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C A P Í T U L O 1 3
Metabolismo de los hidratos de carbono I:
Procesos anaerobios en la generación
de energía metabòlica
N u e s t r o e s t u d i o d e t a l l a d o d e l m e t a b o l i s m o s e i n i c i a c o n l a s f a s e s anaerobias del metabolismo de los hidratos de carbono (Figura 13.1). La mayor parte de este capítulo está dedicado a la glucólisis, que es la ruta inicial del ca
tabolismo de los hidratos de carbono. El término glucólisis procede de las pala
bras griegas que significan “dulce” y “romper”. Literalmente, la denominación es correcta, puesto que la glucólisis es la ruta por medio de la cual los azúcares de seis carbonos (que son dulces) se rompen, dando lugar a un compuesto de tres carbonos, el piruvato. Durante la glucólisis, parte de la energía potencial alma cenada en la estructura de hexosa se libera y se utiliza para la síntesis de ATP a partir de ADP. La glucólisis puede realizarse en condiciones anaerobias, sin oxidación neta de los azúcares sustrato. Los anaerobios, que son microorga nismos que viven en ambientes sin oxígeno, pueden obtener toda su energía me tabòlica por este proceso. No obstante, las células aerobias utilizan también la glucólisis. En estas células, la glucólisis es la parte anaerobia inicial de una ruta de degradación global que comporta un considerable consumo de oxígeno y la oxidación completa de los hidratos de carbono. La glucólisis es por varias razones un punto adecuado para iniciar el estudio detallado del metabolismo. En primer lugar, fue la primera ruta metabòlica que se entendió con detalle. En segundo lugar, se trata de una ruta casi univer sal en las células vivas. En tercer lugar, la regulación de la glucólisis se conoce es pecialmente bien. Por último, aunque no por ello menos importante, esta ruta desempeña un papel metabòlico central en la generación de energía y de inter mediarios metabólicos para otras rutas. Es uno de los caminos más ocupados del mapa de carreteras metabòlico, pero está conectado también con otros ca minos menos transitados. Aunque las células pueden metabolizar diversas hexosas en la glucólisis, la glucosa es el principal combustible hidrato de carbono para la mayor parte de las células. De hecho, algunos tejidos animales, como el cerebro, utilizan nor malmente glucosa como única fuente de energía, y toda la generación de ener gía de estas células se inicia con la glucólisis. Sin embargo, la mayor parte de las células pueden utilizar otros azúcares, y exploraremos cómo se convierten estos azúcares en intermediarios de la glucólisis. También analizaremos los procesos
502 CAPITULO 13^ METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO I: PROCESOS ANAEROBIOS...
HGURA 13.1_________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Procesos anaerobios en la generació n de energía m etab òlica. Las zonas púrpuras d e l mapa m etabòlico Indican la ruta g b e o litica y la degradación de los polisacáridos q u e aportan sustratos a esta ruta. La gkjcólisis genera ATP de form a anaerobia, y proporciona combustible para las lutas aerobias de generación de energía. Los núm eros 1, 2 y 3 identifican los tres niveles del metabolism o (véase el Capítulo 12).
504 CAPITULO 13^ METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO I: PROCESOS ANAEROBIOS...
tato, mediante la enzima lactato deshidrogenasa. Esta reacdón es la que se pro duce cuando se agria la leche.
Una fermentación es una ruta metabólica productora de energía sin un cambio neto del estado de oxidación de los productos en comparación con los sustratos.
La glucólisis anaerobia (como la glucólisis aerobia) da lugar a piruvato, pero luego el piruvato se reduce, de manera que no se produce una oxidación neta de la glucosa.
c o o I C = 0 + N A D H + H+ I C H , P iru va to
c o o I H O — C — H + NAD+ i C H a L-Lactato
A G 0' = - 2 5 ,1 kJ/m o l
La glucólisis forma parte, pues, de una fermentación, que se define como una ruta metabólica productora de energía que no comporta un cambio neto del es tado de oxidación. La fermentación del ácido láctico (conversión de glucosa en lactato) es importante en la elaboración del queso. Otra fermentación impor tante es la que comporta la ruptura del piruvato a acetaldehído y C 0 2 (véase la página 517), para que luego el acetaldehído se reduzca a etanol por la alcohol deshidrogenasa:
C H IC H O + N A D H + H ‘ C H 3C H 2O H + N A D +
Esta fermentación, realizada por las levaduras, genera el etanol de las bebi das alcohólicas. Las levaduras utilizadas en la elaboración del pan realizan tam bién la fermentación alcohólica; el C 0 2 producido por la descarboxilación del piruvato hace que el pan se eleve, y el etanol producido se evapora durante la cocción. Entre las docenas de fermentaciones útiles se encuentran las que dan lugar al ácido acético (elaboración del vinagre) y al ácido propiónico (elabora ción del queso suizo). Las células animales, como las bacterias del ácido láctico, pueden reducir el piruvato a lactato, y lo hacen cuando el piruvato se produce con una rapidez mayor que la que puede oxidarse mediante el ciclo del ácido cítrico. Durante el ejercicio extenuante, las células del músculo esquelético obtienen la mayor par te de su energía mediante esta glucólisis anaerobia, la glucólisis que se produ ce en condiciones anaerobias.
Consideremos, en cambio, lo que ocurre en una célula con una respiración
activa, esto es, la degradación oxidativa y la liberación de energía a partir de las moléculas de nutrientes mediante la reacción con el oxígeno. En estas células, el piruvato se oxida a acetil-CoA, que entra en el cido dd ácido cítrico. El NADH producido durante la glucólisis se oxida de nuevo mediante la cadena de trans porte electrónico mitocondrial para producir más energía (véase el Capítulo 15), y los electrones se transfieren finalmente al 0 2, que es el aceptor electrónico ter minal. La conversión de la glucosa en piruvato en una célula que respira se de nomina glucólisis aerobia.
E X P E R IM E N T O S IN IC IA L E S C R U C IA L E S
Desde que el ser humano utiliza las levaduras para elaborar el pan y la cerveza, se ha aprovechado la glucólisis, a pesar de que no se ha entendido hasta el siglo
pasdo. (La definidón inicial de fermentación fue “un cambio químico con efer
vescencia”.) La demostradón efectuada por Louis Pasteur en 1856 de que las fer
mentaciones las realizaban microorganismos constituye un hito en la historia de
la denda. La opinión predominante en la época era que un proceso como el de la fermentación de la glucosa para dar etanol era tan complejo que no podía re producirse fuera de una célula viva. Sin embargo, como vimos en d Capítulo 1, Eduard y Hans Büchner demostraron en 1897 que la fermentadón podía pro ducirse en condiciones acelulares.
GLUCÓLISIS: PERSPECTIVA 505
En 1905, Arthur Harden y William Young observaron que cuando se añade fosfato inorgánico a un extracto de levaduras se estimula y se prolonga la fer mentación de la glucosa. Durante la fermentación, el fosfato inorgánico desa parecía del medio de reacción, lo que llevó a Harden y Young a sugerir que la fermentación se producía mediante la formación de uno o más ésteres azúcar fosfato. Esta observación abrió la puerta a la disección de las reacciones químicas in dividuales que participan en la fermentación, un logro realizado en Alemania en los años 1930, en gran parte por G. Embden, O. Meyerhof y O. Warburg. Por este motivo, a veces a la glucólisis se la denomina ruta de Embden-Meyerhof. Estos científicos identificaron 10 reacciones diferentes, prácticamente idénticas en una amplia gama de organismos, que llevan la glucosa a piruvato. La glucó lisis es la primera ruta metabòlica que se elucidó como una serie de reacciones químicas definidas. En la actualidad existe una amplia información sobre la estructura y el mecanismo de acción de cada una de las enzimas que intervie nen en ella.
E S T R A T E G IA D E LA G L U C Ó L IS IS
La glucólisis es una ruta tan importante que examinaremos cada una de sus 10 reacciones con más detalle. Antes de hacerlo, echemos un vistazo a la ruta en conjunto. En primer lugar, recordemos del Capítulo 12 que en las células euca- riotas la glucólisis se produce en el citosol, y que en las mitocondrias tiene lu gar la ulterior oxidación del piruvato. (Determinados tripanosomas, que son los protozoos parásitos que causan la enfermedad del sueño africana, constituyen una excepción interesante. Estos organismos llevan a cabo las siete primeras reacciones de la glucólisis en un orgánulo citoplasmàtico organizado, denomi nado gjucosoma.) En la Figura 133 se presenta de manera abreviada la conversión de la glucosa en piruvato. En la fase de inversión de energía (las cinco primeras reacciones), el azúcar se activa metabòlicamente por fosforilación. Este proceso da lugar a un azúcar fosforilado de seis carbonos, la fructosa-1,6-bisfosfato, que se fragmen ta para dar 2 moles de triosa fosfato: gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato. En la fase de generación de energía (reacciones 6 a 10), las triosas fosfato se activan más para dar dos compuestos que contienen enlaces fosfato de energía elevada, primero el 1,3-bisfosfoglicerato y luego el fosfoenolpiruvato. Recordemos de la Figura 3.7 (página 85) que cada uno de estos compuestos tie ne un AG“' de hidrólisis superior al del ATP y se les puede considerar com puestos de energía super-elevada. Durante la fase de generación de energía, cada uno de estos compuestos transfiere su fosfato de energía elevada al ADP, dando ATP. Este proceso se denomina fosforilación a nivel de sustrato, es decir, la transferencia de un grupo fosforilo desde un compuesto de energía super-ele vada al ADP para dar ATP. La fosforilación a nivel de sustrato es distinta de la fosforilación oxidativa que es la síntesis de ATP impulsada por el transporte electrónico (véase el Capítulo 15), y de la fotofosforilación que es la utilización de la energía luminosa de la fotosíntesis para impulsar la síntesis de ATP (véa se el Capítulo 17). Dado que se metabolizan 2 moles de triosa fosfato por mol de glucosa, el rendimiento de las dos fosforilaciones a nivel de sustrato de la glucólisis es de 4 moles de ATP por mol de glucosa. Restando de ello los 2 moles de ATP inverti dos en la primera fase (reacciones 1-5), obtenemos una ganancia neta de dos moléculas de ATP sintetizadas por molécula de glucosa convertida en piruvato (véase la Figura 13.2).
El ATP se sintetiza mediante tres rutas principales: fosforilación a nivel de sustrato, fosforilación oxidativa y fotofosforilación.
REACCIONES DE LA GLUCÓLISIS 507
Reacciones de la glucólisis
Consideremos ahora de manera secuencial las 10 reacciones que van de la glu cosa al piruvato, numerando cada reacción tal como se indica en la Figura 13-3. Se indican los nombres completos de los sustratos y los productos al presentar cada reacción, pero en el texto estos nombres se abrevian en aras de una mayor simplicidad. Así, la glucosa-6 -fo sfato es lo mismo que la a -D -g lu co sa -6 -fo sfa to.
R E A C C IO N E S 1-5: FA S E D E IN V E R S IÓ N D E E N E R G ÍA
Las cinco primeras reacciones, que constituyen la fase de inversión de energía, se resumen en el margen.
Reacción 1: primera inversión de ATP Empezamos con la fosforilación de la glucosa dependiente del ATP, catalizada por la hexoquinasa.
c h 2 o h
HO / OH OH a-D -G lucou
- ADP + H+ A G °'= -16,7 kJ/mol
a-o-Glucosa-6-fostato
Se requiere ion magnesio, ya que la forma reactiva del ATP es su complejo que- lado con Mg2^ (véase la página 476), lo que sucede con casi todas las enzimas que requieren ATP. La hexoquinasa se encuentra en diversas formas en los dis tintos organismos, pero generalmente se caracteriza por una amplia especifici
dad para los azúcares y un valor bajo de KM para el azúcar sustrato (0.01 a 0.
mM). La baja especificidad permite la fosforilación de varios azúcares hexosas, entre ellos la fructosa y la manosa, lo cual hace posible su utilización en la glu cólisis. Como se ha indicado en el Capítulo 11, la hexoquinasa se inhibe por su producto, la glucosa-6-fosfato, un mecanismo que controla la entrada de sus tratos en la ruta glucolítica. Recuérdese también que la estructura de la hexo quinasa proporciona una evidencia clara en favor del modelo de ajuste induci do de la catálisis enzimàtica (véase la página 413). Dado que las concentraciones intracelulares de glucosa suelen ser muy supe
riores al valor de KM para la hexoquinasa, la enzima suele actuar in vivo a con
centraciones saturantes de sustrato. El hígado de los vertebrados contiene una for
ma diferenciada de hexoquinasa, que se caracteriza por un valor muy alto de KM
para la glucosa (aproximadamente 10 m M ), una dependencia de la concentración de glucosa de tipo sigmoideo y una baja sensibilidad a la inhibición por parte de la glucosa-6-fosfato. Esta hexoquinasa especial permite al hígado ajustar su veloci dad de utilización de glucosa en respuesta a las variaciones de las concentracio nes de glucosa en sangre. De hecho, como se comentará en los Capítulos 16 y 23, una de las funciones principales del hígado consiste en regular las concentracio nes sanguíneas de glucosa, y esta enzima constituye uno de los principales meca nismos mediante los que se hace. Esta forma de hexoquinasa se denomina glu- coquinasa, aunque su especificidad de sustrato es idéntica a la de la hexoquinasa.
Reacción 2: isomerización de la glucosa-6-fosfato La siguiente reacción, catalizada por la fosfoglucoisomerasa, es la isomerización fácilmente reversible de la aldosa, la glucosa-6-fosfato (G6P), a la correspon diente cetosa, la fructosa-6-fosfato (F6P).
O Fosforilación Hexoquinasa
0 Isomerización
Fosfogl ucciso merasa
0 Fosforilación Fosfofructoqunasa
O Ruptura A kdolas a
© Isomerización Tros a fosfato isómeras a
Una especie de hexoquinasa con una
Km alta en el hígado permite a ese
órgano ajustar la utilización de glucosa al aporte de glucosa con concentraciones sanguíneas de glucosa elevadas.
508 CAPITULO 13^ METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO I: PROCESOS ANAEROBIOS...
OH a-o-G Iucosa-6-fosfato o-Fructosa-6-fosfato
AG °' = +1,7 kJ/mol
Esta reacción se produce a través de un intermediario enediol. B y B-H repre sentan residuos de aminoácidos del lugar activo.
G6P
+B I H
F6P
La reacción de la fosfofructoquinasa es el paso primario en el que se regula la glucólisis.
El efecto de transferir el oxígeno del carbonilo desde el carbono 1 al carbono 2 es que el grupo hidroxilo generado en el carbono 1 puede fosforilarse con faci lidad en la reacción siguiente. Encontraremos otras isomerizaciones aldosa-ce- tosa que se producen por un mecanismo similar.
Reacción 3: segunda inversión de ATP En la reacción 3, la fosfofructoquinasa de ATP, lleva a cabo una segunda fosfo rilación dependiente de ATP, para producir un derivado de hexosa fosforilado en los carbonos 1 y 6. El producto de la reacción, la fructosa-1, 6 -bisfosfato (FBP), se denominaba anteriormente fructosa-1, 6 -difosfato. La modificación del nombre se hizo para indicar que los dos fosfatos están separados, y no unidos como en el ADP.
______ OH
OH a o-Fructosa-6-fosfato
ATP ( + ADP + H+ A (3o' = -14,2 kJ/mol
»Fructosa-1,6-bisfosfato
Al igual que la fosforilación de la glucosa, esta reacción es lo suficiente mente exergónica como para ser prácticamente irreversible in vivo. La irrever- sibilidad es importante, ya que la fosfofructoquinasa (PFK) constituye el lugar principal de regulación del flujo de carbono a través de la glucólisis. La PFK es una enzima alostérica cuya actividad es muy sensible a la situación energética de la célula, así como a las concentraciones de otros intermediarios, en especial el dtrato y los ácidos grasos. Las interacciones con efectores alostéricos, que se consideran más adelante en este capítulo, activan la PFK. Esta activación au menta el flujo de carbono a través de la glucólisis cuando existe una necesidad
510 CAPITULO 13^ METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO I: PROCESOS ANAEROBIOS...
V
3 P < £ > (^) h 2 o C — O HO — C — H 3I H — C — OH ‘ l H—5C — OH
r
6 c h 2 o< 3 > Fructosa-1, 6 - bisfostato
HO
H— C — OH
CH 2 0<3> c h 2 o<^>
H— C — OH B- | V ^ 'V — y H — C —OH c h^1 2 o<£>/ v Base de Schifi
Gliceraldehldo- 3-fosfato
c h 2 o< 3 > c*-Ki
c h 2 o <L a r ' ■ I HO — C — H H b-
H 2 ° 'CH 2 -0 < g > V I
FIGURA 13. Mecanismo de reacción de la fructosa 1,6-b iífosfato aldolasa. En ia figura se muestra la base de Sch'iff interm ediaria entre el sustrato y la lisína del lugar activo. B, un residuo de cisteína de la enzim a, acepta un protón del hidroxilo de C-4 y lo devuelve a un residuo de histidina tras la ruptura entre C-3 y C-4.
O Oxidación y fosforilación GfceraldeHdo-3 * fosfato des hidro genas a
O Fosforilación a nivel de sustrato Fosfogioerato q unas a 2
2N A D + + 2 P ¡
2 NADH + 2 H+
2 ADR
O Isomerlzaclón Fosfogioerato
mutasa 2
© Deshidratación Encáasa
d») Fosforilación a nivel de sustrato Rruvato quinas a
Piruvato I
2A D P
c h 2 o h
Dihidroxiacetona fosfato
Aidolasa
el sustrato de la reacción glucolítica siguiente, esta reacción permite utilizar los seis átomos de carbono de la glucosa.
CH„OH I c = o
CH 2 0<3> Dihidroxiacetona fosfato
0 !l C - H 1 H—C —OH c h 2 o<£> d-GIiceral deh ído-3-fostato
AG0' = +7.6 kJ/mol
Esta reacción es también débilmente endergónica en condiciones estándar, pero la concentración intracelular de gliceraldehído-3-fosfato es baja, lo cual hace que la reacción se desplace hacia la derecha. Como se ha descrito en el Capítulo 11 (página 477), la isomerización de la dihidroxiacetona fosfato se produce a tra vés de un intermediario enediol. En este punto, la glucólisis ha gastado dos moléculas de ATP y ha converti do una hexosa en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato, cada una de las cuales se metabolizará a continuación para producir compuestos de energía elevada que puedan impulsar la síntesis de ATP. La fase de inversión de energía del ciclo se ha completado ya, y va a iniciarse la fase de generación de energía.
R E A C C IO N E S 6-10: FASE D E G E N E R A C IÓ N D E E N E R G ÍA
Las cinco reacciones de la fase de generación de energía se resumen en la figu ra del margen.
Reacción 6 : generación del primer compuesto de energía elevada Desde el punto de vista de su mecanismo, esta reacción, catalizada por la glice- raldehído-3-fosfato deshidrogenasa, es una de las más importantes de la glu cólisis, debido en parte a que genera el primer intermediario de energía eleva da, y en parte porque genera un par de equivalentes reductores (véase la Figura 13.5). La reacción global es la siguiente:
REACCIONES DE LA GUJCÓLISIS 511
C— H H— C — OH c h 2- o
o-GHcerakJehido-3-fosfato
O
- NADH + H+ AG 0' = + 6.3 kJ/mol
La reacción 6 comporta una oxidación de dos electrones del carbono carboni- lo del gliceraldehído-3-fosfato al nivel de carboxilo, una reacción que normal mente es bastante exergónica. Sin embargo, la reacción global es ligeramente en- dergónica (en condiciones estándar), ya que la enzima utiliza la mayor parte de la energía liberada para impulsar la síntesis de un compuesto de energía super- elevada, el 1,3-bisfosfoglicerato (BPG). Este compuesto contiene un anhídrido de ácido carboxílico-fosfórico, o grupo acil-fosfato, en la posición 1 , un grupo funcional con una energía libre estándar de hidrólisis muy alta, de -49.4 kj/mol. Esta enzima requiere también una coenzima, el NAD+, para aceptar los elec trones del sustrato que se está oxidando. Dado que el grupo adl-fosfato posee mucha más energía que el anhídrido fosfato del ATP, el 1,3-bisfosfoglicerato puede impulsar la síntesis de ATP a partir de ADP. De hecho, lo hace en la siguiente reacdón de la secuencia, que es la primera de las dos fosforiladones a nivel de sustrato de la glucólisis. Dada la importanda de comprender la forma en que se sintetiza d ATP, se ha dedicado gran atención al estudio de la forma en que se sintetizan los compuestos de energía super-devada en la fosforiladón a nivel de sustrato. En el caso de la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, ese conodmiento procede en gran parte de la antigua observación de que la glucólisis se inhibe por el yodoacetato y por metales pesados como el mercurio. Ambos compues tos reaccionan con los grupos sulfhidrilo libres, como se muestra a continuación para el yodoacetato: RSH + ICH2C 0 0 - ---- ► R S — CH2C 0 0 - + Hl La observación de que estos compuestos inhiben la glucólisis de manera espe- dfica mediante la inhibición de la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa im plicaba, claramente, que la enzima contiene uno o varios grupos tioles esenda- les. Actualmente sabemos que la reacción se produce tal como se indica en la Figura 13.5, empezando con la formación de un grupo tiohemiacetal en d que
La gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa crea un compuesto de energía elevada y genera un par de equivalentes reductores.
FIGURA 13.S Ruta de reacció n de la giiceraidehfdo-3- fosfato deshidrogenasa. Paso 1: Forma ción del interm ediario tiohem iacetal inicial entre el gliceraldehido-3-fosfato y la enzim a. Paso 2 : O xidación del interm ediario inicial por el NAD* para dar lugar a un producto interm ediario acil-enzim a. Paso 3: Ruptura fosforolftica del enlace tioéster en el interm ediario acil-enzim a.
“O — P — OH
c h 2 o <3> H C — OH I H — 0 = 0 Gileeraldehido- 3-fosfato
CH20<3> n a d + N A D H + H + I H — C — OH I H — C — OH
©
c h 2 o H — C — OH
Tiohemiacetal Tioéster (^) 1.3-Blsfosfo- gllcerato
GfccerafcJettdo-3-fosfatc> deshidrogenasa
REACCIONES DE LA GLUCÓLISIS 513
Reacción 9: síntesis del segundo compuesto de energía elevada La reacción 9, catalizada por la enolasa, genera otro compuesto de energía su- per-elevada, el fosfoenolpiruvato (PEP), que participa en la segunda fosforila ción a nivel de sustrato de la glucólisis.
coo- H—c — o<3> c h 2 o h 2-Fosfoglicerato
coo- ^ + C — O ^ v^ P) + H20 AG °' = +1.7 kJ/mol !! X c h £ Fosfoenolpiruvato
La reacción consiste en una deshidratación simple, o una eliminación a,/J, y el cambio de energía libre global es pequeño. Sin embargo, su efecto consiste en aumentar enormemente la energía libre de hidrólisis del enlace fosfato, que pasa de -15.6 kj/m ol para el 2-fosfoglicerato a -61.9 kj/m ol para el fosfoenol piruvato. El carbono 2 del fosfoenolpiruvato está “bloqueado” en la configura ción enol desfavorecida y, como se comentó en el Capítulo 3, la gran inestabi lidad termodinámica del enolpiruvato es la responsable principal de la gran energía Ubre negativa de la hidrólisis del fosfoenolpiruvato.
Reacción 10: segunda fosforilación a nivel de sustrato En la última reacción, catalizada por la piruvato quinasa, el fosfoenolpiruvato transfiere su grupo fosforilo al ADP en otra fosforilación a nivel de sustrato. Obsérvese que la denominación que se da a la enzima corresponde a la que ten dría si la reacción que se muestra a continuación, fuera hacia la izquierda, a pe sar de que es fuertemente exergónica hacia la derecha. Muchas enzimas se de nominaron antes de que se identificara la función o la dirección de la catálisis intracelular.
La piruvato quinasa cataliza la segunda reacción glucolítica que forma ATP.
coo- C — 0 ~ < £> II X CH£ Fosfoenolpiruvato
Mgs+ tf4-
coo-
J
c = o ! c h 3 Piruvato
A TP, A(3o' = -31.4 kJ/mol
La enzima requiere Mg2* y K+. A pesar de que la reacción implica la síntesis en- dergónica de ATP, la reacción global es fuertemente exergónica, ya que, como se indicó en el Capítulo 3, la tautomerización espontánea del producto, el enolpi ruvato, hacia la forma ceto muy favorecida proporciona un fuerte impulso ter modinàmico hacia delante. La reacción de la piruvato quinasa es otro lugar de regulación metabòlica En el hígado de los vertebrados, la enzima, un tetràmero de un Mr (peso molecu lar) de aproximadamente 250 000, se inhibe alostéricamente a concentraciones de ATP elevadas y se activa por la fructosa-1, 6 -bisfosfato. La síntesis de la enzi ma hepática está controlada por la alimentación, de forma que la actividad in tracelular puede aumentar hasta 10 veces por el aumento o la inducción de la síntesis de la enzima, como consecuencia del consumo elevado de hidratos de carbono. Sea cual sea el mecanismo de regulación genética que participa, esta in ducción puede contribuir a la eficacia de la “carga de hidratos de carbono”, es decir, la práctica de ingerir una gran cantidad de hidratos de carbono antes de una competición deportiva que requiera una gran resistencia, como una carre ra de maratón. El aumento de la piruvato quinasa incrementa la velocidad de generación de energía mediante la glucólisis.
coo-
O— p—O— P—O i t O- O- ÍAdenosinal
V (^) ATP
COO I c = o H - C — H
CAPITULO 13 METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO 1: PROCESOS ANAEROBIOS...
| La actividad de la piruvato quinasa en el hígado se regula también por la fos- Los hidratos de carbono de la forilación y desfosforilación de la proteina enzimàtica. La forma desfosforilada alimentación inducen la formación de 65 mucho más activa <>ue b forma fosforilada. La fosforilación, que está con- piruvato quinasa y aumentan la? olada P or Us hormonas, deriva el fosfoenolpiruvato hacia la gluconeogénesis capacidad delorganismo paraobtener <vease el CaPítldo 16> 01130(10 k ^ d a c ió n de los ácidos grasos y el ciclo del áa- energía a partir de la glucólisis. do d t" co estín actuando ya en un grado suficiente que satisface Us necesidades 3 energéticas de la célula. En cambio, prácticamente todo el fosfoenolpiruvato producido en el músculo se convierte en piruvato. Se han estudiado las deficiencias genéticas humanas de la piruvato quinasa eritrocitaria. La acumulación de fosfoenolpiruvato da lugar a una concentración excesiva de otros intermediarios de la glucólisis en la sangre. Tiene gran im portancia clínica la acumulación de 2 3 -bisfosfoglicerato, que se presentó en el Capítulo 7 como inhibidor alostérico de la unión del oxígeno a la hemoglobi na. Esta acumulación da lugar a un deterioro de la captación de oxígeno en los pulmones y del transporte del mismo, a través del torrente sanguíneo hasta los tejidos. La reacción de la piruvato quinasa convierte toda la ruta glucolítica de un proceso neutro en cuanto a la energía en un proceso que comporta la síntesis neta de ATP. Se generan aquí dos fosfatos de energía elevada por m ol de hexo- sa, que se suman a los dos generados por la fosfoglicerato quinasa. Restando los dos ATP invertidos en la hexoquinasa y la fosfofructoquinasa, se obtiene un ren dimiento neto de dos fosfatos de energía elevada por m ol de glucosa, lo cual no es, ciertamente, un rendimiento muy elevado, pero el proceso es capaz de sa tisfacer las necesidades energéticas de muchos anaerobios. Además, el metabo lismo posterior del piruvato a través de las rutas aerobias genera mayor canti dad de fosfato de energía elevada. La Tabla 13.1 resume las reacciones de la glucólisis, en las que se presentan los cambios de energía libre y el rendimiento de ATP de cada paso.
Destinos metabólicos del piruvato
El piruvato constituye un punto central de ramificación metabòlica. Su destino depende de manera crucial del estado de oxidación de la célula, que está rela cionado con la reacción catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato deshidroge- nasa (reacción 6 ). Recuérdese que esta reacción convierte 1 mol de NAD+ en NADH por mol de triosa fosfato. *Este NADH debe reoxidarse a N AD ** para que continúe la glucóÜsis. Durante la glucólisis aerobia, como se ha indicado antes, este NADH se oxida por la cadena de transporte electrónico mitocondrial y los electrones se transfieren finalmente al oxígeno. Esta oxidación del NADH, que consideraremos con detalle en el Capítulo 15, proporciona más energía con la síntesis de unos 3 moles de ATP a partir de ADP por m ol de NADH oxidado. Dado que se producen 2 moles de NADH por mol de glucosa que entra en la ruta, la glucólisis aerobia proporciona una cantidad de ATP considerablemen te superior a la de la glucólisis anaerobia. Además, la oxidación del piruvato a través del ciclo del ácido cítrico genera mucha más energía.
M E T A B O LIS M O D E L LA C T A T O
En las células aerobias que están realizando unas tasas de glucóÜsis muy eleva das, el NADH generado en la glucólisis no puede reoxidarse a tasas comparables en las mitocondrias. En estos casos o en las células anaerobias, el NADH debe utilizarse para impulsar la reducción de un sustrato orgánico para mantener la homeostasia. Como se ha indicado antes, ese sustrato es el propio piruvato,
516 CAPITULO 13^ METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO I: PROCESOS ANAEROBIOS...
El piruvato debe reducirse a lactato cuando los tejidos presentan unas condiciones aerobias insuficientes para oxidar todo el NADH formado en la glucólisis.
tanto en las células eucariotas como en las bacterias del ácido láctico, y el pro ducto es el lactato. La enzima que cataliza esta reacción es la lactato deshidro- genasa (véase la página 503). El equilibrio de esta reacción está muy desplaza do hacia la derecha. En la Figura 13.6, en la que se muestra el perfil energético de la glucólisis anaerobia, se observa que el NADH producido en la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato se utiliza para reducir el piruvato a lactato. Así pues, durante la glucólisis anaerobia o la fermentación del ácido láctico, se mantiene un equilibrio electrónico global. En los vertebrados, algunos tejidos, como los eritrocitos, obtienen la mayor parte de su energía del metabolismo anaerobio. El músculo esquelético que obtiene la mayor parte de su energía de la respiración cuando está en reposo, re curre de manera muy intensa a la glucólisis durante el ejercicio, momento en que las reservas de glucógeno se degradan o se movilizan rápidamente para proporcionar sustratos para la glucólisis. Normalmente, el lactato producido di funde desde el tejido y se transporta, en el torrente sanguíneo, a los tejidos muy aerobios, como el hígado y el corazón. El tejido aerobio es capaz de conti nuar catabolizando el lactato, mediante la respiración, o puede volver a con vertido en glucosa, mediante la gluconeogénesis. Sin embargo, si se produce lac tato en grandes cantidades, no puede consumirse con facilidad. En estos casos, como se comentó en el Capítulo 7, el pH de la sangre disminuye e interviene el efecto Bohr para aumentar el aporte de oxígeno a los tejidos. Hasta hace poco se pensaba que la acumulación de lactato en el músculo es quelético era en gran parte una consecuencia del metabolismo anaerobio, que tiene lugar cuando la necesidad de los tejidos de generar energía, supera a su ca pacidad de oxidar el piruvato producido en la glucólisis. Los estudios metabò lico« recientes, entre ellos los análisis de RM N con 31P de las concentraciones de
Glucosa (5000)
FIGURA 13. P erfil energético y electrónico de la glucólisis anaero bia. En el gráfico se indica el AC' para cada reacción, calculado a partir de los valores de AC*" y de la concentración calculada de cada intermediario en el eritrocito humano. (Las cifras entre paréntesis corresponden a las concentraciones micromolares aproximadas.) Obsérvense los siguientes puntos: (1) dos de los cuatro ATP generados se utilizan para compensar la inversión inicial de ATP; (2) los equivalentes reductores generados por la gliceraldehído-3- fosfato deshid rogé nasa deben utilizarse para reducir un sustrato orgánico en anaerobiosis; (3) las enzimas que están sujetas al control alostérico son las que catalizan las reacciones tan exergónicas que son prácticamente irreversibles (flechas); y (4) como una reacción debe tener un AC' negativo para proceder totalmente, la imprecisión de la medida de las concentraciones de los metabolitos es probablemente responsable del registro de valores positivos de AC' en algunas reacciones.
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DESTINOS METABÚUCOS DEL PIRUVATO 517
intermediarios fosforilados en las células musculares vivas durante el ejercicio, sugieren que el lactato es realmente un producto intermediario y no una “vía muerta” metabólica, cuyo único destino es la reconversión en piruvato. Estos es tudios indican que, incluso en el tejido muscular completamente oxigenado, hasta un 50% de la glucosa metabolizada se convierte en lactato, lo cual puede constituir una forma de coordinar las rutas de almacenamiento y de generación de energía en distintos tejidos, pero no se han aclarado aún los mecanismos que intervienen en ello.
IS O E N Z IM A S D E L A C T A T O D E S H ID R O C E N A S A La lactato deshidrogenasa, como muchas enzimas, se encuentra en los tejidos animales en múltiples formas moleculares. Las distintas formas moleculares de una enzima que catalizan la misma reacción se denominan isoenzimas o iso- zimas. La lactato deshidrogenasa fue la primera enzima en la que se estableció la base estructural de la existencia de isoenzimas. La mayor parte de los tejidos contienen cinco isoenzimas de lactato deshidrogenasa, que pueden separarse electroforéticamente, como se muestra en la Figura 13.7. La lactato deshidrogenasa (LDH) es una proteína tetramérica, formada por dos tipos de subunidades, denominadas M y H, que presentan pequeñas dife rencias de su secuencia de aminoácidos. Las subunidades M predominan en el músculo esquelético y el hígado, y las subunidades H predominan en el corazón. Las subunidades M y H se combinan de manera aleatoria entre sí, por lo que las dnco isoenzimas prindpales tienen las siguientes composiciones: M 4, M 3 H, M 2 H 2, M H 3 y H4. Dada la reasociadón aleatoria de las subunidades, la com posición isoenzimática de un tejido viene determinada prindpalmente por las actividades de los genes que especifican las dos subunidades. La necesidad fisiológica de la existencia de distintas formas de esta enzima no está clara todavía. No obstante, la especificidad tisular de los patrones de iso enzimas es útil en medicina clínica. Algunos procesos patológicos como el in farto de miocardio, la hepatitis infecciosa y las enfermedades musculares com portan la muerte celular dd tejido afectado, con la consiguiente liberación de los contenidos celulares a la sangre. El patrón de isoenzimas de LDH que existe en el suero sanguíneo es representativo del tejido que liberó las isoenzimas. Esta in formación puede utilizarse para diagnosticar estos procesos y para el segui miento de los resultados del tratamiento.
M E T A B O L IS M O D E L E T A N O L El piruvato tiene numerosos destinos alternativos en los microorganismos anae robios. Como se ha visto, las bacterias del ácido láctico reducen el piruvato a lac tato en un solo paso (véase el margen de la página siguiente). En cambio, las levaduras convierten el piruvato en etanol en una ruta de dos pasos. Esta fer- mentadón alcohólica comienza con la descarboxiladón no oxidativa del piru vato a acetaldehído, catalizada por la piruvato descarboxilasa. Esta reacción va seguida de la reducdón del acetaldehído a etanol, que depende del NADH, ca talizada por la alcohol deshidrogenasa.
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{-> FIGURA 13. Bate estru ctu ral de la existencia de Isoenzim as de lactato deshidrogenasa. Se sometieron las preparaciones a electroforesis en gel de almidón, que se trató luego para revelar las bandas que contenían la proteína enzimàticamente activa. La LDH-1 es un tetràmero que contiene tan sólo la subunidad H, mientras que la LDH-5 contiene tan sólo subunidades M. La calle central corresponde a un experimento en el que se mezclaron cantidades iguales de LDH-1 y LDH-S. Las subunidades se disociaron y se permitió luego que volvieran a asociarse. La presencia de cinco formas enzimàtica? diferentes y sus cantidades relativas indican que las subunidades M yH individuales pueden asociarse de manera aleatoria para formar tetrámeros con una composición de subunidades mixta. Cortesia de C L Mariam, S a e n ce(i 963) 1-40:1129. © 1963AAAS
□ I C H. - C - COO Piruvato
H CQ*
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Piruvato desear baxflasa
0 1 CH] — C — H
Acetaldehído
NAHH f H r UAD'
Alcohol deshidrogene
C H i CH ¡.— CH Etanol
la primera reacción requiere la presencia como coenzima de pirofosfato de tiamina. Esta coenzima, procedente de la vitamina Bt, interviene en varias reac-
REGULACIÓN DE LA GLUCÓLISIS 519
El metabolismo de la glucosa para dar lactato o etanol constituye un proce so no oxidativo, como puede observarse comparando las fórmulas empíricas de la glucosa (C 6 H 12 0 6) y del lactato (C 3 H 6 0 3). Evidentemente, no se produce ningún cambio del estado global de oxidación de los carbonos, ya que el n ú mero de hidrógenos y oxígenos ligados por átomo de carbono es idéntico en la glucosa y en el lactato. Lo mismo ocurre con el etanol más el C 0 2, si se cuentan los átomos de ambos. Sin embargo, algunos de los átomos de carbono indivi duales del lactato y del etanol más el C 0 2 sufren una oxidación, y otros una re ducción. En cambio, el piruvato está mucho más oxidado que la glucosa, como puede apreciarse en su fórmula empírica (C 3 H 4 0 3). Obsérvese también que la glucólisis, tanto si es aerobia como si es anaerobia, libera tan sólo una pequeña fracción de la energía potencial que almacena la molécula de glucosa. Como se ha indicado antes (véanse los Capítulos 3 y 12 ), la combustión completa de la glucosa a C 0 2 y H20 libera 2870 kj/m ol de ener gía libre en condiciones estándar. Como se verá en el capítulo siguiente, se sin tetizan unos 38 moles de ATP a partir de ADP por mol de glucosa que se pro cesa por completo a través de la glucólisis y del ciclo del ácido cítrico. La energía Ubre necesaria para impulsar la síntesis de estos 38 ATP representa sólo aproxi madamente el 40% de la energía potencial que libera la combustión de la glu cosa. Dado que el catabolismo de la glucosa a lactato o piruvato produce sólo 2 u 8 moles de ATP, respectivamente, es lácil observar que la mayor parte de la energía potencial que existe inicialmente en la glucosa continúa aún a la espera de liberarse tras la glucólisis. Por este motivo, el metabolismo aerobio es mucho más eficaz que el anaerobio, y los organismos aerobios, en general, prosperan y se diseminan más que los organismos anaerobios. La evolución inicial del me tabolismo aerobio hizo posible la existencia actual de animales grandes y acti vos. No obstante, muchos animales grandes continúan obteniendo una parte importante de su energía metabòlica mediante la glucólisis, en determinadas cir cunstancias fisiológicas. Un buen ejemplo de ello es el cocodrilo, aletargado (y aerobio) en gran parte de su vida, pero que, sin embargo, es capaz de explosio nes cortas de movimiento muy rápido. En esta última circunstancia la glucóli sis, acoplada con la degradación de las reservas energéticas de los hidratos de carbono, constituye una forma rápida, aunque poco eficaz, de movilizar la energía.
La glucólisis, que proporciona anaeróbicamente 2 ATP por glucosa y aeróbicamente 8 ATP, libera sólo una pequeña fracción de la energía de que dispone la glucosa.
Regulación de la glucólisis
La glucólisis está estrechamente coordinada con otras rutas importantes de generación y utilización de energía, en especial la síntesis y degradación del glucógeno (o del alm idón), la gluconeogénesis, la ruta de las pentosas fosfa to y el dclo del ácido cítrico. Los factores metabólicos que controlan la glu cólisis tienden a regular otras rutas de una manera coordinada. Así pues, es difícil considerar la regulación de la glucólisis aislada de estas otras rutas, y volveremos sobre este tema después de haber presentado las demás rutas importantes del metabolismo energético (véase el Capítulo 23). Sin embargo, es importante describir aquí dos enzimas glucolíticas clave que actúan como dianas reguladoras: la fosfofructoquinasa (el objetivo principal) y la piruva to quinasa. Obsérvese que la hexoquinasa cataliza también un paso regulado (véase la página 412 y la Figura 11.8). El control de la hexoquinasa por su pro ducto, la glucosa- 6 -fosfato, también participa en otros procesos, como la síntesis de glucógeno y el mantenimiento de las concentraciones de glucosa en sangre.
La fosfofructoquinasa y la piruvato quinasa son los principales lugares de control de la glucólisis.
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Concentración intracelular tras la oxigenación
G ' G 6 P ~ F 6 P ' FBP ] G3P ] DHAP ] BPG ] 3PG ] 2 PG ] PEP ]
1 — r—i—t L I H
HGURA 13.8 ____________________________________ Oscitaciones periódicas de las concentraciones de los interm ediarios g io c o lítk o i en células de levadura que realizan la glucó llsls. En el punto indicado como "eliminación del aire" se pasó de unas condiciones de cultivo aerobias a unas condiciones anaerobias. El trazado superior (en azul) indica un registro continuo de la fluorescencia de la suspensión celular que está relacionada con la concentración intracelular de NADH. Se determinaron las concentraciones de nueleótido (naranja) en un experimento paralelo en el que se extrajeron muestras del cultivo en diversos momentos y se analizaron en cuanto a su contenido de ATP, ADP y AMP. Adaptado can permiso de A. Befz y B. Chance, Ardí, ñtochem. Biaphys (1 9 6 4 ) 1 0 9586. © 1964 Academic Press
E F E C T O P A ST EU R La aceptación de que la glucólisis se controla fundamentalmente por la activi dad de la fosfofructoquinasa se produjo en gran parte gracias a un descubri miento realizado hace más de un siglo por Louis Pasteur. Cuando los cultivos anaerobios de levaduras que metabolizaban glucosa se exponían al aire, se re ducía drásticamente la tasa de utilización de glucosa. Quedó claro que este fe nómeno, el efecto Pasteur, comporta la inhibición de la glucólisis por el oxíge no. Este efecto tiene cierta lógica desde el punto de vista biológico, puesto que se obtiene mucha más energía a partir de la oxidación completa de la glucosa que sólo a partir de la glucólisis. ¿Cuál es el mecanismo de este efecto si el oxí geno no participa de forma activa en la glucólisis? La respuesta necesaria se obtuvo de los análisis del contenido intracelular de los intermediarios glucolí- ticos en las células aerobias y anaerobias. Estos análisis requerían técnicas para la interrupción rápida del metabolismo y la extracción de los metabolitos. Una de estas técnicas es el pinzamiento por congdadón (“freeze-clamping”), en el que el tejido se comprime rápidamente entre unas placas de metal enfriadas a la temperatura del nitrógeno líquido. El tejido sólido puede pulverizarse y ex traerse para los análisis. Los experimentos de este tipo revelaron que cuando se introduce oxígeno en las células anaerobias, las concentradones de todos los intermediarios glucolí- ticos, desde la fructosa- 1 , 6 -bisfosfato en adelante disminuyen, mientras que todos los productos intermediarios anteriores se acumulan a concentradones más elevadas. Este hallazgo concuerda con el concepto de que d flujo metabò lico a través de la fosfofructoquinasa se reduce de manera espedfica en presen- da de 0 2.
O S C IL A C IO N E S D E L O S IN T E R M E D IA R IO S C L U C O L ÍT IC O S Otras condusiones importantes surgieron del descubrimiento de que las con centraciones intracelulares de los intermediarios glucolíticos no son constantes en muchas situaciones, sino que experimentan variaciones periódicas u oscila- dones, como se indica en la Figura 13.8. Estas variadones pueden demostrar se con mayor facilidad mediante el seguimiento de la fluorescencia de una sus pensión de células de levadura a 450 nm. El componente que contribuye en mayor medida a producir esta fluorescencia es el NADH, por lo que este tipo de experimento valora los cambios del NADH intracelular con d tiempo. Las os- aladones son una característica común en los sistemas controlados mediante retroacdón, y las variadones cíclicas de las concentraciones de los intermedia rios glucolíticos proporcionan claves importantes sobre los mecanismos regu ladores que afectan a la glucólisis. Durante el tiempo que la fluorescencia de una suspensión de células de le vadura aumenta, se está acumulando NADH a través de la reducdón del NAD+ intracelular. En estas condiciones, la glucólisis está activada y el NADH se está produciendo por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa con una rapidez mucho mayor que la que puede usarse para redudr al piruvato. Presumiblemen te, durante este período se acumulan también una o más sustancias regulado ras. Una vez se han acumulado en cantidad sufidente para inhibir la glucólisis, la concentración de NADH disminuye, hasta que el aporte de reguladores se agota, y en este momento la ruta se inhibe de nuevo. Este dclo se produce de manera repetida. Cuando los investigadores observaron que las concentradones intracelula res de NADH variaban de manera periódica, empezaron a obtener muestras de extractos de las células oscilantes para analizar las concentraciones intracelula-
