llaass PPeennttoossaass FFoossffaattoo
Significado biológico de la ruta de las pentosas fosfato
La ruta de las pentosas fosfato es una ruta metabólica alternativa (que no secundaria) del
metabolismo de hidratos de carbono, que se da en el citosol de los tejidos donde hay
síntesis de ácidos grasos (como el tejido hepático, el adiposo, las glándulas mamarias y la
corteza adrenal). Se sabe que un 30% de la concentración de glucosa se degrada
fundamentalmente por esta ruta metabólica. Esta ruta ni genera ni consume ATP. Y no
tiene enzimas exclusivas.
Las funciones de esta ruta son:
Obtención de poder reductor en forma de NADPH + H+: para usarse en procesos
biosintéticos (síntesis de ácidos grasos, hormonas esteroideas…) y de detoxificación.
Obtención de ribosas: estas servirán para formar parte de los nucleótidos y ácidos
nucleicos.
Conexión entre rutas: relaciona el metabolismo de las hexosas (es decir, la
glucólisis) con la de otros monosacáridos que no son hexosas.
Ciclo de Calvin: en las células vegetales, el ciclo de Calvin es una modificación de
la ruta de las pentosas fosfato que sirve para obtener hidratos de carbono a partir del
dióxido de carbono en la fotosíntesis.
Reacciones de la ruta de las pentosas fosfato
En todas las variantes de la ruta de las pentosas fosfato hay dos fases:
Fase oxidativa: sirve para obtener NADPH + H+ (es decir, poder reductor) y está
formada por una serie de reacciones que son irreversibles.
Fase no oxidativa: es la reorganización de los monosacáridos, esta fase está
formada por una serie de reacciones que son reversibles, aunque hay una que no lo
es y es el punto de regulación de la ruta.
Bioquímica 2º cuatrimestre
82
El objetivo es la síntesis de ribosa para la síntesis de otros azúcares y de otros metabolitos,
al igual que formar poder reductor en forma de NADPH + H+ (que irá a la biosíntesis de
lípidos).
Esta ruta no tiene ninguna estructura definida, ya que tiene muchas variantes.
Fase oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato
La fase oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato comienza cuando una molécula de
glucosa–6–fosfato se oxida a 6–fosfogluconolactona a la par que se reduce la coenzima
NADP a NADPH + H+. Esta reacción es catalizada por la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa.
Acto seguido, esta molécula de 6–fosfogluconolactona va a transformarse
rápidamente mediante una hidratación a 6–fosfogluconato, que está catalizada por la
lactonasa.
Tras esto, el 6–fosfogluconato se va a oxidar a un compuesto intermediario (a la par
que se reduce el NADP a NAPDH + H+) que, rápidamente, se descarboxila y va a dar lugar
a ribulosa–5–fosfato.
Fase no oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato
La ribulosa–5–fosfato de la fase oxidativa puede ser usada para:
Obtener xilulosa–5–fosfato: se hace mediante una reacción de epimerización que
es catalizada por la ribulosa–5–fosfato–3–epimerasa.
Obtener ribosa–5–fosfato: se hace mediante una reacción de isomerización que es
catalizada por la ribulosa–5–fosfato isomerasa.
Ahora bien, lo que se suceden son transcetolizaciones y transaldolaciones de unos azúcares
a otros.
La transcetolización es la transferencia de un grupo ceto proveniente de una glicoxicetona
a una aldosa. Esta glicoxicetona siempre tiene un carbono menos que el receptor.
Alberto Fonte Polo
83
Este proceso, catalizado por la transcetolasa, se ve en:
El paso de xilulosa–5–fosfato a gliceraldehído–3–fosfato, en el que cede su grupo
ceto a la ribosa–5–fosfato (que se transforma en pseudoheptulosa–7–fosfato).
El paso de xilulosa–5–fosfato a gliceraldehído–3–fosfato, en el que cede su grupo
ceto a la eritrosa–4–fosfato (que se transforma en fructosa–6–fosfato).
La transaldolización es la transferencia de un grupo formilo (proveniente de la
dihidroxiacetona–fosfato) a una cetosa, que se transformará en aldosa.
Este proceso está catalizado por la transaldolasa y solamente se da en una reacción, que es
el paso de pseudoheptulosa–7–fosfato a eritrosa–4–fosfato, en el que cede su grupo formilo
al gliceraldehído–3–fosfato (que dará lugar a la fructosa–6–fosfato).
Bioquímica 2º cuatrimestre
84
Regulación de la ruta de las pentosas fosfato
La glucosa–6–fosfato puede ser metabolizada tanto en glucólisis como en la ruta de las
pentosas fosfato. Ahora bien, la pregunta que se puede hacer es ¿cómo se reparte su flujo
hacia esas rutas? La respuesta a esto se debe a:
La necesidad de ATP: si se requiere energía en la célula, la glucosa–6–fosfato se
degradará en la glucólisis.
La necesidad de NADPH o ribosa–5–fosfato: si se requiere tanto poder reductor
en forma de NADPH como ribosa, la glucosa–6–fosfato se dirigirá hacia la ruta de
las pentosas fosfato.
La entrada de glucosa–6–fosfato en la ruta de las pentosas fosfato está controlada a nivel
del primer paso, es decir, de su oxidación a 6–fosfogluconolactona. Esto está controlado
por dos factores:
El nivel de NADP+ en la célula: a medida que el NADPH sea consumido por
procesos biosintéticos, el aumento de los niveles de NADP+ estimula la ruta de las
pentosas fosfato para obtener más NADPH + H+
El nivel de NADPH + H+ en la célula: este inhibidor potente de la glucosa–6–
fosfato deshidrogenasa compite con el NADP+ por el mismo sitio de unión a la
enzima. Si hay más nivel de NADPH + H+, significará que la célula puede
biosintetizar lípidos sin problema, por lo que no se formará más hasta que no se
degrade.
Sin embargo, el control de la fase no oxidativa depende de la disponibilidad de los
sustratos, y por ello, hay cuatro modalidades distintas:
1. Se requiere más ribosa–5–fosfato que NADPH: esto se da en células que se están
dividiendo, dado que esta ribosa–5–fosfato participa en la síntesis de nucleótidos
precursores de DNA.
Para ello, la fase oxidativa está inactivada y la glucosa–6–fosfato pasa a glucólisis
dando lugar a fructosa–6–fosfato y, posteriormente, gliceraldehído–3–fosfato que,
Alberto Fonte Polo
85
por medio de la fase no oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato, va a dar lugar a
ribosa–5–fosfato (las reacciones de este ciclo son reversibles).
Así, la estequiometría de esta reacción es:
ADPPRiATPPG 5665
2. Se necesita tanta ribosa–5–fosfato como NAPDH: en este caso, la fase oxidativa
está activada y la ribulosa–5–fosfato que proviene de la fase oxidativa se va a
transformar a ribosa–5–fosfato mediante la ribulosa–5–fosfato–3–isomerasa.
La estequiometría de esta reacción es:
22 22526 COHNADPHPRiOHNADPPG
3. Se necesita más NADPH que ribosa–5–fosfato: esto es lo que sucede en el tejido
adiposo, donde se necesitan niveles elevados de NADPH para la síntesis de ácidos
grasos.
Para ello, la fase oxidativa está activada y, en la fase no oxidativa, se va a producir
fructosa–6–fosfato y gliceraldehído–3–fosfato que se regeneran hasta formar
glucosa–6–fosfato mediante reacciones de la gluconeogénesis. Esta glucosa–6–
fosfato se usará para la fase oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato.
Bioquímica 2º cuatrimestre
86
La estequiometría de esta reacción es:
22 612127126 COHNADPHOHNADPPG
4. Se necesita NADPH y ATP: en este supuesto, la fase oxidativa de la ruta de las
pentosas fosfato está activada y, la fase no oxidativa haría que se formara fructosa–
6–fosfato y gliceraldehído–3–fosfato que, mediante la glucólisis, darán lugar a
piruvato y a ATP. Este piruvato puede ser oxidado para dar lugar a más ATP.
La estequiometría de la reacción sería:
ADPNADNADPPG 16101266
ATPNADNADPHCOPyr 161012610 2
Alberto Fonte Polo
87
Metabolismo del ácido glucurónico Síntesis de oligosacáridos a partir del UDP–glucuronato
La UDP–glucosa puede ser el punto de partida para la síntesis de UDP–glucuronato y es el
precursor de polisacáridos complejos como el hialuronato y el condroitín sulfato del
cartílago, la heparina de la coagulación sanguínea y el dermatán sulfato del tejido
conectivo. También se puede sintetizar la UDP–galactosa para la formación de la lactosa de
la leche y otros UDP–glúcido.
Hay que recalcar también que la glucosa–6–fosfato es la precursora del almidón y de la
celulosa, ambas de los vegetales y que el UDP–glucuronato es importante para la
destoxificación (fármacos, drogas, toxinas ambientales, carcinógenos…) de compuestos
poco polares que, cuando se combinan con el UDP–glucuronato, se hacen más polares y se
eliminan por la orina, en un proceso denominado como glucuronidación.
Síntesis de glucuronato y vitamina C
El UDP–glucuronato también es un precursor de la vitamina C o ácido L–ascórbico. Esta
vitamina es importante para el ser humano porque no la puede sintetizar, dado que las
células de los hombres no poseen la enzima gulonolactona oxidasa, y por ello, es
imprescindible ingerirla en la dieta (dado que si no se ingiriera, se padecería escorbuto).
UDP–glucuronato
UDP–glucosa Glucosa–6–P
Glucosa
ADP–glucosa
Almidón Celulosa
GDP–glucosa
Glucógeno
UDP–galactosa
Oligosacáridos de
grupos sanguíneos
Condroitín sulfato
Lactosa
UDP–xilosa Hialuronato y
heparina
Xilanos
UDP–iduronato
Dermatán sulfatos
UDP–galacturonato
Pectina
Bioquímica 2º cuatrimestre
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UDP–glucuronato
L–gulonolactona L–ascorbato
(vitamina C)
2 NAD+ + H2O 2 NADH+ + 3 H+ H2O UDP
D–glucuronato
NADPH + H+
NADP+
L–gulonato
H2O 2 H+
UDP–glucosa
gulonolactona
oxidasa
UDP–glucosa
deshidrogenasa
aldonolactonasa
glucuronato
reductasa
Alberto Fonte Polo
89
TTeemmaa 3300 FFoottoossíínntteessiiss
Concepto e importancia de la fotosíntesis
La fotosíntesis es la síntesis de los hidratos de carbono a partir de CO2 y agua:
2222 OOCHOHCOn
Luz
La vida de la Tierra se debe a la luz solar, ya que los organismos pueden ser:
Heterótrofos: son aquellos que requieren ingerir moléculas provenientes de otros
organismos para poder hacer su respiración y síntesis de ácidos grasos, es decir,
poder producir ATP.
Autótrofos: son capaces de realizar la síntesis de hidratos de carbono mediante la
fotosíntesis. Estos hidratos de carbono son ingeridos por los organismos
heterótrofos mencionados antes.
Sin la fotosíntesis, no habría vida en la Tierra.
Fases de la fotosíntesis
La fotosíntesis se realiza en dos fases:
Fase luminosa: tiene lugar en presencia de luz y se caracteriza porque, en este caso,
una molécula de agua se escinde en protones y oxígeno según la siguiente reacción:
ATPHNADPHOADPNADPOH Luz
22
Los protones provenientes de la fotólisis son captados por el NADP+ para generar
poder reductor y, además, se va a generar energía suficiente para la fase de
asimilación de CO2.
Esta generación de ATP es similar a la fosforilación oxidativa que se da en
mitocondrias. Sin embargo, en lugar de formar agua y gastar poder reductor en
forma de NADH + H+ para formar el ATP, lo que sucede es que se obtiene poder
reductor en forma de NADPH + H+ y se escinde el agua (mediante la fotólisis)
liberando oxígeno para hacer que el ADP gane un grupo fosfato más. Además,
mientras en la mitocondria, el ADP iba acompañado de un grupo fosfato, en el
cloroplasto, no sucede esto:
Es decir, el transporte que se da en los orgánulos fotosintéticos es un transporte
electrónico que genera un gradiente para que se genere ATP.
Mitocondria Cloroplasto ATP ATP
ADP + Pi ADP + Pi
O2
O2
H2O
H2O NAD+
NADP+
NADPH + H+
NADH + H+
Bioquímica 2º cuatrimestre
90
Fase de asimilación de CO2: también denominada fase oscura, se caracteriza por
emplear el dióxido de carbono para dar lugar a glúcidos según la siguiente reacción:
ADPNADPOCHATPHNADPHCOn
22
Estructura del aparato fotosintético
La fotosíntesis ocurre en los orgánulos fotosintéticos verdes de las plantas denominados
cloroplastos y también se da en algunas bacterias como las cianofíceas.
El cloroplasto es un orgánulo celular que tiene dos membranas como la mitocondria: una
externa y otra interna. En el interior del orgánulo hay un sistema de dobles membranas: las
laminillas (que son un conjunto de dobles membranas orientadas longitudinalmente y que
no atraviesan el cloroplasto) y los tilacoides (discos que se superponen en pilares).
Los restantes componentes del cloroplasto se sitúan en la matriz o estroma, donde se
sucede la fijación del CO2.
La fotosíntesis se da en las membranas de los tilacoides, donde hay unas moléculas
pigmentarias embebidas en las membranas (que se corresponden con los fotosistemas I y
II), la ATP sintasa (que es donde se sintetiza el ATP) y el citocromo bf (cytbf).
En toda esta estructura, se va a dar la fotosíntesis, que se puede resumir en la siguiente
imagen:
Membrana Tilacoidal
Alberto Fonte Polo
91
Los pigmentos fotosintéticos que se ven en los fotosistemas van a captar la luz solar y son:
Clorofilas: son las más importantes y, químicamente, se definen como un anillo
tetrapirrólico, que está unido a una cadena de fitol, en el que el ión es el magnesio
(Mg2+
). Hay dos tipos: clorofila a y clorofila b, solo se distinguen estas clorofilas en
el radical, lo que indica que la estructura química tiene una funcionalidad específica.
La alternancia de dobles enlaces va a hacer que estas moléculas capten luz y, por lo
tanto, tengan absorbancia; por ello son pigmentos fotosintéticos.
Son los que definen el color verde de las hojas y de todos aquellos órganos
de la planta con carácter fotosintético.
Carotenoides (β–carotenos y xantofilas): son lípidos isoprenoides (son
tetraterpenos), que tiene alternancia de dobles enlaces en su cadena, haciendo que
puedan captar la luz.
Estos son los responsables de
los colores anaranjados (como en la
raíz de la zanahoria).
Bioquímica 2º cuatrimestre
92
Ficobilinas (ficocianinas y ficoeritrinas): son parecidas a los carotenos, con la
salvedad de que tienen heterociclos aromáticos (del tipo pirrol) y que se distinguen
por un radical. Estos son los que dan un cierto color azul o rojo en algunas algas y
bacterias. Están unidos a proteínas.
Los fotosistemas
Un fotón incide en una clorofila de un fotosistema
y el electrón de esa molécula sube de órbita. Esto
hace que el nivel energético sea superior y la
clorofila, por ello, se excita.
Sin embargo, este electrón tiende a bajar
por inestabilidad, lo que hace que se libere
energía. Esta energía liberada es captada por una
clorofila contigua, que asciende su electrón y hace
lo mismo que la primera clorofila. Esto se repite
varias veces, transmitiéndose la energía en cadena.
Llega un momento en el que la molécula de
clorofila excitada es especial (denominada
clorofila P) y desprende el electrón quedándose
ionizada, el electrón es captado por una molécula
denominada aceptor primario de electrones. Esto
es una reacción redox en el que la clorofila P se
oxida y el aceptor primario de electrones se
reduce. La clorofila ionizada recuperará el electrón
perdido gracias a una molécula donadora primaria
de electrones.
Por lo tanto, un fotosistema está constituido por:
Centro de reacción: es el lugar donde se
van a separar las cargas. Se compone de la
molécula donadora primaria de electrones,
el aceptor primario de electrones y la
clorofila ionizable (que, dependiendo del
fotosistema, será la clorofila P700 o la
clorofila P680).
Moléculas antena: son las clorofilas y otros pigmentos que captan la luz solar.
Alberto Fonte Polo
93
Así pues, hay dos fotosistemas:
Fotosistema I: tiene en el centro de reacción los siguientes elementos:
o Clorofila P700: esta clorofila absorbe a una longitud de onda de 700 nm.
o Clorofila A0: es una clorofila aceptora de electrones.
o Plastocianina: proteína soluble donadora de electrones, que contiene Cu.
Fotosistema II: tiene en el centro de reacción los siguientes elementos:
o Clorofila P680: esta clorofila absorbe a una longitud de onda de 680 nm.
o Feofitina: es una clorofila especial que no tiene Mg2+
y que es la molécula
aceptora de electrones.
o Proteína Z o complejo generador de O2: es el donador de electrones.
Transporte fotosintético de electrones
FotosistemaMolécula antena
(Clorofila/otros pigmentos)
Transferencia
de electrones
Aceptor
primario de
electrones
Clorofila
ionizable
del CR
(P700/P680)
Centro de
Reacción
Transferencia
de energía
A:
P:
D:Donador
primario de
electrones
Z
(Mn)
Pheo=feofitina
Potencial de
reducción
Bioquímica 2º cuatrimestre
94
Lo primero que sucede es que en el fotosistema I se excita la P700 y cede su electrón a la
clorofila A0 (que es la molécula aceptora). Acto seguido, la plastocianina devuelve el
electrón a la clorofila P700.
Mientras este fotosistema I se excita, un haz de luz excita la P680 del fotosistema II y cede
su electrón a la feofitina. El hueco electrónico generado en la P680 lo rellena el agua,
mediante una reacción en la que se escinden dos moléculas de agua:
eHOOH MnZ 442 2
)(
2
2
Esta reacción es catalizada por la proteína Z, que tiene como cofactor el Mn2+
.
Acto seguido, la feofitina va a dar sus electrones a las plastoquinonas, hay dos
plastoquinonas: plastoquinona A y plastoquinona B, que se suceden en la cadena de
transporte fotosintético de electrones. Esta plastoquinona B va a ceder sus electrones al
complejo cytb6f, que son una agrupación de citocromos, quinonas, y otros elemetos. Este
complejo va a ceder sus electrones a la plastocianina.
La plastocianina cede los electrones a la P700. La clorofila P700 se va a excitar y cederá los
electrones a la clorofila A0, que los va a ceder, a su vez, a la clorofila A1 y, esta clorofila A1
se los va a donar a una proteína ferrosulfurada. Posteriormente, se suceden varias proteínas
ferrosulfuradas, de entre las cuales, destaca la ferrodoxina NADP+ oxidorreductasa. Esta
ferredoxina NADP+ oxidorreductasa va a reducir el NADP
+ a NADPH.
Con esto, se puede ver que el transporte electrónico se hace en sentido descendente en el
sentido del potencial de reducción, es decir, de más electronegativos a más electropositivos.
Fotosístema II
Fotosístema I
P: P680
A: Ph
D: Z
ZZ
P: P700
A: A0
D: PC
Alberto Fonte Polo
95
Fotofosforilación
Fotofosforilación acíclica:
La luz va a incidir a ambos fotosistemas, de modo que la consecuencia del transporte
electrónico en los cloroplastos va a ser la formación de poder reductor en forma de NADPH
+ H+ a partir de NADP
+ y protones.
Así, va a existir un flujo de protones del agua hacia la luz del tilacoide, pudiéndose generar
un gradiente mayor de protones y eléctrico. Este gradiente eléctrico se debe a la
acumulación de protones en la luz del tilacoide, va a generar un exceso de cargas positivas,
mientras que en el exterior, hay déficit de cargas positivas y, por ende, un exceso de cargas
negativas.
Estos protones salen por el canal de la ATP sintasa generando energía suficiente
para la síntesis de ATP.
La consecuencia de la cadena de transporte electrónico es la entrada de hidrogeniones a la
luz y la generación de ATP. Así, se dice que esta cadena electrónica es un flujo lineal o
acíclico de electrones.
Z
Bioquímica 2º cuatrimestre
96
Fotofosforilación cíclica:
También se ha descubierto la existencia de un transporte cíclico de electrones que no sirve
para la síntesis de NADPH, sino sólo para la formación de ATP, dado que participa sobre
parte del fotosistema I.
En este caso, la clorofila P700 se excita y va a ceder su electrón a la clorofila A0, sucediendo
lo mismo que en la fotofosforilación no cíclica. Sin embargo, la ferredoxina va a ceder el
electrón al complejo cytb6f, que va a favorecer la introducción de protones en la luz
tilacoidal y permite que la ATP sintasa funcione.
El electrón del complejo cytb6f va a ceder su electrón a la plastocianina que se lo cederá a la
P700 y así sucesivamente.
Asimilación del carbono
La fijación de CO2 va a servir para la síntesis de una molécula de fructosa (un glúcido de
seis carbonos). Para fijar el CO2 atmosférico, tiene que haber un aceptor, que en este caso
es la ribulosa–1,5–bisfosfato.
Alberto Fonte Polo
97
Esta serie de reacciones iniciales está catalizada por la ribulosa–1,5–bisfosfato carboxilasa
oxigenasa o RuBisCO y, los productos intermedios de esta reacción son inestables.
Tras esta carboxilación y generación de 3–fosfoglicerato a partir de la ribulosa–1,5–
bisfosfato, lo que se da es la reducción de este 3–fosfoglicerato mediante ATP y NADPH +
H+ para la formación de gliceraldehído–3–fosfato.
Esto ocurre en dos reacciones:
- Reacción de fosforilación: está catalizada por la 3-fosfoglicerato quinasa y lo que
hace es usar ATP para que el 3-fosfoglicerato se transforme en 1,3-
bisfosfoglicerato.
- Reacción de reducción: está catalizada por la gliceraldehído–3–fosfato
deshidrogenasa y en este caso se usa el NADPH para que el 1,3–bisfosfoglicerato
se transforme en gliceraldehído–3–fosfato.
Ahora, tras todo esto, se ha de reunir el gliceraldehído–3–fosfato hasta formar una hexosa
(para sintetizar una hexosa, se requieren seis moléculas de CO2) y recuperar la ribulosa–
1,5–bisfosfato del inicio del ciclo de Calvin en la medida de lo posible.
Así pues, de 12 moléculas de gliceraldehído–3–fosfato, 10 moléculas van a permanecer de
esta manera y 2 se van a isomerizar en forma de dihidroxiacetona fosfato. Por medio de una
reorganización de estas moléculas (que en realidad es una modificación de la ruta de las
pentosas fosfato), se va a generar una molécula de fructosa–6–fosfato y 6 moléculas de
ribulosa–1,5–bisfosfato.
La fructosa–6–fosfato se va a formar por la unión de una molécula de gliceraldehído–3–
fosfato y una molécula de dihidroxiacetona fosfato.
El resto de las moléculas se van a reorganizar para formar la ribulosa–1,5–bisfosfato para
comenzar de nuevo el ciclo. Así, dos moléculas de DHAP y dos de GA3P van a dar lugar a
2 moléculas de Fructosa–6–fosfato, siendo una reacción en dos pasos (ya que actúan una
aldolasa y posteriormente la fructosa–1,6–bisfosfatasa).
Estas dos moléculas de fructosa–6–fosfato se unirán con dos moléculas de GA3P
para formar dos moléculas de xilulosa–5–fosfato (que se epimerizarán a ribulosa–5–fosfato)
y dos moléculas de eritrosa–4–fosfato en una reacción catalizada por la transcetolasa.
Estas dos moléculas de eritrosa–4–fosfato se van a unir a dos moléculas de DHAP
para formar dos moléculas de pseudoheptulosa–7–fosfato, en una reacción de dos pasos
catalizada por la aldolasa y posteriormente por la fosfatasa.
Estas dos moléculas de pseudoheptulosa–7–fosfato se van a unir a dos moléculas de
GA3P para que, en una reacción de transcetolización (catalizada por la transcetolasa), se dé
lugar a dos moléculas de ribosa–5–fosfato y a dos moléculas de xilulosa–5–fosfato.
Bioquímica 2º cuatrimestre
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La ribosa–5–fosfato formada se isomerizará a ribulosa–5–fosfato, mientras que la xilulosa–
5–fosfato se epimerizará a ribulosa–5–fosfato. Posteriormente, esta ribulosa–5–fosfato se
fosforilará a ribulosa–1,5–bisfosfato por medio de la fosforibulosa quinasa.
Toda esta síntesis es cara energéticamente, dado que gastan 18 moléculas de ATP y 12
moléculas de poder reductor en forma de NADPH. Sin embargo, se compensa con lo
obtenido en la fase luminosa, por lo que el cloroplasto lo va a realizar sin problemas.
Además, los átomos de carbono no se pierden en el ciclo de Calvin:
Fructosa 6 P
Interconversión
de azucares
Alberto Fonte Polo
99
Fijación del nitrógeno atmosférico
Las bacterias del género Rhizobium, que se
encuentran en las raíces de las leguminosas,
son fijadoras del nitrógeno atmosférico, y
lo asimilan para transformarlo en amonio
(NH4+). Las plantas absorben este amonio y
sintetizan aminoácidos. Los animales
ingieren las plantas y devuelven el exceso
de nitrógeno al suelo al orinar, cerrándose
el ciclo.
En el suelo también existen bacterias
nitrificantes que transforman el amoniaco
en nitritos y nitratos que absorben las
plantas. Y las bacterias desnitrificantes
devuelven el nitrógeno del suelo a la
atmosfera.
Fotorrespiración
La fotorrespiración es un proceso que se produce en las plantas por el cual éstas utilizan
oxígeno (O2) y producen dióxido de carbono (CO2). Pero a diferencia de la respiración, que
es un proceso en el que se produce energía, la fotorrespiración no produce energía sino que
la consume.
Las plantas realizan fotosíntesis con el objeto de almacenar la energía solar en compuestos
orgánicos altamente energéticos. En ese proceso de fotosíntesis las plantas toman dióxido
de carbono del aire y liberan oxígeno. La fotorrespiración es, pues, un sistema contrario a la
fotosíntesis y negativo para las plantas.
A mayor temperatura y humedad, más tasa de fotorrespiración, llegando a igualar en
ocasiones la tasa de fotosíntesis. En esos momentos el ritmo de crecimiento de las plantas
se detiene.
La causa de este proceso de fotorrespiración es la acción de la enzima RuBisCO, que se
comporta como fijadora de carbono en la fotosíntesis, pero a determinada temperatura
empieza a comportarse como oxigenasa, es decir, capturadora de oxígeno.
En las plantas tropicales (maíz, caña de azúcar…), se ha solucionado este problema de la
fotorrespiración y con ello, pueden crecer más, anulando la capacidad oxigenasa de la
RuBisCO, ya que la enzima no está en contacto con el oxígeno del aire porque se sitúa en
las células tunicovasculares. Así, a estas plantas tropicales se les denomina plantas C4,
dado que el oxalacetato fija el CO2 para dar lugar a malato (que es un componente de cuatro
carbonos), en contraposición a las plantas C3.
Por lo tanto, las plantas que logran minimizar la fotorrespiración tienen una ventaja
adapatativa sobre las demás y pueden colonizar medios áridos, secos y soleados.
Bioquímica 2º cuatrimestre
100
Alberto Fonte Polo
101
TTeemmaa 3311 EEssttrruuccttuurraa,, FFuunncciióónn yy PPrrooppiieeddaaddeess FFiissiiccooqquuíímmiiccaass ddee llooss LLííppiiddooss
Generalidades de los lípidos
Los lípidos son un conjunto de moléculas orgánicas químicamente distintas, pero que
comparten la característica de ser insolubles en solventes polares como el agua y solubles
en solventes orgánicos no polares como el cloroformo, el éter y el benceno.
Pese a tener una estructura muy variada, están constituidos por carbono, hidrógeno y
oxígeno, y pueden contener también fósforo, nitrógeno y azufre.
Sin embargo, su clasificación es difícil y, tradicionalmente, se ha clasificado a los lípidos
en:
Simples: son aquellos cuya estructura molecular es unitaria, como es el colesterol.
Compuestos: son aquellos que se componen de dos o más estructuras diferenciadas,
como los triglicéridos (que son tres ácidos grasos unidos a glicerol).
Actualmente, la clasificación se hace atendiendo a su función. Así pues, las funciones de
los lípidos son:
Energética: son moléculas de almacenamiento de energía, es decir, son moléculas
de reserva energética. Usualmente, son triglicéridos que se suelen ver en forma de
grasa o de aceite derivados de ácidos grasos.
Estos lípidos contienen un elevado número de enlaces carbono–hidrógeno
ricos en energía, por lo que son moléculas muy reducidas. La oxidación de estos
enlaces a CO2 + H2O es muy exergónica, produciendo una elevada cantidad de
energía, ya que las grasas producen aproximadamente 9,3 kcal/g, mientras que los
glúcidos producen 3,8 kcal/g y las proteínas producen 3,1 kcal/g aproximadamente.
Es decir, los lípidos producen el doble de energía que los glúcidos y las proteínas.
Estos lípidos pueden servir de aislamiento térmico (en el tejido adiposo
subcutáneo) y eléctrico (como sucede con la mielina del tejido nervioso).
Estructural: están presentes en las membranas biológicas y son los fosfolípidos, los
glucolípidos y el colesterol.
Mensajeros celulares: desempeñan papeles como “mensajeros” químicos y son las
hormonas esteroideas. Estas hormonas son los primeros mensajeros, pero también
hay moléculas lipídicas que actúan como segundos mensajeros.
Vitaminas liposolubles: son cofactores en algunas enzimas y desempeñan diversas
funciones.
Ácidos grasos
Los ácidos grasos son ácidos carboxílicos con cadenas hidrocarbonadas de 4 a 36 carbonos
(C4 a C36).
Bioquímica 2º cuatrimestre
102
Estos ácidos grasos pueden ser saturados (si no presentan dobles enlaces) o insaturados (si
poseen dobles enlaces), al igual que pueden no estar ramificados o tener anillos de tres
carbonos, grupos hidroxilo o grupos metilos como ramificaciones.
La nomenclatura sistemática de estos compuestos especifica la longitud de la cadena y el
número de dobles enlaces separados por dos puntos. Por ejemplo, el ácido palmítico sería
16:0 (es un C16 y no tiene dobles enlaces), mientras que el ácido oleico sería 18:1 (es un C18
y tiene un doble enlace).
Las posiciones de los dobles enlaces se especifican por exponentes que siguen a una delta
(Δ) contando desde el extremo carboxilo. Por ejemplo, en el caso del acido oleico, sería
18:1cisΔ9, dado que tiene un doble enlace entre el C9 y el C10.
Además, se ha de tener en cuenta el concepto de cis y trans. Se dice que el enlace es cis si
cambia el sentido de giro de la cadena, tal y como sucede en los dobles enlaces, mientras
que trans se considera cuando no hay cambio en el sentido de giro de la cadena.
Otra forma de denominar a estos ácidos grasos es por
medio del alfabeto griego. En este caso, se dice que el
carbono α es aquel que está contiguo al carboxilo, el
siguiente carbono sería el β, mientras que el carbono ω es
aquel que está al final de toda la cadena hidrocarbonada.
Por ejemplo, un
ácido grado ω–3 es aquel
que tiene una insaturación
tres posiciones antes del
extremo final de la cadena.
Ácido oleico (18:1cisΔ9) Ácido elaídico (18:1transΔ9) Ácido esteárico (18:0)
Grupo carboxilo
Cadena
hidrocarbonada
Saturados Insaturados (Cis)
Alberto Fonte Polo
103
Algunos ácidos grasos naturales importantes Solubilidad a 30ºC
(mg/g de disolvente)
Nombre sistemático
Nombre común Esqueleto
carbonado
Punto de
fusión (ºC)
Agua
Benceno
Ác. n-dodecanoico Ác. láurico 12:0 44,2 0,063 2.600
Ác. n-tetradecanoico Ác. mirístico 14:0 53,9 0,024 874
Ác. n-hexadecanoico Ác. palmítico 16:0 63,1 0,0083 348
Ác. n-octadecanoico Ác. esteárico 18:0 69,6 0,0034 124
Ác. n-icosanoico Ác. araquídico 20:0 76,5
Ác. n-tetracosanoico Ác. lignocérico 24:0 86,0
Ác. cis-9-hexadecenoico Ác. palmitoleico 16:1 – 0,5
Ác. cis-9-octadecenoico Ác. oleico 18:1(Δ9) 13,4
Ác. cis-cis-9,12-
octadecadienoico
Ác. linoleico 18:2(Δ9,12
) – 5
Ác. cis-cis-cis-9,12,15-
octadecatrienoico
Ác. α–linoleico 18:3(Δ9,12,15
) – 11
Ác. cis-cis-cis-cis-5,8,-
11,14-icotetraenoico
Ác. araquidónico 20:4(Δ5,8,11,14
) – 49,5
El ácido palmítico, el ácido esteárico, el ácido oleico, y el ácido linoleico son los
más abundantes en la naturaleza.
El ácido linoleico, el ácido α–linoleico, y el ácido araquidónico son esenciales para
el ser humano, y por lo tanto, deben ser ingeridos en la dieta.
longitud solubilidad y punto de fusión y ebullición.
Las propiedades físicas de los ácidos grasos están determinadas por la longitud y el grado
de insaturación de la cadena hidrocarbonada. La cadena hidrocarbonada apolar explica la
escasa solubilidad de los ácidos grasos en agua.
Cuanto más larga sea la cadena acílica grasa y menor sea el número de dobles
enlaces, menor es la solubilidad en agua. Sin embargo, el grupo carboxilo es polar y, a pH
neutro, está ionizado, por lo que los ácidos grasos de cadena corta tienen una ligera
solubilidad en agua frente a los de cadena larga.
Los puntos de fusión están también muy influidos por
la longitud y grado de saturación de la cadena
hidrocarbonada. A temperatura ambiente (20-25ºC),
los ácidos grasos de cadena corta son líquidos,
mientras que los ácidos grasos de cadena larga son
sólidos. Esta diferencia se debe a los diferentes grados
de empaquetamiento de las moléculas de ácidos
grasos.
En los compuestos totalmente saturados, la rotación libre alrededor de cada carbono–
carbono confiere gran estabilidad a la cadena hidrocarbonada y la conformación más
estable es la forma totalmente extendida, en la que los impedimentos estéricos entre átomos
vecinos están reducidos al mínimo. Estas moléculas se pueden empaquetar fuertemente en
ordenamientos casi cristalinos con contactos por uniones de Van Der Waals entre átomos a
lo largo de la propia cadena y átomos de cadenas vecinas.
En los ácidos grasos insaturados, un doble enlace cis provoca un doblamiento en la cadena
hidrocarbonada. Los ácidos grasos con uno o más doblamientos no se pueden empaquetar
Bioquímica 2º cuatrimestre
104
tan fuertemente como los ácidos grasos totalmente saturados, por lo que las interacciones
entre ellos son más débiles. Dado que se necesita menos energía térmica para desordenar
estos conjuntos poco ordenados de ácidos grasos insaturados, éstos tienen puntos de fusión
(y de ebullición) más bajos que los ácidos grasos saturados de la misma longitud de cadena.
También hay que recalcar que a mayor longitud de cadena, el punto de fusión y de
ebullición es más alto, dado que se han de desordenar o romper más enlaces carbono–
carbono.
Lípidos de almacenamiento
Acilgliceroles (trigliceroles)
Los acilgliceroles (grasas o grasas neutras) son ácidos grasos esterificados con glicerol, que
es un polialcohol de tres carbonos.
Según el número de ácidos grasos que se unen al glicerol, se pueden obtener:
Monoacilglicéridos o monogliceroles: si se une al glicerol un solo ácido graso.
Diacilglicéridos o digliceroles: si se une al glicerol dos ácidos grasos.
Triacilglicéridos o triglicéridos: si se unen al glicerol tres ácidos grasos.
Los más abundantes en la naturaleza son los triglicéridos. Un triacilglicerol está compuesto
por tres ácidos grasos que se han unido por enlace éster con un solo glicerol.
Los triglicéridos que contienen un mismo ácido graso
en las tres cadenas se denominan triglicéridos simples
y se denominan según el ácido graso que posean, como
por ejemplo, tripalmitina o triestearina. La mayoría de
los ácidos grasos naturales, sin embargo, son mixtos y
se han de especificar el nombre y posición de los
ácidos grasos para designar, sin ambigüedades, estos
compuestos.
Los triacilgliceroles son apolares e insolubles en agua.
Estos lípidos tienen densidades específicas menores
que el agua, lo que explica por qué las mezclas de agua
y aceite tienen dos fases.
Los triglicéridos son la forma de reserva energética
más abundante en la naturaleza, y se localizan en el
tejido adiposo (este tejido es el almacén de la grasa que
servirá para hidrolizarla en caso de necesidad) y en las
semillas de las plantas (servirán para proporcionar
energía y precursores biosintéticos durante la
germinación, por medio del ciclo del glioxilato).
Glicerol
Alberto Fonte Polo
105
En algunos animales, estos triacilgliceroles almacenados debajo de la piel también pueden
servir como aislamiento contra las temperaturas muy bajas.
Las grasas naturales, los aceites vegetales, los productos lácteos y las grasas animales son
una mezcla de triglicéridos simples y mixtos.
Los aceites vegetales tienen muchos triglicéridos con ácidos grasos insaturados y,
por ello, son líquidos a temperatura ambiente, mientras que las grasas son triglicéridos con
ácidos grasos saturados y, por ende, son sólidos a temperatura ambiente, además las grasas
son de origen animal.
Ceras
Las ceras biológicas son ésteres de ácidos grasos de cadena larga (14–36 átomos de
carbono) con alcoholes de cadena larga (16–30 átomos de carbono).
Son sólidas a temperatura ambiente y, además, son muy insolubles en agua.
Su función principal es la de proteger e impermeabilizar:
Glándulas sebáceas de la piel de los mamíferos: secretan cera para proteger el pelo
y la piel manteniéndolos flexibles, lubricados e impermeables.
Conducto auditivo: se secreta la cera en los oídos para protegerlos.
Hojas de plantas: sirve para protegerlas de los parásitos e impedir la excesiva
evaporación del agua.
Las ceras biológicas tienen además diversas aplicaciones en las industrias farmacéutica,
cosmética, alimenticia…
Lípidos estructurales de membrana
Los lípidos de la membrana son anfipáticos, es decir, tienen un extremo hidrofóbico (que
está en el interior de la bicapa) y otro extremo hidrofílico (que interacciona con el agua).
Las partes hidrofílicas de estos lípidos de membrana pueden ser muy sencillas (por ejemplo
un radical hidroxilo en el caso de colesterol) o ser muy complejas.
Bioquímica 2º cuatrimestre
106
Glicerofosfolípidos
Los glicerofosfolípidos o fosfoglicéridos son lípidos de membrana en los que dos ácidos
grasos están unidos por enlace éster al primer y segundo carbonos del glicerol y un grupo
de cabeza muy polar o cargado está unido por enlace fosfodiéster al tercer carbono.
Estos glicerofosfolípidos son derivados del ácido fosfórico y se nombran según el elemento
polar que se sitúa en el grupo de la cabeza. Por ejemplo, la fosfatidil colina se caracteriza
por tener colina en su cabeza polar.
Los ácidos grasos de los glicerofosfolípidos pueden ser muy variados, por lo que un
fosfolípido dado puede estar formado por diversas especies moleculares, cada una con una
dotación única de ácidos grasos. La distribución de las especies moleculares es específica
de los distintos organismos, diferentes tejidos de un mismo organismo y distintos
glicerofosfolípidos en la misma célula o tejido.
Alberto Fonte Polo
107
Esfingolípidos
Los esfingolípidos tienen también una cabeza polar y dos colas apolares, pero, a diferencia
de los glucofosfolípidos, no contienen glicerol. Los esfingolípidos están compuestos por
una molécula de esfingosina o un derivado suyo, una molécula de un ácido graso de cadena
larga y una cabeza polar unido por un enlace glucosídico en algunos casos y por enlace
fosfodiéster en otros.
Los gangliósidos son un tipo de glucoesfingolípidos, que contienen grupos de cabeza polar
formados por oligosacáridos y uno o varios residuos terminales de ácido N–
acetilneuramínico (o ácido siálico).
La porción glucídica de ciertos esfingolípidos del tipo gangliósido definen los grupos
sanguíneos humanos.
Esf
ingo
glu
colí
pid
os
ó
Glu
coes
fing
oli
pid
os
Antígeno 0
Bioquímica 2º cuatrimestre
108
Lípidos con actividad biológica
Son todos aquellos lípidos que pueden actuar como hormonas, pigmentos, vitaminas... Los
principales lípidos con actividad biológica son:
Isoprenoides: estos lípidos actúan como:
o pigmentos (siendo los más importantes los carotenos),
o vitaminas (A, E y K),
o transportadores: las quinonas (ubiquinona en la mitocondria y
plastoquinona en los cloroplastos) son moléculas transportadoras de
electrones y el dolicol es una molécula encargada del transporte de glúcidos
a la membrana.
Esteroides: los derivados de los esteroles, pueden actuar como:
o hormonas esteroideas,
o ácidos biliares,
o vitaminas (la vitamina D es un derivado de esterol).
Eicosanoides: los eicosanoides más importantes son:
o prostaglandinas,
o tromboxanos,
o leucotrienos.
Isoprenoides
Los isoprenoides o terpenos son lípidos que derivan del isopreno, una molécula de cinco
carbonos.
Estos terpenoides son, pues, polimeros en los que el monómero es el isopreno. Para
ello, en su síntesis, el isopreno se activa dando lugar al isopentenil pirofosfato.
Los terpenoides se nombran en función del número de terpenos (es decir, del número de
dobles unidades de isopreno tenga la molécula).
Monoterpeno 2 isoprenos (C10)
Diterpeno 4 isoprenos (C20)
Triterpenos 6 isoprenos (C30)
Tetraterpeno 8 isoprenos (C40) = Carotenoides
Antígeno A
Antígeno B
Alberto Fonte Polo
109
Todos estos isoprenoides pueden ser lineales, ramificados e incluso cíclicos. La utilidad que
tienen estos isoprenoides es variada, dado que se pueden encontrar:
Aceites vegetales: como el geraniol, el mentol, el alcanfor y el limoneno. Éste
último es un monoterpeno (C10) que se encuentra en el limón:
Pigmentos: los pigmentos más importantes derivados del isopreno son el fitol
(presente en la clorofila) y el caroteno, del cual hay que decir que, el más
importante es el β–caroteno, un tetraterpeno (C40).
Vitaminas: a partir de determinados terpenos, se pueden obtener vitaminas. Las
siguientes vitaminas son isoprenoides:
o Vitamina A o retinol: esta vitamina lipídica es un diterpeno (C20) importante
que está relacionada con la visión y la regulación de la expresión génica de
la piel. Su origen es el β–caroteno y puede dar lugar a otras moléculas como
el ácido retinoico (que es una señal hormonal) o el retinal (que es un
neurotransmisor).
La deficiencia de esta vitamina produce sequedad de las mucosas, de la piel
y de los ojos, retraso en el crecimiento y en el desarrollo, y ceguera nocturna.
Bioquímica 2º cuatrimestre
110
o Vitamina E o tocoferol: esta vitamina es un antioxidante que reacciona con
las formas reactivas del oxígeno y otros radicales libres, destruyéndolas y
protegiendo así los ácidos grasos insaturados de la oxidación. Con esto, se
impide las lesiones oxidativas de los lípidos de las membranas, lo que puede
causar fragilidad de eritrocitos (anemia hemolitica).
o Vitamina K: esta vitamina es un cofactor de la coagulación sanguínea, va a
dar lugar a la protrombina (que rompe el fibrinógeno para dar lugar a la
fibrina).
Transportadores:
o Ubiquinona (CoQ): es un transportador de electrones en la mitocondria, que
participa en la cadena de transporte electrónico para sintetizar ATP.
o Plastoquinona: es un transportador de electrones en el cloroplasto, que
participa en el transporte fotosintético de electrones de la membrana del
tilacoide, cuyo fin es la síntesis de ATP.
o Dolicol: es un transportador de glúcidos que interaccionan con los lípidos de
la membrana plasmática para anclar los glúcidos a ésta, participando así en
reacciones de transferencia de glúcidos.
Esteroides
Los lípidos esteroles son lípidos que derivan del ciclopentanoperhidrofenantreno, que es un
núcleo de cuatro anillos, casi plano y relativamente rígido, dado que los anillos fusionados
no permiten la rotación alrededor de los enlaces carbono-carbono.
Ciclopentano
perhidro
fenantreno
Alberto Fonte Polo
111
De los esteroides, el más importante (y del
que van a derivar todos los demás
esteroides) es el colesterol, que se
caracteriza por presentar una cabeza polar
(que es un radical hidroxilo en posición 3)
y una cadena lateral alquílica que es apolar
(como el núcleo esteroideo). Se encuentra
libre en las membranas plasmáticas.
Es el precursor de los siguientes lípidos esteroideos con actividad biológica:
Hormonas esteroideas: las hormonas esteroideas son las hormonas sexuales
(testosterona y estradiol) y las hormonas corticales (cortisol y aldosterona).
Ácidos biliares: son derivados
polares del colesterol que
actúan como detergentes en el
intestino, emulsionando las
grasas de la dieta para hacerlas
más accesibles a las lipasas
gástricas. Un ejemplo de ácido
biliar es el ácido taurocólico.
Vitamina D3 o colecalciferol: la vitamina D3 es una vitamina esteroidea que se
forma en la piel a partir del 7–deshidrocolesterol mediante una reacción
fotoquímica accionada por la luz solar. Por si misma, esta vitamina es inactiva, pero
las enzimas del hígado y de los riñones la convierten en 1,25–
dihidroxicolecalciferol. Este 1,25–dihidroxicolecalciferol es una hormona que
regula la captación del calcio en el intestino y del grupo fosfato en los huesos, y
regula también la expresión génica.
La deficiencia de esta vitamina causa el raquitismo, una enfermedad que se
caracteriza por la formación defectuosa de los huesos.
Bioquímica 2º cuatrimestre
112
Eicosanoides
Los eicosanoides son lípidos que derivan del ácido araquidónico (20:4cisΔ5, 8, 11, 14
). Éste
ácido graso está presente en lípidos de membrana del tipo fosfolípido ocupando la posición
2. Es eliminado tras una señal hormonal mediante la acción de la fosfolipasa A2 que lo
envía al citosol, donde actúa este ácido araquidónico como un segundo mensajero.
Este lípido es esencial y puede dar lugar a:
Prostaglandinas (PG): su nombre proviene de la glándula prostática, de donde se
aisló primero. Contienen un anillo de cinco átomos de carbono que originalmente
formaba parte de la cadena del ácido araquidónico. Los antiinflamatorios son
inhibidores de su síntesis. Algunas prostaglandinas estimulan la contracción del
músculo liso del útero durante el parto o en la menstruación.
Tromboxanos: se caracterizan por tener un anillo de seis átomos que contienen una
función éter. Son producidos por las plaquetas o trombocitos, y están implicados en
la agregación plaquetaria, y en la formación de coágulos sanguíneos. La síntesis de
tromboxanos está inhibida por la aspirina y el ibuprofeno, que son fármacos
antiinflamatorios no esteroideos (NSAID).
Alberto Fonte Polo
113
Leucotrienos: se sintetizan en los leucocitos y se caracterizan por tener tres dobles
enlaces conjugados. Están implicados en el asma y el shock anafiláctico (en el caso
de las alergias), ya que producen la contracción de la musculatura lisa de las vías
respiratorias.
La formación de estos compuestos a partir del ácido araquidónico se resume en el siguiente
esquema:
Ácido araquidónico
Lipooxigenasa Ciclooxigenasa
Leucotrienos PGHX
PGIX Tromboxanos
PGFX PGEX
Broncoconstricción
Vasoconstricción
Permeabilidad capilar
Agregación
antiplaquetaria
Vasodilatación Agregación
plaquetaria
Vasoconstricción
Contracción de
la musculatura lisa
Inflamación
Vasodilatación Vasodilatación Contracción de
la musculatura lisa
Todos los
tejidos
Bioquímica 2º cuatrimestre
114
TTeemmaa 3322 LLííppiiddooss ddee llaa DDiieettaa
Digestión y absorción de los lípidos de la dieta
En la dieta, se ingieren 100 g. diarios aproximadamente de lípidos, pero, de todos ellos, el
90% son triglicéridos, siendo el 10% restante el correspondiente a los fosfolípidos, ésteres
de colesterol y esteroles vegetales.
Los lípidos que se ingieren no afectan a la composición de lípidos del organismo porque se
han de hidrolizar en la dieta y, tras esta hidrólisis, el organismo los ha de sintetizar de novo.
Esto quiere decir que la composición de los lípidos de la dieta no es la misma composición
que la de los lípidos del organismo que lo ingiere.
La digestión de estos lípidos comienza en la boca, cuando la lipasa lingual rompe el enlace
en posición α2 de los triglicéridos, liberando ácidos grasos de cadena corta. Esta enzima
tiene un pH de actuación óptimo ácido.
El bolo alimenticio pasa al estómago, donde hay un bajo pH y, gracias a las contracciones
estomacales, se forma una emulsión lipídica, donde se sitúan en el interior de la gota
lipídica los triglicéridos y los ésteres de colesterol y en el exterior de esta gota se sitúan los
fosfolípidos y el colesterol.
Esto se debe a que los fosfolípidos y el colesterol tienen parte polar y pueden contactar con
el agua, mientras que los triglicéridos y los ésteres de colesterol son hidrófobos. La lipasa
lingual sigue actuando y comienza en el estómago la absorción de los primeros ácidos
grasos de cadena corta.
En el intestino, hay un aumento de pH y los ácidos grasos que no se absorben en el
estómago se ionizan debido al radical carboxilo (–COO–). Además, se secreta la hormona
colecistoquinina, que tiene dos funciones de estimulación:
Secreción de bilis desde la vesícula biliar: la bilis son sales biliares que, son
ésteres polares del colesterol, que actúan como detergentes, haciendo que la gota
lipídica se emulsione cada vez más.
Secreción de enzimas pancreáticas: las enzimas pancreáticas que se secretan al
duodeno son:
Colesterol
Fosfolípido
s Ésteres de
colesterol
Triglicéridos
Alberto Fonte Polo
115
o Lipasa pancreática: hidrolizan el enlace α1 liberando ácidos grasos que se
vuelven polares por el pH.
o Fosfolipasa A2: hidrolizan el enlace β liberando ácido araquidónico u otros
ácidos grasos que se sitúen en la susodicha posición.
o Colesterol esterasa: hidrolizan los ésteres de colesterol, de tal modo que dan
lugar a ácidos grasos y colesterol.
Cada vez hay más compuestos polares y el enterocito absorberá ácidos grasos, glicerol,
lisofosfolípidos (un glicerolfosfato unido a un ácido graso), monoacilglicéridos y colesterol.
Formación de quilomicrones
En el enterocito, tras la absorción de estos lípidos, se va a producir una reesterificación de
todos los nutrientes de origen lipídico.
Así, el ácido graso se activa con coenzima A y va a dar lugar a un acil CoA; a la par que el
glicerol se fosforila a glicerol–3–fosfato. Este acil CoA puede unirse al monoacilglicérido
(también ingerido) para dar lugar a un diglicérido o unirse dos moléculas de acil CoA al
glicerol–3–fosfato para formar ácido fosfatídico. En caso de formar un diglicérido, éste se
puede volver a unir a otro acil CoA para formar un triglicérido.
El lisofosfolípido que ha sido ingerido puede juntarse con dos moléculas de acil
CoA y dar lugar a un fosfolípido.
El colesterol se puede unir a un ácido graso (que estará en forma de acil CoA) para
dar lugar a un éster de colesterol.
Todos los triacilglicéridos, fosfolípidos, ésteres de colesterol y vitaminas liposolubles (que
se han ingerido, pero no se han degradado) se asocian con unas proteínas denominadas
apoproteínas (o apolipoproteínas) para formar los quilomicrones, que son un tipo de
lipoproteínas.
Bioquímica 2º cuatrimestre
116
Así, estos lípidos se pueden distribuir por el cuerpo mediante la sangre, dado que el suero
sanguíneo es acuoso y los lípidos son hidrófobos.
Estos quilomicrones (que son lipoproteínas ricas en triglicéridos de origen exógeno,
procedentes de la dieta, que se sintetizan en el enterocito) van a ir del intestino a la linfa; de
esta linfa irán a la sangre y, por último, irán a los tejidos, donde las apoproteínas
reconocerán unas proteínas específicas de los capilares y las activarán. Tras esta activación,
se hidrolizarán los triglicéridos que transporta el quilomicrón, entrando ácidos grasos y
glicerol a ese tejido.
En el caso de ser el tejido adiposo, se volverá a rehacer la síntesis por medio de la
lipogénesis. Por el contrario, si se está en el músculo, estos sustratos serán empleados para
producir energía.
Lipoproteínas plasmáticas
Las lipoproteínas son agregados de lípidos y proteínas, que transportan lípidos en sangre.
Éstas se clasifican en función de su densidad (que, a su vez, dependerá de la cantidad de
triglicéridos que contengan), ya que, cuando se centrifuga el suero sanguíneo, se observan
los siguientes tipos:
Alberto Fonte Polo
117
Quilomicrones: son lipoproteínas con
triglicéridos de origen exógeno que se
sintetizan en el intestino.
Morfológicamente, son una monocapa de
fosfolípidos en cuyo interior hay
triglicéridos y ésteres de colesterol. Las
proteínas son membranosas (estando
embebidas en la monocapa) y son
específicas.
Lipoproteínas de muy baja densidad
(VLDL): son lipoproteínas con un alto
contenido en triglicéridos de origen
endógeno, ésteres de colesterol y
colesterol que se sintetizan en el hígado.
Lipoproteínas de densidad intermedia
(IDL): surgen del metabolismo de las VLDL y tienen menor cantidad de
triglicéridos que de ésteres de colesterol y colesterol.
Lipoproteínas de baja densidad (LDL): se caracterizan por tener menor cantidad
de triglicéridos y mayor cantidad de ésteres de colesterol y colesterol. Tienen
importancia médica porque están implicadas en la formación de las placas de
ateroma, esto ocurre cuando el individuo tiene una elevada concentración de
colesterol en sangre, ya que añade colesterol a los tejidos. Estos ateromas conducen
a la obstrucción de las arterias principales y de otros vasos sanguíneos, aumentando
así los riesgos de infarto. Las LDL se conocen vulgarmente como colesterol “malo”.
Lipoproteínas de alta densidad (HDL): son similares a las LDL en cuanto a
composición química, pero lo que hacen es quitar el colesterol de los tejidos, por lo
que son beneficiosos para combatir los ateromas, es el colesterol “bueno”.
Clases principales de lipoproteínas plasmáticas humanas: algunas propiedades
Lipoproteína Densidad (g/ml) Proteína Fosfolípidos Colesterol Ésteres colesterol Triglicéridos
Quilomicrón <1,006 2 9 1 3 85
VLDL 0,95 - 1,006 10 18 7 12 50
LDL 1,006 - 1,063 23 20 8 37 10
HDL 1,063 - 1,210 55 24 3 15 4
Composición (masa %)
Metabolismo de las lipoproteínas
En el enterocito, se forman los quilomicrones que son ricos en triglicéridos y tienen la
apoproteína C–II. En los capilares, la apoC–II contacta con la lipoproteína lipasa, que va a
ejercer la hidrólisis de los triglicéridos de este quilomicrón a ácidos grasos y glicerol.
Estos ácidos grasos y glicerol se van a reesterificar en el tejido adiposo o se van a
degradar en otros tejidos. En el músculo, además, se puede llegar a degradar complejos de
ácidos grasos y albúmina procedentes del tejido adiposo.
Bioquímica 2º cuatrimestre
118
Estos quilimocrones van a perder triglicéridos, de modo que, los restos de los
quilomicrones van a ir al hígado, donde la apoE va a contactar con los hepatocitos. En este
caso, puede suceder que el colesterol podrá servir para la síntesis de sales biliares y que el
colesterol y los triglicéridos (procedentes de la ingesta de glucosa) podrán ser usados para
formar las VLDL.
Las VLDL reparten los triglicéridos de la misma manera que los quilomicrones y, al final,
lo que se tiene son restos de VLDL denominados IDL. Estos IDL tienen menos triglicéridos
que colesterol y ésteres de colesterol, y van a ir al hígado (por medio del reconocimiento
con la apoE) o se van a ir transformando el LDL debido a la apoB100. Esta apoproteína
apoB100 les permite unirse a los tejidos para aportar colesterol dado que se une a sus
receptores.
De los tejidos, aparecerán las particulas HDL (que contienen la apoproteína apoA–I) que se
van enriqueciendo de ésteres de colesterol a partir de restos de quilomicrones e IDL debido
a la presencia de la enzima LCAT (lecitina colesterol acil transferasa). Esta LCAT está en
el plasma y en las HDL, donde transfiere acilos desde la lecitina o fosfatidil colina al
colesterol, de modo que quita el ácido graso saturado de la posición dos a la lecitina y se lo
da al colesterol. Esta LCAT va eliminando restos de otras lipoproteínas de esta manera.
Además, las HDL tienen la apoE, que va a servir para que las reconozca el hígado.
Alberto Fonte Polo
119
LDL y los ateromas
Las LDL entran en la célula porque reconocen el receptor de estas moléculas. Así, se forma
una invaginación y se realiza un proceso de endocitosis. Esto se debe a que la síntesis de
colesterol es cara energéticamente hablando en el complejo de Golgi y es preferible
captarlo de las LDL antes que sintetizarla.
En los casos donde hay un exceso de colesterol (es decir, donde hay una elevada cantidad
de LDL en sangre), se ve que la presencia de receptores para LDL en las células es baja o
nula. Así, un exceso de LDL en sangre causa la hipercolesterolemia familiar.
En resumidas cuentas, una alta cantidad de LDL hace que haya una disminución de
la síntesis de colesterol endógeno y de los receptores de LDL.
Siempre se ha dicho que los niveles de LDL son peligrosos en sangre, y esto se debe a que
está ligado a la formación de las placas de ateroma. Estas placas de ateroma se dan en las
arterias coronarias, donde se acumulan de manera anormal macrófagos, células musculares,
fibroblastos... Todos ellos tienen una alta cantidad de colesterol debido a los LDL que se
pegan a los fibroblastos, que tienen receptores para estos LDL que no están regulados, o lo
que es lo mismo, no tienen límite de captura de colesterol.
Estos fibroblastos “engordan” hasta llegar a un extremo en el que obstruyen los vasos
arteriales y causan un infarto de miocardio (debido a la necrosis que se da en las arterias).
Además, estas placas de ateromas presentan células espumosas.
Lipoproteínas y
transporte de lípidos
Bioquímica 2º cuatrimestre
120
Si este ateroma se presenta en las arterias cerebrales, entonces se habla de ictus. También se
suele decir que se beba vino tinto y otros antioxidantes en la comida. Esto se debe a que las
LDL están oxidadas y, si se ingiere estos antioxidantes, se impide la oxidación de las LDL
por parte de los fenoles de dichos antioxidantes.
Alberto Fonte Polo
121
Aspectos generales del metabolismo lipídico
El metabolismo de los lípidos se va a centrar en dos tejidos:
Tejido adiposo: este tejido es un almacén de lípidos.
Tejido hepático: este tejido va a usar los lípidos.
Metabolismo de lípidos en el adipocito
De los LDL, VLDL y de los quilomicrones, van a entrar ácidos grasos libres y glicerol.
Los ácidos grasos van a activarse uniéndose a coenzima A formando el acil CoA, y
el glicerol se va a fosforilar a glicerol–3–fosfato por medio de la actividad de la glicerol
quinasa (cuya actividad depende de los triglicéridos en la célula). Tres moléculas de acil
CoA y este glicerol–3–fosfato van a dar lugar a un triglicérido por medio de lo que se
conoce como esterificación.
También hay que decir que la captación de glucosa por medio del adipocito, estimulada por
la insulina, va a servir para efectuar la glucólisis, donde la glucosa–6–fosfato puede dar
lugar a gliceraldehído–3–fosfato (que servirá para dar lugar a glicerol–3–fosfato) y
dihidroxiacetona fosfato (que se isomeriza a gliceraldehído–3–fosfato). Además, se puede
degradar la glucosa hasta obtener acetil CoA que, mediante el proceso de la lipogénesis, va
a dar lugar a acil CoA.
Estos triglicéridos, en un momento dado, se pueden emplear para obtener energía en otros
tejidos (como el músculo). Así, en el adipocito, sucede lo que se conoce como lipólisis, que
es la ruptura de los triglicéridos para dar lugar a ácidos grasos libres y a glicerol. Mientras
el glicerol va a ir a la sangre y puede actuar como sustrato gluconeogenético, los ácidos
grasos libres podrán viajar por la sangre si se unen a la albúmina yendo a aquellos tejidos
donde se puedan degradar los ácidos grasos.
Como se puede apreciar, hay una gran dependencia entre el metabolismo de los hidratos de
carbono y los lípidos. De hecho, la síntesis y degradación de los lípidos, es decir, la
esterificación y la lipólisis, están en constante actividad, por lo que hay un equilibrio entre
génesis y lisis por efecto hormonal.
Bioquímica 2º cuatrimestre
122
Metabolismo de lípidos en el hepatocito
Es similar al anterior, con la salvedad de que el acil CoA se puede degradar a acetil CoA
por medio de la β–oxidación, y que puede liberar triglicéridos en forma de lipoproteínas.
Además, este acetil CoA puede servir también para la formación de cuerpos cetónicos y de
colesterol que, junto a los triglicéridos y otras moléculas, formaran las lipoproteínas.
La acumulación de triglicéridos en el hígado es limitada debido a la formación de las
VLDL, salvo en situaciones patológicas. Si la ingesta de alcohol ha sido excesiva, hay un
aumento de NADH + H+, que causa la inhibición de la gluconeogénesis y del ciclo de
Krebs. Esto hace que se aumente el nivel de acetil CoA en el hepatocito, haciendo que
aumente la concentración de acil CoA, y por ello, se forman muchos triglicéridos en lo que
se conoce como hígado graso. Este hígado graso es reversible salvo si se detecta cirrosis.
Alteraciones metabólicas
Alberto Fonte Polo
123
TTeemmaa 3333 DDeeggrraaddaacciióónn ddee LLííppiiddooss
Lipólisis y su regulación
La lipólisis es el proceso por el cual se hidrolizan los triacilglicéridos y se obtienen ácidos
grasos libres y glicerol. La lipólisis tiene lugar en el tejido adiposo y en el intestino.
En el tejido adiposo, la lipólisis sucede por medio de un complejo multienzimático formado
por la triglicérido lipasa y por la monoglicérido lipasa:
idoMonoglicérÁGLoDiglicéridÁGLdoTriglicéri lipasaTGlipasaTG
GlicerolÁGLidoMonoglicér lipasaMG
Esta enzima está regulada por la actividad hormonal:
o Glucagón: se secreta cuando hay poca glucosa en
sangre y, lo que genera es la formación de altas
concentraciones de AMPc intracelular. Este AMP
cíclico causa la activación de la proteína quinasa A,
que fosforilará a la triglicérido lipasa, activándola,
y permitiendo la lipólisis.
o Adrenalina: se secreta en situaciones de estrés, y
actúa igual que el glucagón.
En el caso del intestino se debe a la actividad de la lipasa lingual y de la lipasa
pancreática.
Tanto en un caso como en el otro, el glicerol liberado irá al hígado para la glucólisis o la
gluconeogénesis, ya que, en los hepatocitos, el glicerol dará lugar al glicerol–3–fosfato por
medio de una reacción de fosforilación dependiente de ATP y, tras esto, se isomerizará a
dihidroxiacetona fosfato.
Los ácidos grasos, sin embargo, podrán ir al músculo (donde serán degradados
aeróbicamente para obtener energía) o al hígado, donde se activarán, entrarán en las
mitocondrias y se oxidarán mediante la β–oxidación.
La lipólisis sirve para movilizar ácidos grasos libres que serán degradados de manera
aeróbica en el músculo.
Bioquímica 2º cuatrimestre
124
Activación de ácidos grasos y transporte al interior mitocondrial
En el hígado, un ácido graso se va a activar por medio de su unión con una coenzima A
para dar lugar a acil CoA. Sin embargo, para que se dé esto, se requiere la hidrólisis de ATP
a AMP y pirofosfato inorgánico. Todo esto lo lleva a cabo la tioquinasa o acil CoA
sintetasa.
El pirofosfato que se produce se hidroliza a dos grupos fosfato, haciendo que la reacción
sea irreversible.
Estos acil CoA pueden servir para sintetizar ácidos grasos en el citosol o degradarlos en la
mitocondria. Para que puedan entrar en la mitocondria, los acil CoA son transportados por
la carnitina.
Esta carnitina va a dar lugar a la acil carnitina por medio de una reacción de transferencia
de acilos en la que se libera coenzima A. Esta reacción es catalizada por la acil carnitina
transferasa I (si va de acil CoA a acil carnitina) o la acil carnitina transferasa II (si va de
acil carnitina a acil CoA, es decir, cuando sale de la mitocondria).
Así, esta acil carnitina puede penetrar en la mitocondria por medio de un antiporte con
carnitina llevado a cabo por una translocasa. Esta acilcarnitina es un transportador de
grupos acilos e interaccionará con una coenzima A para dar lugar al acil CoA y a la
carnitina. Esto lo realiza la acil carnitina transferasa II y esta carnitina puede salir de la
mitocondria para que pueda captar otro extremo acilo.
Esto es un sistema de lanzadera, y el malonil CoA (que es un intermediario de la síntesis de
ácidos grasos) va a inhibir al acetil CoA.
Carnitina CH3– N+–CH2–CH–CH2–COO
–
OH CH3
Acil carnitina
transferasa I
CO
R
│
CH3
│
│
R–COSCoA Acil CoA
Acil carnitina CH3– N+–CH2–CH–CH2–COO
–
O CH3
│
CH3
│
│
│
│
SHCoA Coenzima A
ATP AMP + PPi 2Pi
R–COO–
AG
SHCoA
Tioquinasa Acil CoA
R C
O
+ OH + ATP CoA-SH R C
O
SCoA + AMP + P Pi
Alberto Fonte Polo
125
β–Oxidación de ácidos grasos
Reacciones de la β–oxidación
La β–oxidación de ácidos grasos debe su nombre a que el desprendimiento de los átomos
de carbono en forma de acetil CoA se realiza en la posición β mediante una oxidación.
Todo éste ciclo comienza con una reacción redox del acil CoA en la que el acil CoA se
oxida y el FAD se reduce (dando lugar a FADH2). La oxidación del acil CoA va hacer que
se genere una insaturación en el carbono α, dando lugar así al trans–Δ2 acil CoA. Esto lo
lleva a cabo la acil CoA deshidrogenasa.
Este trans–Δ2 acil CoA se va a hidratar, haciendo que se introduzca agua en el enlace trans,
y formándose una β–hidroxiacil CoA. Esta reacción está catalizada por la Δ2 acil CoA
hidratasa.
La β–hidroxiacil CoA se va a oxidar en una reacción redox en la que se produce poder
reductor en forma de NADH + H+ y un β–cetoacil CoA. Esto está catalizada por la β–
hidroxiacil CoA deshidrogenasa.
Por último, la β–cetoacil CoA va a interaccionar con una coenzima A que escindirá a éste
β–cetoacil CoA en la posición β dando lugar a acetil CoA y a un acil CoA de una longitud
de cadena de n–2 carbonos. Esta última reacción es catalizada por la tiolasa o β–cetoacil
CoA transferasa.
β–oxidación con el ácido palmítico (C16)
Bioquímica 2º cuatrimestre
126
Rendimiento energético de la β–oxidación
Para calcular el rendimiento energético de la β–oxidación, se va a considerar el ejemplo del
ácido palmítico (C16), que producirá 8 moléculas de acetil CoA y requerirá 7 vueltas, en las
que, en cada una, se producirá una molécula de FADH2, una moléculas de NADH + H+ y se
perderá una molécula de agua.
Así, por cada vuelta de la β–oxidación de éste ácido palmítico, se produce:
.ATP/vueltademoleculas4producenSeATP2,5HNADHATP2,5HNADH1
ATP1,5FADHATP1,5FADH1 22
Por cada molécula de acetil CoA que se genera en cada vuelta, cuando ésta va al ciclo de
Krebs da lugar a:
CoA.ATP/Acetildemoleculas10producenSe
ATP 1 GTP1
ATP7,5HNADHATP2,5HNADH3
ATP1,5FADHATP1,5FADH1 22
Alberto Fonte Polo
127
Dado que se realizan 7 vueltas y hay 8 moléculas de acetil CoA generadas, el número de
moléculas de ATP que se realizan a partir de ácido palmítico es:
ATP108acetilCoAATP10CoAacetil8vueltaATP4vueltas7
Sin embargo, hay que descontar dos moléculas de ATP por la activación de los ácidos
grasos, por lo que se generan 106 moléculas de ATP.
Si se compara este resultado con la glucosa (30–32 ATP), se ve que un ácido graso produce
más energía que la glucosa, pero sólo se puede degradar de manera aerobia y algunas
células (como las nerviosas) no la podrían degradar.
Rendimiento hídrico de la β–oxidación
La degradación de los ácidos grasos genera agua, esto es importante sobre todo en animales
hibernantes como el murciélago, o en animales que viven en regiones secas como el
camello. Un ácido graso puede producir agua de tres maneras:
Formación de ATP: esto se da en la fosforilación:
OHATPPADP i 2
Oxidación del NADH: esto se ve en la cadena de transporte electrónico:
OHNADOHNADH 222
1
Oxidación del FADH2: esto se ve en la cadena de transporte electrónico:
OHFADOFADH 2222
1
Si en el balance energético se obtenían 106 moléculas de ATP, también se producirán 106
moléculas de agua.
En una vuelta de la β–oxidación, se obtenía una molécula de FADH2 y una molécula de
NADH + H+, se obtendrán dos moléculas de agua por vuelta. Sin embargo, se gastaba una
en el paso del trans–Δ2 acil CoA a β–hidroxiacil CoA, por lo que, en realidad, se producirá
1 moléculas de agua por vuelta de la β–oxidación.
En el ciclo de Krebs, por cada acetil CoA se obtienen tres moléculas de NADH + H+ y una
molécula de FADH2. En este caso, se producirán cuatro moléculas de agua por cada acetil
CoA. Sin embargo, se usaban dos moléculas de agua para la reacción del fumarato a malato
y del citrato a isocitrato; por lo que, se generan dos moléculas de agua por acetil CoA. No
se ha contado la molécula de GTP porque ya se ha referido a ella al hablar en las 106
moléculas de agua.
Por lo tanto, en la β–oxidación de un ácido graso C16 se producirán 129 moléculas de H2O:
OH129acetilCoAOH2CoAacetil8vueltaOH1vueltas7OH106 2222
Bioquímica 2º cuatrimestre
128
β–Oxidación de ácidos grasos con número impar de átomos de C
Lo visto anteriormente servía para un ácido graso de número par de carbonos, pero en los
vegetales y algunos seres marinos, hay ácidos grasos de cadena impar de carbonos.
En ese caso, lo que sucede es que, en la última vuelta, hay cinco carbonos en el último acil
CoA, donde la escisión dará lugar a acetil CoA (de 2 átomos de C) y propionil CoA (3 C).
Este propionil CoA (que se ingiere en la dieta) se degrada mediante una
carboxilación catalizada por la propionil CoA carboxilasa, que da como producto
metilmalonil CoA. Este metilmalonil CoA se reordenará (en una reacción biocatalizada por
la metilmalonil CoA mutasa) dando lugar a succinil CoA, que es un intermediario del ciclo
de Krebs.
β–Oxidación de ácidos grasos insaturados
Ácidos grasos monoinsaturados
En el caso de la β–oxidación de ácidos grasos insaturados, como es el ácido palmítico, lo
que hay que tener en cuenta es que se realiza este proceso de manera normal hasta que se
llega a la formación de un cis–Δ3–enoil CoA, que no lo reconoce ninguna de las enzimas de
esta ruta. Así, actúa la cis–Δ3–enoil CoA isomerasa, que cambia la posición y configuración
del enlace, de modo que se transforma en un trans–Δ2–enoil CoA, pudiendo continuar así la
β–oxidación.
Propionil CoA CH3–CH2–COSCoA
C.A.T.
CH3
Propionil CoA carboxilasa
│ Metil malonil CoA
CO2
–OOC–CH–COSCoA
Metilmalonil CoA mutasa
–OOC–CH2– CH2–COSCoA
Succinil CoA
Alberto Fonte Polo
129
Ácidos grasos poliinsaturados
Ahora bien, en el caso de ácidos grasos poliinsaturados (como el ácido linoleico), se ve que
se degrada por β–oxidación hasta que llega al enlace cis. Hay una isomerasa que cambia el
orden y la configuración de este doble enlace, haciendo que sea trans y se pueda continuar
la β–oxidación, eliminando una molécula de acetil CoA.
Ahora bien, se continua hasta que la acil CoA deshidrogenasa crea un doble enlace, pero no
puede continuar la β–oxidación y están próximos entre sí. Por ello, actúa la dienoil CoA
reductasa, que va a eliminar los dobles enlaces y va a formar uno para que sea compatible
(trans) con las enzimas de la β–oxidación. Posteriormente, actúa una isomerasa para
cambiarlo de posición.
Metabolismo de los cuerpos cetónicos
El acetil CoA formado en la oxidación de los ácidos grasos sólo entra en el ciclo del ácido
cítrico si la degradación de las grasas y la degradación de los carbohidratos están
adecuadamente equilibradas.
La entrada en el ciclo del acetil CoA depende de la disponibilidad del oxalacetato y esta
puede estar disminuida si no hay carbohidratos o éstos no se usan adecuadamente (como
por ejemplo si no hay piruvato suficiente).
Bioquímica 2º cuatrimestre
130
En situaciones de inanición, de diabetes o de excesiva ingesta de alcohol, el oxalacetato se
consume en formación de la glucosa y, por lo tanto, no está disponible para la condensación
con acetil CoA.
En estas condiciones, el exceso de acetil CoA se desvía para formar los cuerpos cetónicos,
que son acetacetato, β–hidroxibutirato y acetona. Los cuerpos cetónicos se forman en las
mitocondrias del hígado, y son degradados en las mitocondrias de los tejidos
extrahepáticos. Son los compuestos que más varía su concentración en la sangre, casi no
hay cuerpos cetónicos en los individuos normalmente alimentados, pero su concentración
aumenta mucho durante los ayunos prolongados.
Cetogénesis: formación de cuerpos cetónicos
El acetacetato se forma a partir de la acetil CoA en tres etapas:
Condensación de dos moléculas de acetil CoA para formar acetoacetil CoA: esta
reacción la cataliza la tiolasa y es la etapa inversa a la tiolisis de la β–oxidación de
los ácidos grasos.
Formación de β–hidroxi–β–metilglutaril CoA (HMG CoA) a partir de acetoacetil
CoA, acetil CoA y agua: la hidroximetilglutaril CoA sintasa es la enzima que
cataliza esta condensación, que es similar a la catalizada por la enzima citrato
sintasa (del ciclo de Krebs). Esta reacción es impulsada gracias a la ruptura del
enlace tioéster del acetil CoA.
Escisión del β–hidroxi–β–metilglutaril CoA en acetacetato y acetil CoA: esta
catalizada esta reacción por la hidroximetilglutaril CoA liasa.
Este acetacetato puede ser posteriormente reducido a β–hidroxibutirato en la matriz
mitocondrial por la β–hidroxibutirato deshidrogenasa, consumiéndose NADH + H+ y
generándose NAD+.
Al tratarse de un β–cetoácido, el acetacetato también puede descarboxilarse
espontáneamente a acetona, que puede ser detectada en el aliento de una persona que tenga
una concentración alta de acetacetato en sangre (como puede ser un diabético o un
alcohólico).
Tiolasa
Acetoacetil CoA
CH3–CO–CH2–COSCoA
OH
CH2
│
COO–
│
│
SHCoA CH3–COSCoA
+
CH3–COSCoA
Acetil CoA CH3–COSCoA + H2O
SHCoA
HMG CoA
sintasa
CH3–C–CH2–COSCoA
β–hidroxi–β–metilglutaril CoA
CH3–CO–CH2–COO–
HMG CoA
liasa Acetacetato (= β-ceto acetato)
1º cuerpo cetónico
CH3–COSCoA
Alberto Fonte Polo
131
Degradación de los cuerpos cetónicos
El hígado es el principal tejido donde se producen acetacetato y β–hidroxibutirato, que se
difunden desde la mitocondria hepática a la sangre, y son transportadas a los tejidos
periféricos.
El acetacetato y el β–hidroxibutirato son combustibles normales en el metabolismo
aeróbico y son cuantitativamente importantes como fuente de energía, dado que el músculo
cardiaco y la corteza renal usan el acetacetato con preferencia
a la glucosa y el cerebro se adapta en condiciones de ayuno,
diabetes o alcoholismo al uso de acetacetato como
combustible. En ayunos prolongados, el acetacetato puede
llegar a aportar el 75% del aporte de las necesidades
energéticas del cerebro.
El β–hidroxibutirato es oxidado dando lugar a acetacetato y
poder reductor en forma de NADH + H+ para su uso en la
fosforilación oxidativa.
El acetacetato es activado por la transferencia de CoA procedente del succinil CoA
mediante una β–cetoacil CoA transferasa específica (que no está presente en el hígado).
Este acetoacetil CoA se escinde entonces, por medio de una tiolasa, en dos moléculas de
acetil CoA que pueden entrar ahora en el ciclo del ácido cítrico.
El hígado puede suministrar a otros tejidos acetacetato puesto que carece de esta β–cetoacil
CoA transferasa específica.
β–cetoacil CoA
transferasa
succinato
CH3–CO–CH2–COSCoA
succinil
CoA
2 CH3–COSCoA
Tiolasa
Acetacetato (= β-ceto acetato)
SHCoA
CH3–CO–CH2–COO–
Acetoacetil CoA
C.A.T. Acetil CoA
2º cuerpo
cetónico
3º cuerpo
cetónico
Bioquímica 2º cuatrimestre
132
Regulación de la cetogénesis y β–oxidación
En el tejido adiposo, cuando hay ayuno prolongado, sucede la lipólisis y sus productos
(glicerol y ácidos grasos libres) van a la sangre.
Aunque el glicerol puede actuar como un sustrato gluconeogenético, ya que se puede
transformar en dihidroxiacetona fosfato (y de ahí formar glucosa), en este caso se va a
emplear para formar acetil CoA en lo que sería la segunda parte de la glucólisis. Esta acetil
CoA también puede provenir del citrato mitocondrial, que sale al citosol para dar
oxalacetato (por medio de la reacción inversa a la del ciclo de Krebs) y acetil CoA. Este
acetil CoA seguirá la lipogénesis, dando lugar a malonil CoA que inhibirá a la carnitina.
Por otro lado, los ácidos grasos libres van a activarse en el hígado formándose acil CoA
que, pueden dar lugar a triglicéridos (y por tanto, liberarlos en lipoproteínas del tipo
VLDL), o introducirse en la mitocondria por medio de la lanzadera de la carnitina. Esta
lanzadera puede generar acetil CoA, inhibiendo la β–oxidación y pudiendo ejercer, por lo
tanto, la formación de los cuerpos cetónicos.
Esta cetogénesis está favorecida hormonalmente por la insulina y desfavorecida por el
glucagón. Estos cuerpos cetónicos se liberarán al torrente sanguíneo.
El oxalacetato es un sustrato gluconeogenético y puede, en el hígado, formar glucosa que,
se liberará también en sangre.
Cuando hay una alta concentración de cuerpos cetónicos en la sangre, se disminuye el pH
(pudiendo provocar, si no está controlada, la acidosis o cetoacidosis). Sin embargo, el
tampón carbonato/bicarbonato restablece esta bajada de pH.
Alberto Fonte Polo
133
Si se consume mucha glucosa, ésta se degradará a dihidroxiacetona fosfato que, por medio
de la glucólisis y la descarboxilación oxidativa, va a dar lugar a acetil CoA; aunque también
puede dar lugar a glicerol. Si se une el glicerol con las moléculas de acetil CoA, se puede
obtener un triglicérido que irán al torrente sanguíneo por las VLDL al tejido adiposo.
Así pues, un exceso de NAD+ y/o de citrato inhibe la degradación de los ácidos grasos,
mientras que la acetil CoA y el ATP, al inhibir la citrato sintasa, van a permitir la formación
de los ácidos grasos libres.
Además, la lipólisis de los triglicéridos del tejido adiposo se inhibe por la acetil CoA y la
malonil CoA y se activa por los cuerpos cetónicos.
En el caso de los diabéticos lo que ocurre es que su organismo “imita” una situación de
ayuno, a pesar de haber glucosa en sangre. Por lo tanto, se sintetiza glucagón, y el hígado
libera glucosa a la sangre, este exceso de glucosa se elimina por la orina, con la
consiguiente pérdida de agua y minerales, lo que puede producir deshidratación. Los
cuerpos cetónicos producen una bajada del pH, por lo que se deberá activar el tampón
carbonato/bicarbonato. Además este exceso de glucosa puede acumularse en la retina
causando ceguera.
Bioquímica 2º cuatrimestre
134
TTeemmaa 3344 BBiioossíínntteessiiss ddee LLííppiiddooss
Lipogénesis
La lipogénesis o biosíntesis de ácidos grasos tiene lugar en el citosol y se produce a partir
de acetil CoA. Este acetil CoA procede de principalmente de la glucosa, también de los
ácidos grados, y de la degradación de las proteínas.
En una primera síntesis, el acil CoA que se va a obtener es un C16 sin insaturaciones, o lo
que es lo mismo, se obtendrá un palmitoil CoA (dado que es el ácido palmítico activado en
el interior celular).
A partir de éste, se sucederá la elongación y la desaturación de estos ácidos grasos.
Paso de acetil CoA al citosol:
Este paso se realiza principalmente por medio del citrato. El citrato proviene del ciclo de
Krebs y sale de la mitocondria para dar lugar a oxalacetato y acetil CoA (que irá a la
síntesis de ácidos grasos).
Aunque de esta manera se obtiene el acetil CoA, hay que indicar que el oxalacetato
producido se reducirá a malato por medio una reacción catalizada por la málico
deshidrogenasa y en la que se usa poder reductor en forma de NADH + H+ que se
encuentra en el citosol. Posteriormente, este malato va a oxidarse a piruvato (que entrará a
la mitocondria interviniendo en el ciclo de Krebs), de tal modo que se obtiene poder
reductor en forma de NADPH + H+, que irá a la lipogénesis.
Son las mismas reacciones que se dan dentro de la mitocondria pero sirven para generar
poder reductor en forma de NADPH + H+ degradando poder reductor en forma de NADH +
H+. En caso de que no se necesite NADPH + H
+ en el citosol, el malato entra en el ciclo de
Krebs y va a dar lugar a NADH + H+ en el susodicho.
Alberto Fonte Polo
135
El NADPH + H+ puede provenir, también, de la ruta de las pentosas fosfato, donde se
degrada la glucosa para formar otros glúcidos tales como la ribosa o la xilulosa. Además, el
acetil CoA proviene de la glucólisis seguida de descarboxilación oxidativa. Por ello, la
síntesis de ácidos grasos o lipogénesis está ligada también al metabolismo de carbohidratos.
Reacciones de la lipogénesis I:
El malonil CoA es una sustancia importante en la síntesis de ácidos grasos porque va a
inhibir la carnitina, logrando evitar que se realice la β–oxidación en la mitocondria.
Este malonil CoA se forma a partir de acetil CoA en una reacción de carboxilación
que requiere ATP y que está catalizada por la acetil CoA carboxilasa:
Malonil CoA
ATP CO2 ADP + Pi
CH3–COSCoA
Acetil CoA
Acetil CoA Carboxilasa
(biotina)
–OOC–CH2–COSCoA
enzima–biotina + ATP + CO2 enzima–biotina–COO– + ADP
Malonil CoA
Acetil CoA
Bioquímica 2º cuatrimestre
136
La enzima acetil CoA carboxilasa es la más importante de la lipogénesis. Está activada por
citrato, y está inhibida por el producto final de la síntesis de ácidos grasos, el acil CoA
(palmitoil CoA).
Además esta enzima está inhibida por fosforilación (indicativo de los niveles
energéticos).
Reacciones de la lipogénesis II:
Los siguientes pasos de la lipogénesis están catalizados por la ácido graso sintasa, un
complejo multienzimático formado por dos enzimas multifuncionales idénticas, cada una de
ellas con siete actividades enzimáticas y una proteína portadora de grupos acilos (ACP).
La ACP es una proteína de 77 aminoácidos que, en la posición 36, tiene serina unida a
ácido fosfopantoténico. Éste acaba en un grupo tiol (–SH), que actuará como si fuera la
coenzima A.
Por otro lado, la función β–cetoacil ACP sintasa tiene Cys, cuyo grupo tiol tendrá
importancia para el mecanismo de esta enzima.
ACP Agregado
multienzimático
Enzima
multifuncional actividades
enzimáticas
pKA
Acetil CoA Carboxilasa (ACTIVADA)
Acetil CoA Carboxilasa– P (INHIBIDA)
Alberto Fonte Polo
137
Este agregado multienzimático solamente es activa si están unidos los dímeros. Se
sintetizan dos ácidos grasos en cada ciclo, por lo que la mitad superior sintetizaría un ácido
graso y la mitad inferior el otro.
El conjunto de reacciones da comienza cuando se unen a la enzima el acetil CoA y el
malonil CoA a Cys y a la ACP respectivamente. Esto lo llevan a cabo las funciones
enzimáticas acetil CoA–ACP transacetilasa y malonil CoA–ACP transacetilasa
respectivamente.
Posteriormente, se van a unir el radical acetilo y el radical malonilo mediante una reacción
de descarboxilación (catalizada por la β–cetoacil–ACP sintasa) para dar lugar a un β–
cetoacil–ACP.
Este β–cetoacil–ACP se reduce, gastándose poder reductor en forma de NADPH + H+ (que
da lugar a NADP+), en una reacción biocatalizada por la β–cetoacil–ACP reductasa en la
que se va a obtener un β–hidroxiacil–ACP.
El β–hidroxiacil–ACP se va a deshidratar en una reacción catalizada por la β–hidroxiacil–
ACP deshidratasa para dar lugar al trans–Δ2–butenoil–ACP.
Este Δ2–enoil–ACP se vuelve a reducir, gastándose de nuevo poder reductor en forma de
NADPH + H+, para dar lugar al butiril–ACP. Esta reacción está catalizada por la enoil–
ACP reductasa.
Acto seguido, el enoil–ACP se va a translocar a la Cys y se va repetir el ciclo desde la
incorporación de malonil CoA al ACP hasta la translocación varias veces (de dos a siete
veces), formándose un ácido graso de 16 carbonos y saturado. Llegado a este punto, la
ácido graso sintasa no puede incorporar otros dos átomos de cárbono, haciendo que el
palmítico se libere mediante la actividad enzimática palmitoil deacilasa (tioesterasa) y,
después, este ácido palmítico se activa (se requiere ATP) con una coenzima A dando lugar
al palmitil CoA en una reacción catalizada por la tioquinasa.
Malonil ACP
CH3–COSACP + –OOC–CH2–COSACP
Acetil ACP
CO2
CH3–CO–CH2–COSACP
NADPH + H+
H2O
CH3–C–CH2–COSACP
OH
H
CH3–CH=CH–COSACP
CH3–CH2–CH2–COSACP
Butidil ACP
NADPH + H+
Bioquímica 2º cuatrimestre
138
Finalmente se liberan dos moléculas de palmitil CoA y en su síntesis no se usa ATP (dado a
la actividad sintasa de la enzima), pero si poder reductor en forma de NADPH + H+.
La degradación de ácidos grasos se produce en la mitocondria y se gasta NADH,
mientras que la síntesis de éstos se produce en el citosol y se gasta NADPH + H+.
Regulación de la lipogénesis
La lipogénesis se puede regular de dos maneras:
A corto plazo: se realiza a nivel de la acetil CoA carboxilasa y esto se debe a dos
posibilidades:
o Hormonal: la insulina (hormona que se libera en la ingesta) activa a esta
enzima, permitiendo la síntesis de malonil CoA; mientras que el glucagón
(hormona antagónica que se libera en ayuno) inhibe a esta enzima mediante
la fosforilación por PKA.
o Metabolitos: el citrato activa la malonil CoA, y esto se debe a que el
aumento en la concentración de citrato va a ir al citosol, donde se ve a usar
para la lipogénesis. Además, el producto final de la lipogénesis, el palmitoil
CoA (C16), va a inhibir también la acetil CoA carboxilasa, dado que ya se
ha formado el producto final de la síntesis.
A largo plazo: se realiza a nivel de la ácido graso sintasa y se debe a que la síntesis
de ácidos grasos está inducida por las dietas ricas en carbohidratos y/o dietas libres
de grasas, mientras que está inhibida por las dietas ricas en grasas.
Alberto Fonte Polo
139
Actividad de las elongasas y las desaturasas
Los nuevos ácidos grasos sintetizados sufrirán modificaciones, es decir, se harán más largos
e insaturados, debido a la acción de las enzimas elongasas y de las desaturasas,
respectivamente.
Desaturasas: son enzimas que añaden dobles enlaces a la cadena de ácidos grasos y
que siempre están en la membrana que da a la luz del retículo endoplasmático liso
(REL).
Elongasas: un ácido graso puede ser alargado para formar estearato (18:0) o incluso
ácidos grasos saturados más largos mediante adiciones sucesivas de grupos acetilo,
por acción de los sistemas de alargamiento de ácidos grasos presentes en el REL y
en las mitocondrias.
En el caso del REL, el crecimiento de las cadenas de ácidos grasos se debe a
la adición de malonil CoA para dar lugar a la estearil CoA. Aunque intervienen
sistemas enzimáticos distintos (no forman parte de un complejo) y la CoA es la
transporta de acilos, el mecanismo de alargamiento es el mismo que la síntesis de
palmitato (donación de carbonos por malonil CoA, reducción en la que se usa
NADPH + H+, deshidratación y reducción).
En el caso de las mitocondrias, se usa acetil CoA y el poder reductor que se
usa es, al principio, NADH + H+, y luego se usa NADPH + H
+.
La elongación de los ácidos grasos insaturados es más complicada que la de los ácidos
grasos saturados, solo en el cerebro hay ácidos grasos insaturados de 24 carbonos.
El linoleato y el α–linolenato hay que ingerirlos en la dieta, debido a que no podemos
sintetizarlos. Estos ácidos grasos son ω–3 y ω–6, son ácidos grasos beneficiosos para el
organismo, ya que son insaturados.
Bioquímica 2º cuatrimestre
140
Esterificación: biosíntesis de triacilglicéridos
En los tejidos animales, los triacilgliceroles y los glicerofosfolípidos comparten dos
precursores: el glicerol–3–fosfato y el acil graso–CoA y varios pasos biosintéticos.
La casi totalidad del glicerol–3–fosfato proviene de la dihidroxiacetona fosfato (DHAP)
generada durante la glucólisis por acción de la glicerol–3–fosfato deshidrogenasa citosólica
ligada al NAD+. Sin embargo, en el hígado y en el riñón, una pequeña parte de ese
glicerol–3–fosfato proviene del glicerol por acción de la glicerol quinasa.
Los acil grasos–CoA son formados a partir de ácidos grasos por las acil CoA sintetasas, que
son las mismas enzimas responsables de la activación de los ácidos grasos para la β–
oxidación.
Así, el primer paso para formar un triacilglicérido es la acilación de los dos grupos
hidroxilo libres del glicerol–3–fosfato por dos moléculas de acil graso–CoA para dar lugar
al diacilglicerol–3–fosfato o ácido fosfatídico.
Este ácido fosfatídico es minoritario en la célula, pero es un precursor muy importante en la
síntesis de triacilglicéridos y glicerofosfolípidos. En este caso, el ácido fosfatídico puede:
Acil
transferasa
Acil
transferasa
Glicerol 3P
DH
Glicerol
quinasa
Acido fosfatidico
DHAP
Glicerol
Glicerol 3P
Glucosa
Acil CoA
sintetasa
Acil CoA
sintetasa
Alberto Fonte Polo
141
Unirse al grupo de cabeza (serina, colina, etanolamina…) para dar lugar al
glicerofosfolípido.
Hidrolizarse para dar lugar a 1,2–diacilglicerol en una reacción catalizada por la
ácido fosfatídico fosfatasa y convertirse, rápidamente, en un triacilglicérido por
transesterificación con un tercer acil graso–CoA.
Bioquímica 2º cuatrimestre
142
TTeemmaa 3355 PPrrootteeíínnaass ddee llaa DDiieettaa
Digestión y absorción de las proteínas ingeridas Los aminoácidos pueden proceder de las proteínas ingeridas en la dieta, o de la degradación
de las propias proteínas del organismo. Estos aminoácidos servirán para la síntesis de
nuevas proteínas, o podrán ser degradados para obtener energía.
En herbívoros la utilización de proteínas es escasa, y en vegetales los aminoácidos
sólo se usan para formar proteínas, nunca para obtener energía.
Digestión de las proteínas
Las proteínas de la dieta se ingieren y comienzan a degradarse de manera mecánica en la
boca mediante la masticación. Sin embargo, a nivel bioquímico, las proteínas se
desnaturalizan en el estómago por el pH bajo, y en el duodeno se degradan los enlaces
peptídicos y se absorben los aminoácidos.
Alberto Fonte Polo
143
Cuando las proteínas llegan al estómago, se produce la activación de la mucosa gástrica.
Esta mucosa va a secretar la hormona gastrina que inducirá a las células parietales del
estómago la secreción de HCl, y a las células principales la secreción de pepsinógeno. El
ácido clorhídrico disminuye el pH, con lo que se consigue:
Desnaturalizar las proteínas.
Matar los microorganismos que se ingieren con el alimento mediante una función
antiséptica.
Este ácido clorhídrico no es capaz de hidrolizar los enlaces peptídicos, ya que en el
estómago la concentración de este ácido no es tan elevada como se necesitaría para una
hidrólisis ácida.
Las proteínas desnaturalizadas son más accesibles a las peptidasas. Tipos de peptidasas:
El pepsinógeno en medio ácido se activa dando lugar a la pepsina (pH óptimo 2). La
pepsina es una aminopeptidasa que libera aminoácidos aromáticos en el extremo
aminoterminal.
En el duodeno esta bajada de pH produce la secreción de las hormonas secretina y
colecistoquinina, que a través de la sangre llegarán a las células del páncreas.
La secretina aumenta la secreción de bicarbonato (
3HCO ) hacia el duodeno para
neutralizar el pH. Y la colecistoquinina aumenta la secreción de los zimógenos, que son
vesículas de peptidasas inactivas. Estas peptidasas inactivas son el tripsinógeno, el
quimotripsinógeno y la procarboxipeptidasa.
En el duodeno se secretan aminopeptidasas (que eliminan los aminoácidos del extremo
aminoterminal de las proteínas) y enteropeptidasas que activan la transformación del
tripsinógeno en tripsina. Además, esta tripsina va a transformar el quimotripsinógeno en
quimotripsina y la procarboxipeptidasa en carboxipeptidasa. Estas enzimas rompen los
péptidos, para obtener aminoácidos que serán captados por la mucosa duodenal.
Absorción de las proteínas
Posteriormente, los aminoácidos van a ser absorbidos por el enterocito en el duodeno.
Na+
Na+
3 Na+
K+ 2 K+
Aminoácido
Aminoácido
ATP
ADP
Aminoácido
Degradación Hígado
Carboxipeptidasas: actúan en el extremo C–terminal.
Aminopeptidasas: actúan en el extremo N–terminal.
Peptidasas
Endopeptidasas: rompen dentro de las moléculas.
Exopeptidasas
Bioquímica 2º cuatrimestre
144
El transporte de los aminoácidos se realiza en contra de gradiente, mediante un cotransporte
con el ión Na+. Éste ión Na
+ se expulsará de la célula mediante la acción de la bomba
Na+/K
+ para no acumularse en el interior del enterocito, haciendo que entre K
+. En este
proceso se consume ATP, se trata de un transporte activo.
Éste aminoácido puede degradarse en el interior del enterocito a CO2 y H2O, o
puede ir al hígado, a través del torrente sanguíneo.
Aspectos generales del metabolismo de los aminoácidos
Cuando se degrada un aminoácido, éste se divide en amoniaco y en su esqueleto carbonado.
El amoniaco, en los seres vivos, se encuentra en forma de ión amonio (NH4+), y
servirá o para la síntesis de compuestos nitrogenados tales como los aminoácidos y las
bases de los nucleósidos o se excretará al medio externo (bien en forma de urea, de ácido
úrico o de amonio como tal).
El esqueleto carbonado de un aminoácido, por el contrario, irá al ciclo de Krebs, y
se realizará la gluconeogénesis para dar lugar a glucosa.
Degradación de las proteínas
Las proteínas del organismo se degradan como control de la actividad de las enzimas.
Puede que sean defectuosas, o que estén dañadas, y debe producirse un proceso de
recambio proteico. Las proteínas celulares tienen una vida media característica, hay
proteínas que incluso pueden durar toda la vida del individuo (como en el caso de la retina).
Una proteína que se va a degradar se une a ubiquitina, que es una proteína muy conservada
en la naturaleza, está presente en todas las células de todos los organismos conocidos, desde
las levaduras hasta en el ser humano. Este proceso se conoce como ubiquitinación.
La ubiquitina en su extremo C–terminal tiene un grupo –CH2–COO–, con el que se une al
NH3+ de la Lys de la proteína a degradar.
Ubiquitina–CH2–CO–NH–Lys–proteína enlace peptídico
En la señal de ubiquitinación se necesitan 4 ubiquitinas unidas entre sí mediante un enlace
isopeptídico, y se forma una tetraubiquitina. Se unen por la Lys 48 del extremo C–terminal.
Proteína de la dieta Proteína
intracelular Aminoácido
4NH
Compuestos nitrogenados
(aminoácidos, bases de nucleósidos…)
Excreción
(Urea, ácido úrico, amonio)
Esqueleto carbonado
Ciclo de Krebs
Precursor gluconeogénico
degradación
Alberto Fonte Polo
145
En la formación del enlace isopeptídico participan 3 enzimas (además de ATP):
E1: activa la ubiquitina.
E2: conjuga la ubiquitina.
E3: liga la ubiquitina a la proteína.
Existen muchas familias con muchos tipos de enzimas E2 y E3, es decir, hay una gran
especificidad en la degradación de las proteínas.
Conjugación de la Ubiquitina
Una vez que la proteína ha sido ubiquitinizada se va a degradar en los proteasomas. El
proteasoma 26S está compuesto por:
Cap: Complejo regulador 19S: se une
específicamente a las cadenas de poliubiquitina.
Presenta actividad ATPasa e Isopeptidasa, que le
permite “recolocar” a la proteína para que entre en
el proteasoma.
Proteasoma: 20S: es el elemento que presenta la
actividad catalítica.
Cap: Complejo regulador 19S: se une
específicamente a las cadenas de poliubiquitina.
Presenta también actividad ATPasa e Isopeptidasa.
Existen diferencias entre los proteasomas de eucariotas y de arqueobacterias:
o Proteasoma eucariota: presenta 14 subunidades α y 14 subunidades β distinas.
o Proteasoma de arqueobacterias: presenta 14 subunidades α y 14 β idénticas. Pero
no se ha encontrado ubiquitina.
αα
ββ
ββ
αα
Bioquímica 2º cuatrimestre
146
TTeemmaa 3366 DDeeggrraaddaacciióónn ddee AAmmiinnooáácciiddooss
Reacciones generales del catabolismo de aminoácidos
El catabolismo de aminoácidos se ve en el hígado, donde un aminoácido, interaccionando
con el α–cetoglutarato en una reacción catalizada por la enzima aminotransferasa, se
transforma en el α–cetoácido pertinente y en glutamato (Glu) respectivamente. A este tipo
de reacciones se las conoce como transaminación y este aminoácido Glu va a liberar un ión
amonio (NH4+) por medio de una reacción redox en la que participa la enzima grutamato
deshidrogenasa. Así, se vuelve a obtener el α–cetoglutarato y se puede volver a repetir este
ciclo.
También, este Glu puede provenir de la glutamina (Gln), que por medio de la glutaminasa,
se transforma en Glu y se despide amonio de manera directa. La Gln ha sido captada del
suero sanguíneo, puesto que proviene de otros tejidos.
Por último, hay que decir que la alanina (Ala) es un aminoácido que procede del músculo (y
también de otros tejidos) que, por medio de la transaminación con α–cetoglutarato, da lugar
a piruvato y a Glu. Mientras la Glu se usa para desaminarse, el piruvato se puede usar como
sustrato gluconeogenético.
Alberto Fonte Polo
147
Así, las reacciones generales del catabolismo de aminoácidos son:
Transaminación: una reacción de transaminación es aquella en la que el grupo
amino de un aminoácido A se transfiere al α–cetoglutarato para dar lugar al α–
cetoácido derivado del aminoácido A y glutamato.
Ejemplos de esto serían:
Alanina + α–cetoglutarato piruvato + glutamato
Aspartato + α–cetoglutarato oxalacetato + glutamato
Las enzimas que catalizan estas reacciones son la alanina aminotransferasa (ALT)
y la aspartato aminotransferasa (AST). Antaño se denominaban glutamato piruvato
transaminasa (GPT) y glutamato oxalacetato transaminasa (GOT) respectivamente.
Si hay un fallo hepático, se aumenta el nivel de transaminasas en sangre. Basándose
en el índice GOT/GPT, se ha visto que:
Si GOT/GPT < 1,3 → El fallo es hepático
Si GOT/GPT > 1,3 → El fallo es cardiaco
Todas estas reacciones están catalizadas por aminotransferasas que, tienen como
grupo prostético, el piridoxal fosfato (PLP). Este piridoxal fosfato puede
interconvertirse en piridoxamina fosfato:
Este grupo prostético está unido covalentemente a
la enzima y esta interconversión se debe a la
captación del grupo amino proveniente del
aminoácido que se va a desaminar. Cuando la
piridoxamina fosfato interacciona con el α–
cetoglutarato, este amino se va al α–cetoglutarato
(dando glutamato) y la piridoxamina fosfato
retorna a piridoxal fosfato.
Hay que tener en cuenta que las transaminaciones
se hacen en todas las células del organismo.
ALT (=GPT)
AST (=GOT)
Bioquímica 2º cuatrimestre
148
Desaminación oxidativa: se produce tras la transaminación y consiste en la
desaminación del glutamato por medio de una reacción redox.
Las enzimas que suelen participar en el proceso de desaminación oxidativa
son la glutamato deshidrogenasa y las D y L aminoácido oxidasas.
La glutamato deshidrogenasa es una enzima que cataliza la reacción de oxidación y
de desaminación del glutamato a α–cetoglutarato. El cofactor que usa puede ser
NAD+ o NADP
+, que se va a transformar en poder reductor en forma de NADH +
H+ y de NADPH + H
+.
El ión amonio procede del aminoácido que se desaminó en la transaminación. La
enzima glutamato deshidrogenasa está regulada alostéricamente por la energía
celular, ya que es inhibida por el GTP (ATP), mientras que es activada por el ADP.
Esta desaminación sucede en la mitocondria y une el catabolismo de aminoácidos
con el ciclo de Krebs (debido a la formación de α–cetoglutarato y a que el GTP que
inhibe esta enzima permite el paso de α–cetoglutarato a oxalacetato).
Los D–aminoácidos (que no forman parte de las proteínas) se eliminan mediante D–
aminoácido oxidasas debido a que estos D–aminoácidos (que pueden ser tanto
endógenos como exógenos) pueden ser perjudiciales si se incorporan a las proteínas
de las células del organismo. Estas enzimas emplean como cofactor el FAD:
Se genera peróxido de hidrógeno que, por medio de las catalasas, se va a escindir
en agua y oxígeno.
Esto mismo también ocurre con los L–aminoácidos, aunque la degradación de los
L–aminoácidos por acción de las L–aminoácido oxidasas es una vía minoritaria.
Al proceso de transaminación y de desaminación oxidativa, se le denomina
transdesaminación.
Actividad de las enzimas glutaminasa / glutamina sintetasa: el papel de la
glutamina como transportador de grupos amino se ve en la actividad de dos
enzimas: la glutamina sintetasa y la glutaminasa.
α–cetoácido + NH4+
D–aminoácido FAD
O2
H2O2 H2O + ½ O2 catalasas
D–aminoácido oxidasas
FADH2
Alberto Fonte Polo
149
La síntesis de la glutamina se da en dos
pasos: una primera de activación, en la
que se gasta ATP y se obtiene γ–
glutamil fosfato; y una segunda
activación en la que se incorpora un
grupo amino que se sustituye por el
grupo fosfato. Con esto se obtiene la
glutamina.
Esta reacción de síntesis se realiza en
todos los tejidos y este aminoácido
neutro va a atravesar la membrana
plasmática para viajar por el torrente
sanguíneo hasta el hígado.
En el hígado, entrará a las mitocondrias,
donde la glutaminasa mitocondrial
hidrolizará la unión que se da en el
radical amida, formando glutamato en el
hígado.
Ciclo de la glucosa–alanina:
En el músculo, la glucosa se degrada a
piruvato mediante la glucólisis. Este
piruvato puede optar por formar lactato
por medio de la fermentación láctica o
transaminarse con el glutamato para dar
lugar a alanina.
La Ala saldrá del músculo e irá al
hígado por el torrente sanguíneo. En el
hepatocito, esta Ala, por medio de una
reacción de transaminación con el α–
cetoglutarato, va a dar lugar a piruvato y
a Glu respectivamente. Este piruvato se
va a usar en el hígado para la
gluconeogénesis y, esta glucosa saldrá
del hepatocito y viajará por el torrente
sanguíneo hasta el músculo, donde
comenzará de nuevo el ciclo.
Éste lactato también puede dar lugar a
glucosa en el hígado por medio del ciclo
de Cori.
Todo esto depende de la concentración
de glutamato que hay en el músculo.
Bioquímica 2º cuatrimestre
150
Descarboxilación oxidativa o α–descarboxilación: la descarboxilación oxidativa
es un proceso por el que el aminoácido, en lugar de perder el grupo amino, va a
perder su grupo carboxilo:
La amina que se origina es precursora de distintas biomoléculas tales como:
o Histamina: se da cuando se descarboxila la histidina en una reacción llevada
a cabo por la histidina descarboxilasa.
o Dopamina: se da cuando se descarboxila la tirosina.
Transporte del amoniaco al hígado para la síntesis de urea
R–CH2–NH3+
COO–
│
R
NH3+–CH–COO
–
Alberto Fonte Polo
151
Todos los órganos de los animales degradan los aminoácidos y producen amoniaco. El
amoniaco es transportado al hígado para su conversión en urea.
La mayoría de los tejidos usan la glutamina sintetasa para convertir el amoniaco en el
producto atóxico y eléctricamente neutro glutamina. La glutamina se transporta por la
sangre al hígado en donde se degrada hidrolíticamente por la glutaminasa para dar
glutamato.
El músculo, que obtiene la mayor parte de la energía por la glucólisis, usa una ruta
diferente, que es el ciclo de la glucosa–alanina. La glucólisis genera piruvato que
experimenta una transaminación con glutamato para dar alanina y α–cetoglutarato. El
glutamato ha obtenido su nitrógeno, a su vez, del amoniaco por medio de la glutamato
deshidrogenasa. La alanina resultante se transporta al hígado, donde pierde su nitrógeno
mediante la inversión de los procesos anteriores. Esta inversión produce amoniaco para la
síntesis de urea, así como piruvato. Este último sufre un proceso de gluconeogénesis para
dar glucosa, que se libera a sangre para transportarse de nuevo al músculo o para nutrir al
cerebro. Este proceso cíclico permite al músculo eliminar amoniaco y retornar el carbono
de piruvato para la gluconeogénesis.
Según el tipo de animal el amoniaco se eliminará de distintas maneras:
Amoniotélicos: si excretan amonio al medio externo. Son la mayoría de los
vertebrados acuáticos.
Ureotélicos: si excretan urea al medio externo. Esto se da en vertebrados terrestres
y en los elasmobranquios (tiburones).
Uricotélicos: si excretan ácido úrico al medio externo. Esto se ve en aves y reptiles.
Ciclo de la urea
En los organismos ureotélicos, el amoniaco depositado en las mitocondrias de los
hepatocitos se convierte en urea mediante el ciclo de la urea. La producción de urea tiene
lugar exclusivamente en el hígado y representa el destino de la mayor parte del amoníaco
allí canalizado. La urea pasa al torrente sanguíneo y de ahí a los riñones, que se excreta en
la orina.
Reacciones del ciclo de la urea
En la mitocondria, el ión amonio se carboxilará con CO2 para dar lugar al carbamil fosfato,
se gastan dos moléculas de ATP. Esto se da en tres pasos:
Bioquímica 2º cuatrimestre
152
Posteriormente, el carbamil fosfato se condensa con la ornitina (que es un aminoácido no
proteico) para formar citrulina, en una reacción llevada a cabo por la ornitina
transcarbamilasa.
Esta citrulina sale de la mitocondria al citosol y se condensa con aspartato en una reacción
en la que se gasta una molécula de ATP que va a dar lugar a AMP y pirofosfato, haciendo
que esta reacción sea irreversible. El resultado es que se va a formar argininosuccinato. Esta
reacción la lleva a cabo la arginilsuccinato sintetasa.
Este argininosuccinato se escinde en dos moléculas y da lugar a fumarato y a arginina en
una reacción catalizada por la arginilsuccinato liasa.
La arginina se escinde mediante la arginasa en urea y ornitina. Esta última va a entrar en la
mitocondria de nuevo y se va a repetir el ciclo.
Ahora bien, el fumarato que se ha obtenido entra también en la mitocondria,
transformándose en malato y, éste en oxalacetato. Esto quiere decir que va a ir al ciclo de
Krebs para generar poder reductor que va a la cadena de transporte electrónico
mitocondrial.
Sin embargo, el oxalacetato se va a transaminar con el glutamato parar dar aspartato y α–
cetoglutarato respectivamente. El aspartato saldrá de la mitocondria y puede participar en el
ciclo de la urea.
Además, el glutamato puede transformarse en α–cetoglutarato liberando el ión amonio que
entrará en el ciclo de la urea.
Alberto Fonte Polo
153
Conexiones entre el ciclo de la urea y el ciclo de Krebs
Dado que el fumarato producido en la reacción de la argininosuccinasa es también un
intermediario del ciclo del ácido cítrico, los ciclos están conectados entre sí en un proceso
conocido como “doble ciclo de Krebs” o desviación aspartato–argininosuccinato del ciclo
de Krebs. Aunque cada ciclo puede funcionar independientemente, la comunicación entre
ellos depende del transporte de intermediarios clave entre la mitocondria y el citosol. Varias
Bioquímica 2º cuatrimestre
154
enzimas del ciclo de Krebs (incluidas la fumarasa y la malato deshidrogenasa) se
encuentran también en el citosol como isozimas.
El fumarato generado en la síntesis citosólica de arginina puede convertirse en
malato en el citosol y esos intermediarios pueden seguir metabolizados en el citosol o ser
transportados a las mitocondria para su uso en el ciclo de Krebs. El aspartato formado en la
mitocondrias por transaminación entre el oxalacetato y glutamato puede ser transportado al
citosol, en donde actúa como dador de nitrógeno en la reacción del ciclo de la urea
catalizada por la argininosuccinato sintetasa.
Estas reacciones constituyen la desviación aspartato–argininosuccinato,
proporcionando vínculos metabólicos entre las rutas separadas por las que se transforman
los grupos amino y los esqueletos carbonados de los aminoácidos.
Regulación del ciclo de la urea
Este ciclo es muy importante y está finamente regulado debido a la alta toxicidad de la urea.
Hay dos tipos de regulación:
A largo plazo: se regula mediante el aumento de la expresión de las enzimas que
forman el ciclo, y esto se debe a:
o Ingesta rica en proteínas: los aminoácidos sobrantes se degradarán por que el
aumento de proteínas es una señal hepática para que aumente la
concentración de enzimas del ciclo de la urea.
o Ayunos prolongados: como es el caso de la inanición, anorexia, huelga de
hambre... El organismo va a degradar sus propias proteínas musculares,
aumentando la concentración de enzimas del ciclo de la urea para eliminar el
NH4+ que es tóxico.
A corto plazo: se da a nivel de la carbamoil fosfato sintetasa, debido a que es la
única enzima alostérica de este ciclo. Hay que recordar que la carbamil fosfato
sintetasa cataliza la reacción de formación de carbamil fosfato a partir de amonio y
bicarbonato:
Se ha visto que el principal activador de la carbamil fosfato sintetasa es el N–
acetilglutamato que se sintetiza a partir del acetil CoA y glutamato y que es
catalizada por la acetilglutaril sintasa, que está activada, a su vez, por la arginina.
Así, si hay necesidad de activar el ciclo de la urea, se han de dar tres requisitos:
1. Tiene que haber aminoácidos para su degradación, o lo que es lo mismo,
tiene que haber una alta concentración de glutamato.
2. Tiene que estar funcionando el ciclo de Krebs, dado que tiene que haber
acetil CoA en la mitocondria.
3. Tiene que haber intermediario del ciclo de la urea, es decir, tiene que haber
arginina.
El resto de las enzimas se activan si hay sustrato, porque no hay regulación por otras
moléculas.
Alberto Fonte Polo
155
Balance energético del ciclo de la urea y adaptaciones metabólicas
El objetivo del ciclo de la urea es sintetizarla para expulsarla al medio externo.
Por cada ciclo de la síntesis de urea, se rompen cuatro enlaces ricos en energía. Sin
embargo, se recuperan 2,5 ATP por el poder reductor, por lo que con el ciclo de la urea,
cada vuelta gasta 1,5 ATP.
Los aminoácidos gastan parte de su energía en la desaminación y esto no se puede permitir
en todos los organismos.
En el caso del ser humano, es posible porque la dieta contiene mucha proteína, pero
en el caso de los rumiantes y de otros animales que tienen una dieta pobre en proteínas, se
da una adaptación metabólica, no necesitan comer proteínas para obtener aminoácidos. En
este caso, se sintetiza urea, pero, cuando viaja al torrente sanguíneo, va al rumen
(compartimento del estómago multicamerado de los rumiantes), donde lo usan las bacterias
para hacer nitrógeno. Este nitrógeno será usado para la síntesis de aminoácidos que
necesitará el rumiante para sintetizar las proteínas.
Otra adaptación se da en aves y reptiles, que son animales uricotélicos, es decir,
eliminan el nitrógeno por ácido úrico, que son cristales que no necesitan agua y que se
eliminan junto a las heces. Esto se debe a que no tienen que almacenar mucha agua, para
poder volar, en el caso de las aves.
Toxicidad del nitrógeno: fallos en el ciclo de la urea
Si falla el ciclo de la urea, hay un aumento de la concentración de nitrógeno en la célula.
Existen muchas patologías relacionadas con la escasez de enzimas del ciclo de la urea o de
fallos en alguna de las enzimas.
Por ejemplo: la hiperamonemia es una patología genética que produce un aumento
de amonio en las células por escasez de enzimas del ciclo de la urea. Esta enfermedad se
manifiesta en vómitos, letargo y aumento de la presión craneal al poco de nacer, esto puede
producir coma, e incluso la muerte del individuo.
Destino metabólico de los esqueletos carbonados de los aminoácidos
Las rutas del catabolismo de aminoácidos normalmente representan del 10–15% de la
producción energética del cuerpo, por lo que estas rutas no son tan activas como la
glucólisis o la oxidación de ácidos grasos.
El flujo a través de estas rutas varía mucho, dependiendo del balance entre los
requerimientos para procesos biosintéticos y la disponibilidad de un aminoácido
determinado.
Las 20 rutas catabólicas convergen para formar solo 6 productos principales, que entran
todos en el ciclo de Krebs. A partir de aquí, los esqueletos carbonados se pueden desviar
para la gluconeogénesis, la cetogénesis o la degradación total a CO2 y agua.
Así, se pueden clasificar a los aminoácidos en:
Cetogénicos: si van a dar acetil CoA y/o acetoacetil CoA, que pueden ir a la síntesis
de cuerpos cetónicos o a la lipogénesis.
Glucogénicos: si van a dar intermediarios del ciclo de Krebs que pueden ser
sustratos gluconeogénicos (como el piruvato, el oxalacetato…).
Bioquímica 2º cuatrimestre
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Los aminoácidos cetogénicos pueden degradarse tambien totalmente, aunque pueden dar
lugar a la síntesis de glucosa. Esto se debe a que pueden dar acetil CoA que va al ciclo de
Krebs y forma sustratos gluconeogénicos. Sin embargo, esto va en función de las
necesidades energéticas de la célula.
Sin embargo, esta división no es absoluta, dado que hay cinco aminoácidos (triptófano,
isoleucina, treonina, tirosina y fenilalanina) que son tanto cetogénicos como glucogénicos,
pudiendo ir tanto a la cetogénesis como a la gluconeogénesis o a su degradación total.
Alberto Fonte Polo