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CAPÍTULO 9 METABOLISMO DE LOS GLUCIDOS
9.1 INTRODUCCIÓN
Incluye el metabolismo de los glúcidos varios aspectos de especial importancia para el
organismo, entre otros: todo lo relacionado con el metabolismo del glucógeno, su
síntesis (glucógeno génesis), su degradación (glucógeno lisis) y la regulación hormonal
y enzimatica de este proceso. Además, tenemos la glucólisis y asociada a ella, el ciclo
de Krebs. Por último, gluconeogénesis y la vía oxidativa colateral de la glucosa.
Todos estos aspectos serán estudiados a continuación, comenzando por la digestión y
absorción de los glúcidos como paso previo para la entrada de la glucosa y otros
glúcidos a la célula.
Debemos también referir aquí algunas consideraciones sobre un proceso de especial
significación en el campo de la biología, nos referimos a la fotosíntesis.
La fotosíntesis es un proceso metabólico de primer orden en el caso de los vegetales y
de gran repercusión para los animales y para la vida en general. Mediante la
fotosíntesis, realizada por las plantas verdes, se fija en compuestos orgánicos la
energía solar y el CO2 atmosférico liberándose al mismo tiempo O2 con lo que se
establece un ciclo biológico entre animales y plantas que es la base de todos los
procesos biológicos en nuestro planeta, según vimos en el capítulo 1.
Los compuestos orgánicos formados son principalmente glúcidos que son usados
como fuente de energía química por los animales o como sillares constitutivos de las
cadenas carbonadas presentes en los aminoácidos, lípidos, vitaminas y demás
compuestos orgánicos. En líneas generales el proceso implica la síntesis de la glucosa
según la ecuación:
La energía lumínica emitida por el sol es captada por las plantas, pues ellas poseen un
pigmento muy similar a la hemoglobina, llamado clorofila, presente en los cloroplastos.
La planta utiliza esta energía y la transforma en energía química.
La fotosíntesis es una reacción bioquímica que implica los siguientes aspectos: foto
fosforilación, fotolisis del H2O y fijación del CO2
La fotofosforilación es un proceso muy parecido a la cadena respiratoria, donde
producto de la absorción de la luz se excita un electrón, el que en una cadena de
oxidación - reducción hace posible la síntesis de ATP a partir del ADP y el PO 4H3
inorgánico. Con esto la energía lumínica queda convertida en energía química y se
hace posible su participación en la formación de compuestos orgánicos que
almacenarán esta energía. Más tarde, al ser ingeridos por los animales utilizarán ésta
energía para su metabolismo. Estos compuestos son cadenas carbonadas sintetizadas
por las planta mediante la fijación del CO2 y para lo cual hacen falta equivalentes de
reducción que se obtienen por la fotólisis del agua.
La fotólisis del agua requiere energía lumínica. Mediante ella se forma NADPH2 y se
libera O2. El primero es usado en la síntesis de los compuestos orgánicos y el O 2 es
liberado al medio y usado posteriormente por los animales para la oxidación celular
La fijación del CO2 se realiza mediante un proceso muy similar a la vía colateral de la
oxidación de la glucosa, que veremos más adelante.
9.2 DIGESTIÓN Y ABSORCIÓN DE LOS GLÚCIDOS
En la dieta normal de la mayoría de los animales y el hombre aparecen varios
poliglúcidos, entre otros la celulosa, el almidón, el glucógeno, así como otros polímeros
de la glucosa, hexosas, pentosas, etc. También algunos diglúcidos (lactosa, sacarosa y
maltosa) y otros compuestos relacionados con los glúcidos. Todos ellos son fuente de
glucosa para las células, para ello primero deben ser digeridos (hidrolizados) y después
absorbidos.
La digestión de los glúcidos se realiza a todo lo largo del tubo digestivo por medio de
un grupo importante de enzimas hidrolíticas que en su conjunto reciben el nombre de
carbohidrasas.
En la boca, aunque por acción muy limitada por el poco tiempo que los alimentos
permanecen en ella, actúa una amilasa, conocida como amilasa salival o ptialina capaz
de hidrolizar los almidones hasta maltosa. Esta enzima es activada por los iones de
cloruro, trabaja a un pH de 6.6 a 6.8 por lo que al llegar los alimentos al estómago se
inactiva.
En este lugar debemos considerar el efecto hidrolítico realizado por el ácido clorhídrico
del jugo gástrico, el cual es capaz de hidrolizar un por ciento de los almidones y otros
poliglúcidos presentes en la dieta. Sin embargo, es en el intestino delgado donde
ocurre la hidrólisis fundamental de los glúcidos ingeridos debido a la presencia de la
amilasa pancreática, la cual es capaz de hidrolizar el almidón y otros poliglúcidos de
estructura semejante a la maltosa.
La amilasa pancreática es una alfa amilasa por lo que no actúa sobre las cadenas beta
de los glúcidos, tales como la celulosa y otras estructuras. Su pH óptimo de acción de
de 7.1, y actúa hidrolizando indistintamente los enlaces alfa 1-4 a lo largo de la cadena
de amilasa de modo que produce finalmente una mezcla de glucosa y maltosa.
La alfa amilasa puede actuar también sobre las cadenas de amilopectina, sin embargo
su acción se limita a los enlaces 1-4, no teniendo capacidad para actuar sobre las
ramificaciones 1-6. Una enzima desramificadora (alfa 1-6 glucanohidrolasa) hidroliza
los puntos de ramificación liberando glucosa. Por la acción conjunta de estas amilasas
se produce la hidrólisis del almidón.
De esta manera se liberan en el intestino delgado grandes cantidades de glucosa y
algunos diglúcidos representados por la maltosa, así como otros tales como la
sacarosa y la lactosa que pueden existir en dependencia de la dieta. Estos diglúcidos
no pasan directamente a la sangre, sino que por acción de enzimas específicas
(maltosa, sacarasa, etc.), son desdoblados en el mismo epitelio intestinal.
Al final, producto de la ingestión, se liberan a partir de los glúcidos ingeridos grandes
cantidades de glucosa, galactosa, fructosa, pentosas y otros monoglúcidos, los que
deben ser absorbidos.
Por otra parte, la celulosa, que constituye una fracción importante en la dieta de los
herbívoros, no es modificada por enzimas propias del tubo digestivo, sino que a nivel
del intestino grueso (colon y ciego) es degradada por acción bacteriana con producción
de ácidos grasos inferiores, los cuales se absorben y son usados por el animal.
Es de destacar el hecho de que parte de los carbohidratos ingeridos no se digieren y
son eliminados con las heces, contribuyendo de forma destacada al normal
funcionamiento del tubo digestivo.
Los monoglúcidos se absorben en el intestino delgado y pasan a la sangre por el
sistema porta que los conduce al hígado.
La absorción de los monoglúcidos puede realizarse por dos mecanismos: la difusión
(pasiva) y por transporte activo. La posibilidad de la absorción pasiva (difusión) de
algunos monoglúcidos es, aunque no improbable, muy limitada y no fundamental. Es
por ello que se debe considerar el mecanismo de transporte activo como fundamental
para la absorción de hexosas y en especial para la glucosa.
El paso de las hexosas a través de la barrera intestinal tiene lugar a una tasa fija e
independiente de su concentración en la luz del epitelio, así como en contra de un
gradiente osmótico. Son también absorbidas más rápidamente las hexosas que las
pentosas, todo ello hace concluir que el transporte activo es el fundamental proceso de
absorción de la glucosa. Es de destacar también, que el transporte activo de la glucosa
a nivel intestinal se puede bloquear por factores que inhiban el proceso de fosforilación
y la síntesis de ATP, así como cuando disminuye el aporte de oxígeno todo lo hace
concluir en un mecanismo activo con gasto de energía.
El mecanismo de fosforilación de la glucosa por la hexoquinasa y su posterior
defosforilación por la glucosa fosfatasa ha sido señalado como un factor presente en la
absorción de la glucosa, sin embargo, no existen pruebas constituyentes de su
existencia.
Es de señalar, por otra parte, la semejanza entre el proceso de absorción de la glucosa
en el epitelio intestinal y la reabsorción de la misma en la capa epitelial de los túbulos
renales desde el filtrado glomerular, en ambos casos, en contra de un gradiente de
concentración. En los dos procesos que señalan la presencia de un sistema
transportador para la glucosa acoplado al transporte de Na. En este sentido se ha
señalado la existencia en el transportador de un sitio para la glucosa y otro para el
Sodio de manera que haría penetrar obligatoriamente la glucosa a la célula al penetrar
el Na+ por un proceso de cotransporte. La fluidez se mantiene por la existencia del
sistema de Na K ATP asa que bombea Na al exterior con lo cual se crea un gradiente
interno de Na a expensas del ATP. Según este criterio el gradiente de Na interno haría
que el transportador de Na glucosa pase al interior, siendo de ésta manera arrastrada
la glucosa. Así puede acumularse la glucosa contra un gradiente interno de glucosa.
Este sistema de trasporte de glucosa en el intestino está avalado por algunos datos
experimentales que además justificarían la dependencia de la absorción de la glucosa
del sistema de fosforilación oxidativa y la síntesis de ATP, el cual sería necesario para
mantener el gradiente de Na.
Por otra parte, son varios los factores que ejercen su influencia sobre el proceso de
absorción de los glúcidos en general, como es lógico, la velocidad del tránsito de los
alimentos por el intestino, la normalidad de la mucosa intestinal, adecuada proporción
de vitaminas en la dieta y la acción de algunas hormonas.
Entre estos factores merece destacarse la acción de determinados factores del
complejo B que influyen en la absorción de los glúcidos. La insulina, que tanto efecto
tiene en relación con el metabolismo de la glucosa, no interviene en su absorción, no
así los corticoides y la tiroxina que incrementan la absorción general de azúcares.
Como señalamos anteriormente la glucosa absorbida pasa al hígado donde puede ser
almacenada de forma de glucógeno, puede también pasar a diferentes tejidos donde es
almacenada u oxidada a CO2 por medio de la glucólisis y el ciclo de Krebs, en
dependencia de las necesidades de cada célula en particular. Entre los niveles de
glucosa y los de glucógeno se establece una interrelación que pasaremos a considerar
a continuación.
9.3 GLUCOGENOGÉNESIS
Con el nombre de glucogenogénesis o glucogénesis se designa el proceso metabólico
por el cual la glucosa es convertida en glucógeno, polímero de reserva de glúcidos en
las células animales. Mediante este mecanismo se almacenan grandes cantidades de
glucosa cuando al aporte de la misma lo permite, utilizándose más tarde en
dependencia de las necesidades del organismo. La glucogénesis es la principal vía
anabólica del metabolismo de los glúcidos.
Prácticamente todas las células del organismo tienen la capacidad de almacenar la
glucosa en forma de glucógeno, destacándose dentro de ellas a las hepáticas y las
musculares. Las células del riñón, epitelio intestinal, del útero y otras más, presentan
también niveles de glucógeno que deben ser tomados en consideración. Por el
contrario la neurona prácticamente contiene muy poco glucógeno, lo que determina la
dependencia de las mismas al aporte directo de la glucosa. El hígado después de una
comida rica en carbohidratos puede contener hasta el 1 % de su masa en glucógeno.
El sistema muscular, por su dimensión, es sin duda la mayor reserva de glucógeno del
organismo. Cabe destacar, sin embargo, que las reservas de glucógeno del organismo
en general son reservas para corto plazo. Es decir, utilizando sólo sus reservas de
glucógeno un animal sólo tiene energía para unas 16 a 18 horas. Las reservas a largo
plazo, como veremos más adelante, están representadas en los lípidos.
La biosíntesis del glucógeno se realiza por un complejo enzimático donde debe
destacarse la acción de la glicógeno sintetasa, enzima responsable de la incorporación
de la forma activa de la glucosa a las cadenas preexistentes que forman el glucógeno.
Es necesario precisar que el glucógeno no se forma de nuevo enteramente, sino que
siempre existe una pequeña cantidad de glucógeno en la célula, lo que recibe el
nombre de "semilla", el cual incrementa su volumen de dependencia del aporte de
glucosa o decrece si es necesario, por el contrario, suministrar glucosa a la célula. Este
último proceso recibe el nombre de glucogenólisis y será estudiado a continuación de
éste tema. Por ello debe considerarse siempre la presencia de cierta cantidad de
glucógeno
El desarrollo del proceso de glucógeno génesis ha quedado reflejado en la figura 9.1.
Como podemos observar la glucogénesis se inicia con la fosforilación de la glucosa.
Reacción dependiente de las hexoquinasas, enzimas que transfieren fósforo del ATP a
las hexosas, también conocidas como hexocinasas. La enzima específica en este caso
se llama glucoquinasa que requiere iones de Mg para su actividad. Las reacciones
donde intervienen cinasas o quinasas son muy comunes en el metabolismo de los
glúcidos, en general son reacciones irreversibles por su carácter exorgónico, donde un
enlace fósforo fósforo del ATP (- delta G = 7,5 Kcal. o 30,5 KJ) macro energético pasa
a formar un éster fosfórico con mucha menor energía.
La glucogénesis continua con la conversión de la glucosa 6 fosfato en glucosa 1
fosfato, reacción francamente reversible catalizada por la enzima fosfo glucomutasa.
Esta reacción está presente en todas las vías metabólicas de la glucosa.
Continúa el proceso con la reacción de la glucosa 1 fosfato y el UTP (uridín trifosfato)
con formación de uridín difosfato de glucosa (UDP - G) y liberación de dos moléculas
de fósforo inorgánico como pirofosfato. Esta reacción es catalizada por la enzima
glucosa 1 fosfato uridil-transferasa (también llamada UDP -G pirofosforilasa). En ésta
reacción se consume otro enlace macro energético, en este caso del UTP (ver figura
9.2).
El UDP - glucosa sirve como donador de restos de glucosa al extremo no reductor de
una cadena de amilosa para formar un enlace glucosídico 1- 4. De hecho con ello
tenemos la formación de glucógeno pero en éste caso no ramificado. Esta reacción
clave dentro de la glucogénesis es catalizada por la glucogeno sintetasa.
La glucógeno sintetasa requiere como cebador de una cadena de poli glucosa con
enlace 1 - 4. Se considera la enzima clave dentro de la glucogénesis. Esta enzima
presenta la característica de poseer una forma activa y otra inactiva con una doble
regulación por mecanismos alostéricos y por fosforilación y desfosforilación de los
restos de serina de su estructura a través de la proteín quinasa o la fosfoproteína
fosfatasa respectivamente, que también actúan sobre la glicógeno fosforilasa
responsable de la glucogenólisis como veremos más tarde.
CH2OH
La forma activa de la glicógeno sintetasa se forma por eliminación de restos de ácido
fosfórico (desfosforilación) por medio de la fosfatasa y es conocida como forma I, de
independiente, este mecanismo es inhibido por el propio glucógeno que actúa como
inhibidor alostérico de la fosfatasa. En conclusión, de haber glucógeno suficiente no
se formaría la forma activa de la glucógeno sintetasa.
La forma inactiva de la glucógeno sintetasa se forma por fosforilación de los restos de
serina por acción de la mencionada cinasa. Esta forma también llamada D, de
dependiente, puede ser estimulada por la presencia de la glucosa 6-fosfato que
resulta ser modulador alostérico positivo.
En el hígado, de forma similar, existe una glucógeno sintetasa llamada a y b para las
formas activas e inactivas respectivamente. (Figura 9.3).
la glucógeno sintetasa
Glucógeno sintetasa
Glucógeno sintetasa
Para concluir la glucogenogénesis se requiere la acción de otra enzima llamada enzima
ramificante (anillo 1 - 4 , 1-6- transglucosidasa) que cataliza la transferencia de un
fragmento de 5 o 6 restos de glucosa desde la posición 1-4 a la posición 6 de otra
molécula vecina de glucosa creando punto de ramificación 1-6 el cual crece por acción
de la glicógeno sintetasa hasta que es necesaria una nueva ramificación. De esta
manera la molécula de glucógeno va creciendo y estableciendo ramificaciones a
semejanza de un árbol.
La formación de glucógeno se realiza a expensas de la glucosa, sin embargo, todos los
glúcidos pueden ser convertidos en glucosa en las células, por ellos todos pueden, en
la práctica, formar glucógeno. En el tema correspondiente a la vía colateral de
oxidación de la glucosa veremos como las triosas, tetrosas y pentosas pueden ser
convertidas en hexosas. Por otra parte, entre la fructosa y la glucosa existe un
equilibrio natural catalizado por una isomerasa, al igual que entre la galactosa y la
glucosa, en este caso por una epimerasa.
El glucógeno hepático constituye una reserva de glúcidos para las necesidades de las
células del organismo. Es responsable, entre otras cosas, de mantener la glicemia
normal que aporta la glucosa libre a todo el organismo, principalmente al tejido
muscular que requiere constantemente de ella para formar sus propias reservas y , en
especial, para mantener el aporte de glucosa a la neurona.
Por otra parte, niveles adecuados de glucógeno en el hígado hacen a este órgano más
preparado para responder a los efectos tóxicos u otros productos nocivos. Es necesario
señalar que en el hígado, a expensas del glucógeno se forma el ácido glucurónico de
gran importancia en los mecanismos normales de detoxicación hepática.
Al mismo tiempo niveles inadecuados de glucógeno impedirían el uso de la glucosa por
los tejidos con la consecuente movilización de las grasas, las cuales en su oxidación
tienden a incrementar los niveles de cuerpos cetónicos. Por ello la existencia de
adecuados niveles hepáticos de glucógeno con sinónimo de un buen funcionamiento
del metabolismo en general.
9.4 GLUCOGENOLISIS
Por glucogenólisis se entiende el proceso mediante el cual a partir del glucógeno se
obtiene glucosa. Es por tanto la degradación de glucógeno a glucosa, el cual ocurre
como tal en el hígado, pues en otros tejidos el producto final es la glucosa 6-fosfato que
se incorpora a la vía de la glucólisis. La glucogenólisis podría considerarse el proceso
inverso de la glucogénesis aunque los pasos no son los mismos que a la inversa. Es
necesario señalar que en éste caso, de manera similar a la glucogénesis, el glucógeno
no se transforma totalmente en glucosa, sino que, en dependencia de las necesidades
de las células él mismo se degrada parcialmente, quedando siempre un resto que,
cuando el aporte de glucosa se restituye es capaz de formar glucógeno otra vez.
El desarrollo de la glucogenólisis ha quedado reflejado en la figura 9.4
Este se inicia a partir de la acción de la glucógeno fosforilasa, enzima clave de éste
proceso, la cual separa restos de glucosa en forma de glucosa 1 fosfato a partir de los
extremos terminales no reductores de la molécula de glucógeno. Esta enzima
perteneciente al grupo de las liasas realiza esta acción por medio del ácido fosfórico, o
sea, fosforolíticamente, con lo cual la glucosa queda lista para su posterior
metabolismo.
+
fosfato
Glucosa 6 fosfatasa
El ataque de la enzima se realiza en el enlace glucósido1- 4. El proceso continúa con la
transformación de la glucosa 1- fosfato en glucosa 6 - fosfato por medio de la enzima
fosfo glucomutasa. En los tejidos la glucosa 6 - fosfato se incorpora a la vía de la
glucólisis, mientras el hígado que tiene la responsabilidad de mantener el aporte de la
glucosa a los tejidos posee otra enzima; la glucosa 6 - fosfatasa que separa el resto
fosfórico liberando la glucosa como tal.
La glucosa 6 - fosfato no tiene capacidad para cruzar la membrana celular por lo que la
no existencia de la glucosa 6 -fosfatasa en el tejido muscular impide la salida de la
glucosa en el músculo. Por el contrario, el hígado que posee esta enzima es capaz de
liberar la glucosa como tal.
El efecto de la glucógeno fosforilasa está limitado en los enlaces glucósido 1 - 4
vecinos a los puntos de ramificaciones. Por ellos cuando quedan tres o cuatro restos de
glucosa, otra enzima, la glucana transferasa transfiere estos restos a otra cadena
permitiendo la acción de la fosforilasa.
La glucosa que inicia la ramificación con enlace 1 - 6 es hidrolizada por la enzima
transglucosilasa. En la figura 9.5 se representan los esquemas sobre esta acción.
El proceso de la glucogenólisis como tal está controlado por la acción de la glucógeno
fosforilasa que constituye la enzima clave de esta reacción. Esta enzima existe tanto en
el hígado como en los tejidos bajo dos formas, una activa y otra inactiva. Esta enzima
también tiene dos mecanismos de regulación, uno por medio de la fosforilación o
desfosforilación y otro, por moduladores alostéricos.
En este caso los mecanismos dependientes del proceso de fosforilación o
desfosforilación son inversos al de la glucógeno sintetasa, es decir, la forma inactiva de
la fosforilasa se activa por incorporación de ácido fosfórico a partir del ATP. La forma
activa (fosforilasa a) se inactiva (fosforilasa b) por acción de una fosfatasa. La forma
inactiva de la fosforilasa puede también activarse por la presencia de AMP cíclico que
un modulador positivo de ésta enzima (figura 9.6)
o
.
9.5. REGULACIÓN DE LA GLUCOGENOGÉNESIS Y LA GLUCOGENOLISIS
A nivel celular, tanto en el hígado como en el músculo, el metabolismo del glucógeno,
que incluye su síntesis y su degradación tiene que estar perfectamente controlado. Se
comprende, por ejemplo, que si una molécula de glucógeno estuviese por un momento
sometida a la acción de la fosforilasa activa estaría degradándose y si en otra, por el
contrario, el efecto lo estuviese realizando la glucógeno sintetasa activa, se estaría
sintetizando. El efecto para la célula en cuestión sería en la práctica nulo. Por eso
ambas enzimas están sometidas a un mismo control que depende de los niveles de
AMP cíclico y de la acción hormonal y en muy estrecha relación con los mecanismos
reguladores de la glucosa y del ciclo de Krebs. Se comprende que un exceso de
glucosa, abundante suministro de ácidos grasos, reflejados en niveles altos de ATP
estimularía la acción de la glucógeno sintetasa e inactivaría la glucógeno fosforilasa
con lo que se almacena glucógeno. Por el contrario, niveles bajos de glucosa por un
intenso trabajo muscular u otra causa, con bajos niveles de ATP (con el consecuente
aumento del AMP y el ADP) producirían un efecto estimulador sobre la fosforilasa e
inhibirían la sintetasa.
Analizando el proceso integralmente el mecanismo de la regulación de la
glucogenogénesis y la glucogenólisis depende en primer lugar de la activación e
inactivación de las enzimas glucógeno sintetasa y la glucógeno fosforilasa; enzimas
claves de ambos procesos por incorporación del ácido fosfórico a partir del ATP. La
incorporación depende a su vez de dos quinasas o cinasas inespecíficas, las cuales
podemos llamar glucógeno sintetasa quinasa y glucógeno fosforilasa quinasa y que
llamaremos simplemente quinasa. La acción de esta quinasa es incorporar fósforo a la
glucógeno sintetasa la cual se inactiva por este medio y a la glucógeno fosforilasa que
por ello es activada, quiere decir que el efecto es contrario para ambas enzimas.
Cuando cesa la acción de las cinasas se produce por la acción de la fosfatasa la
eliminación del fósforo de la glucógeno sintetasa, con lo cual se activa y de la
glucógeno fosforilasa inactivándola. En la figura 9.7 se presenta esta interrelación.
La activación o estimulación de la adenil ciclasa produce, por tanto, glucogenólisis
mientras su no estimulación provoca glucogenogénesis.
Por otra parte es de destacar el doble control de estas enzimas (sintetasa y fosforilasa)
ya que la glucosa 6-fosfato estimula alostéricamente la forma inactiva (D) de la
glucógeno sintetasa mientras el AMP estimula, también alostéricamente la forma
inactiva de la fosforilasa.
La cinasa antes mencionada depende a su vez de la activación o no de otra enzima
llamada cinasa-cinasa o simplemente protein cinasa que presenta como modulador
alostérico al AMP cíclico. El AMP cíclico se une a una fracción reguladora de la enzima
liberando la forma activa de la mencionada protein cinasa. El nivel de AMP cíclico
depende, como sabemos, de la acción de la adeníl ciclasa bajo la acción directa de
varias hormonas. En este caso en particular y según el tejido en cuestión, influyen los
niveles de adrenalina, glucagón, STH y los glucocorticoides estimulando la producción
del AMP cíclico. La insulina, la cual disminuye los niveles de AMP cíclico, con el
consecuente incremento del GMP cíclico, actuaría de forma inversa.
Como hemos podido analizar la regulación de la glucogenogénesis y la glucogenólisis
es algo complejo pero efectiva y que a su vez está en íntima relación con otros factores
del metabolismo que serán analizados más adelante.
9.6 GLUCOLISIS
9.6.1 Introducción
Una de las principales vías del catabolismo lo es, sin duda, la glucólisis. Por glucólisis
se entiende la degradación de la glucosa. La glucólisis como tal está constituida por
una serie de reacciones mediante la cual la glucosa se convierte en ácido pirúvico. Este
proceso, hasta aquí, es universal y se desarrolla de forma similar en todos los
organismos vivos, desde una bacteria hasta el hombre.
La degradación de la glucosa hasta ácido pirúvico se conoce como la vía de EmbdenMeyerhof. A partir de este punto, ácido pirúvico, se producen en dependencia de las
transformaciones que le ocurran a dicho ácido, diferentes modalidades que varían
según los organismos y tejidos analizados y que por ello dan un carácter particular a
cada glucólisis en cuestión y que en muchos casos señalan la obligación de aplicar un
apellido a la glucólisis que se trate.
En las células de los animales superiores el ácido pirúvico presenta dos destinos
principales. El primero y el más fundamental es la descarboxilación a acetil CoA con la
incorporación de éste compuesto al ciclo de Krebs o ciclo tricarbóxilico donde es
oxidado por completo a CO2. Esta glucólisis, que en verdad está formada por tres
procesos bien identificados; la vía de Embden - Meyerhof, la descarboxilación del
pirúvico y ciclo de Krebs se acostumbra a llamar glucólisis aerobia y es clásica su
reacción global
6
Esta secuencia se desarrolla, como es lógico, en tejidos que tengan un aporte
adecuado de oxígeno, pues requiere de la cadena respiratoria para aceptar los
equivalentes de reducción que se producen.
La segunda posibilidad del ácido pirúvico en los animales superiores es su reducción a
ácido láctico la cual es típica en el tejido muscular en contracción, los eritrocitos y las
células del cristalino del ojo. Esta reacción, la cual se desarrolla en un medio carente
de 02, es conocida como glucólisis anaerobia y su reacción general es:
Otros organismos, sobre todo las bacterias, presentan distintas variantes en cuanto al
metabolismo posterior del ácido pirúvico que caracteriza la utilización propia de la
glucosa. Muchas levaduras, por ejemplo, convierten el ácido pirúvico en alcohol etílico,
recibiendo este proceso el nombre genérico de fermentación alcohólica o fermentación
etílica. Algunas bacterias producen ácido acético, láctico, propiónico, etc., por lo que el
proceso recibe entonces el nombre de fermentación acética, fermentación láctica,
propiónica, etc.
La glucólisis, con sus variantes aerobia y anaerobia constituye la vía fundamental la
cual será analizada a continuación. Inmediatamente después describiremos el ciclo de
Krebs como complementación de ésta vía, aunque debemos señalar que el
mencionado ciclo no constituye una vía exclusiva para los productos finales de la
glucólisis.
9.6.2. Vía de Embden - Meyerhof
La vía de Embden - Meyerhof está constituida por una serie de 10 reacciones, que se
desarrollan en el citoplasma de la célula, al final de la cual la glucosa queda convertida
en dos moléculas de ácido pirúvico.
Para su estudio, dada la amplitud de la misma, es conveniente dividirla, de manera
didáctica, en dos etapas; una primera etapa que podemos llamar transformación de la
glucosa en triosas mediante la cual la glucosa se prepara para su catabolismo
transformándose en 3 –fosfo gliceraldehído y una segunda etapa donde se producen
las reacciones de oxido - reducción y el 3 – fosfo gliceraldehído se convierte en ácido
pirúvico y que llamaremos transformación de las triosas en ácido pirúvico.
Pasemos a considerar la primera etapa de la glucólisis donde las hexosas (glucosa)
quedan convertidas en triosas según aparece en la figura 9.8.
Esta etapa de la glucólisis se inicia en verdad en la mayoría de las células a partir de la
glucosa 6 fosfato liberada en la glucogenólisis, sin embargo, `para establecer un
balance más adecuado la hemos iniciado a partir de la glucosa. En esta primera
reacción la glucosa es fosforilada a glucosa 6 - fosfato por acción de la hexoquinasa
que requiere la presencia de iones de Mg2+ y el ATP como donador de radicales de
fosfato macro energéticos. Se puede considerar una reacción activadora que permite a
la glucosa entrar en la secuencia de reacciones de la glucólisis.
La hexoquinasa cataliza la reacción de fosforilación de la glucosa y en muchas más
hexosas. Es una enzima reguladora que puede ser inhibida por su propio producto de
acción ya que cantidades apreciables de glucosa 6 - fosfato en la célula inhibirían su
acción.
Recuérdese además que la glucosa 6 - fosfato es el activador alostérico de la
glucógeno sintetasa (D). En el hígado la fosforilación de la glucosa puede realizarse por
medio de la glucocinasa que no es inhibida por la glucosa 6 - fosfato. Esta reacción es
irreversible.
En el siguiente paso la glucosa 6 - fosfato es convertida en fructosa 6- fosfato por
medio de la fosfohexosa isomerasa (fosfoglucoisomerasa). Es una reacción
francamente reversible en ambas direcciones.
Continúa la glucólisis con la fosforilación de la fructosa 6 - fosfato a fructosa 1 - 6
difosfato. Reacción catalizada por la fosfofructocinasa que requiere la colaboración de
los iones de magnesio y el ATP como fuente de fosfato macroenergético.
Esta reacción es sumamente importante pues la fosfofructocinasa es la enzima clave
que regula toda la glucólisis por varios mecanismos. Esta enzima posee múltiples
moduladores alostéricos positivos y negativos que son los responsables de regular su
actividad que varían de una célula a otra. Concentraciones elevada de ácido cítrico,
ATP o de ácidos grasos de cadena larga la inhiben, mientras el ADP o AMP la
estimulan.
Como es lógico suponer concentraciones elevadas de ATP crearían la posibilidad de su
utilización por la célula de forma directa cuando sea necesario por ello no haría falta
seguir oxidando la glucosa.
Por otra parte los excesos de glucosa, una vez cubiertos los niveles de glucógeno y de
ATP, son convertidos en ácidos grasos a partir del acetil CoA proveniente de la
glucólisis. Para ello la vía de degradación de la glucosa debe ser mantenida lo cual es
realizado por un metabolito intermedio de esta vía, la fructosa 2-6 difosfato, que actúa
estimulando la enzima fosfofrutocinasa independiente del nivel inhibitorio del ATP Con
ellos la vía continua hasta el acetil CoA que pasa a formar ácidos grasos, pues en éste
caso los niveles altos de ATP inhibiría su oxidación en el ciclo de Krebs.
El ácido cítrico, del ciclo de Krebs, incrementado actuaría deteniendo el proceso de la
glucólisis. Recordemos que el ATP se forma en la cadena respiratoria, entre el ciclo de
Krebs y glucólisis se establece una interdependencia.
La reacción de la fosfofructocinasa es irreversible por completo. En el sentido contrario
actúa otra enzima alostérica, la fructosa 1-6 difosfatasa que será estudiada en la
gluconeogénesis.
El siguiente paso es la escisión de la fructosa 1-6 difosfato en dos triosas (3 – fosfo
gliceraldehído y fosfo hidroxiacetona) por medio de una aldolasa (fructosa 1-6 difosfato
aldolasa). Esta reacción es francamente reversible. Las dos triosas producidas se ínter
convierten reversiblemente por medio de la fosfotriosa isomeras. La siguiente etapa de
la glucólisis se inicia a partir de la aldotriosa, o sea, 3-fosfo gliceraldehído, sin embargo,
la reacción se desplaza fuertemente hacia la fosfo hidroxiacetona, por lo que sólo la
consecuente utilización de la aldotriosa haría desplazarse el equilibrio hacia la
aldotriosa. Esto se consigue cuando, producto de la necesidad de la célula, los demás
compuestos producidos a partir del 3 – fosfo gliceraldehído son utilizados. Por el
contrario cuando esto no es así, se incrementa la presencia de la fosfo hidroxiacetona,
la cual se reduce a fosfoglicerol usándose para la esterificación de las grasas.
Con el próximo paso de la glucólisis se inicia lo que hemos llamado la segunda etapa,
la cual se desarrolla a partir del 3- fosfo gliceraldehído y que como una molécula de
glucosa rinde dos triosas, debemos, al efecto de establecer el balance final, considerar
dobles todas las reacciones. Esta etapa aparece resumida en la figura 9.9.
Esta segunda etapa de la glucólisis se inicia con una reacción muy importante, la
oxidación por deshidrogenación del 3 – fosfo gliceraldehído a 1-3 difosfo glicérico. La
enzima que cataliza la reacción es la 3 –fosfo gliceraldehído deshidrogenasa que tiene
el NAD como coenzima, además de ser su modulador alostérico positivo.
La enzima posee una estructura cuaternaria con cuatro cadenas polipeptídicas, cada
una con su propio centro activo representado por restos de cisteina con sus respectivos
grupos sulfídrilos (-SH), los cuales se hallan normalmente enmascarados
alostéricamente. La unión de la enzima (representada por E - SH) con el NAD libera el
grupo sulfídrilo que se une con el carbono aldehídico del 3 – fosfo gliceraldehído por
unión hemiacetal. Posteriormente los hidrógenos pasan al NAD formando NADH 2
(reducido) y oxidándose el sustrato, el cual se mantiene unido a la enzima por un
enlace macro energético parte de la energía de oxidación. El NADH2 unido a la enzima
es reemplazado por un NAD oxidado del medio y el grupo acilo es transferido
posteriormente a una molécula de ácido fosfórico manteniendo su nivel energético en la
formación del 1-3 difosfo glicérico. Como podemos observar este compuesto posee un
enlace macro energético (acil -fosfato) en el carbono 1, que le permite sintetizar una
molécula de ATP.
Con ello parte de la energía de oxidación del 3- fosfo gliceraldehído se ha retenido en
el propio sustrato, usándose para la síntesis de ATP, lo que constituye un ejemplo de
la síntesis de ATP independientemente del mecanismo de fosforilación oxidativa.
La reacción, que aparece reflejada en la figura 9.10 es reversible en su conjunto.
NADH + H+
El NADH2 liberado en esta reacción puede ser usado para la formación del láctico o
pasar al fosfo glicerol, el cual a través de la "lanzadera" del glicerofosfato pasa a la
cadena respiratoria.
El proceso de la glucólisis continua con la transferencia del grupo acil - fosfato del 1-3
difosfo glicérico al ADP con lo que se forma el ATP. Esta reacción es catalizada por la
1-3 difosfo glicérico cinasa. La reacción es fuertemente exorgónica, lo que actúa
impulsando la reacción precedente. También esta reacción es reversible.
Continúa el proceso con la conversión del fosfo glicérico en 2 fosfo glicérico por la
acción de la fosfo glicérico mutasa, reacción que es reversible. La enzima requiere
iones de Mg para actuar.
En el siguiente paso, por acción de la enolasa se produce la deshidratación del 2 fosfo
glicérico con la producción del fosfoenol pirúvico. La enolasa requiere la presencia de
Mg o de Mn. La deshidratación del 2 - fosfoglicérico produce una redistribución de la
energía interna del compuesto apareciendo el fosfoenol pirúvico con un enlace
macroenergético, (enolfosfato).
Inmediatamente el fosfoenol pirúvico cede el grupo fosfato macroenergético al ADP
para formar ATP, liberándose en esta reacción enol pirúvico que mantiene un equilibrio
espontáneo con su forma cetónica, el ácido pirúvico. La reacción es catalizada por la
fosfoenol piruvico cinasa y es completamente irreversible.
La enzima requiere varios iones para su acción, tales como el Mg2+ y el Mn2+ así como,
el K+, Se considera una enzima reguladora, pues se activa con la presencia del
fosfoenol pirúvico o por la fructosa 1-6 difosfato, siendo inhibida por AMP, ácido cítrico,
ATP, ácidos grasos de cadena larga y por el acetil CoA.
Con esta reacción se produce el ácido pirúvico y se cierra la vía de Embden - Meyerhof
o lo que pudiéramos considerar como la glucólisis sin apellido. Hasta aquí una
molécula de glucosa ha sido transformada en dos moléculas de pirúvico, con la
producción de dos NADH2 (reducido) a partir de dos NAD (oxidado) y desde el punto de
vista energético se gastaron en la primera etapa dos ATP, produciéndose cuatro en la
segunda, con lo que quedan dos ATP. Los dos NADH2 de ir a la cadena respiratoria
podrían formar seis moléculas de ATP.
Resumiendo tenemos:
Pasemos a continuación a considerar los dos destinos principales del ácido pirúvico en
las células de los tejidos animales: su reducción a ácido láctico en el caso de la
glucólisis anaerobia y su descarboxilación oxidativa a acetil CoA y posterior
incorporación al ciclo de Krebs. Esto desde el punto de vista de una continuación de la
glucólisis, pues otra reacción sumamente importante del ácido pirúvico es su
carboxilación a ácido oxaloacético, el cual, además de ser un miembro destacado del
ciclo de Krebs, participa en la vía de la gluconeogénesis.
9.6.3. Producción de ácido láctico. Glucólisis anaerobia
En esta forma de glucólisis, de tipo anaerobia, el ácido pirúvico se reduce, a ácido
láctico por el aporte de dos hidrógenos del NADH2, procedentes de la oxidación del 3 –
fosfo gliceraldehído, reacción que requiere la presencia de la láctico deshidrogenasa.
Ácido pirúvico
Ácido láctico
La reacción es francamente reversible, la misma tiene su origen, como es lógico
suponer, en la incapacidad del tejido anaerobio para oxidar el NADH 2 (reducido) y por
ello continuar el desarrollo de la vía Embden - Meyerhof. El análisis de las reacciones
principales de esta vía nos refleja que solo una, la deshidrogenación del 3 – fosfo
gliceraldehído transcurre con la presencia de las coenzimas que requieren del aporte
del oxígeno para su oxidación final.
Descartando las células bacterianas anaerobias estrictas que tienen en la glucólisis
anaerobia su principal vía. Muchas células, entre otras las de los animales superiores
pueden usar esta vía como una posibilidad alterativa en condiciones temporales de
inadecuado suministro de oxígeno. En los organismos de los animales superiores se
destacan las células del sistema muscular como las principales que desarrollan ésta
vía. En efecto durante la contracción muscular intensa la vía de Embder - Meyerhof se
intensifica notablemente, dada por las necesidades energéticas de la célula en
contracción, sin embargo, en ese momento disminuye considerablemente el aporte de
oxígeno a las masas musculares por la dificultad de la circulación sanguínea de llevar
a todas las células el oxígeno de la respiración. En estas condiciones no sería posible
continuar esta vía, pues la etapa de deshidrogenación del 3 fosfo gliceraldehído
requiere de la colaboración de la cadena respiratoria. En esta situación las células
tienen la alternativa de conjugar el NADH2 reducido con el producto final de esta
etapa: el ácido pirúvico, liberando NAD (oxidado) que puede continuar la vía de
Embden - Meyerhof y por ello puede desarrollarse la glucólisis sin la presencia de
oxígeno, recibiendo el nombre de glucólisis anaerobia.
Por todo lo antes explicado, la glucólisis anaerobia es la transformación de una
molécula de glucosa en dos moléculas de ácido láctico. Desde el punto de vista
energético esta vía es muy poco productiva pues requiere de una serie larga de
reacciones y el aporte de energía es muy poco. Por ello las células que tienen ésta vía
como la vía principal requieren el aporte de grandes cantidades de glucosa. En éste
caso sólo están, en el organismo animal, las células del cristalino y los eritrocitos, pues
las células musculares, pasado el período de falta de oxígeno, recuperan su condición
aerobia y pueden usar otras estructuras como combustible al mismo tiempo que
restituyen sus reservas de glucógeno.
Desde el punto de vista energético la glucólisis anaerobia sólo rinde dos ATP a las
células. Si analizamos la figura 9.11 vemos que se requiere un ATP para la fosforilación
inicial de la glucosa y otro para la fosforilación de la fructosa-6 fosfato.
En el caso del músculo que la glucosa es liberada como glucosa 6 - fosfato a partir del
glucógeno muscular sólo se requiere un ATP. Por otra parte a partir de la oxidación del
3 fosfo gliceraldehído, que todas las reacciones se deben considerar dobles, se
obtienen dos ATP en la transformación del 1-3 difosfo glicérico en 3 fosfo glicérico y
dos en la reacción de fosfoenol pirúvico. Por ello podemos establecer que sólo se
liberan dos ATP como energía química utilizable por la célula a partir de una molécula
de glucosa.
Pasemos a resumir el balance energético de esta vía.
Fosforilación inicial de la glucosa
- 1 ATP
Fosforilación de la glucosa 6 - fosfato
- 1 ATP
Reacción del 1-3 difosfo glicérico
+ 2 ATP
Reacción del fosfoenol pirúvico
+ 2 ATP
TOTAL
+ 2 ATP
La reacción de transformación de la glucosa en dos ácidos lácticos presenta una
variación de energía libre en condiciones estándar de unos 196 kJ ó 47 Kcal. (Delta G°
= 196 kJ ó 47 Kcal.). De esta sólo se usan 62.7 kJ (15 Kcal.) para la síntesis de dos
enlaces macro energéticos del ATP con un 31% aproximadamente de eficiencia. Todo
ello determina que la glucólisis anaerobia como tal resulta una vía exorgónica que se
encuentra desplazada hacia el ácido láctico según podemos observar en la siguiente
ecuación:
ADP
9.6.4.-Descarboxilación del ácido pirúvico a acetil CoA. Glucólisis aerobia
La descarboxilación del ácido pirúvico con producción de acetil CoA ha sido descrita.
Dada la importancia de esta reacción dentro del metabolismo de los glúcidos y su
relación con otros procesos del organismo pasamos a continuación a referirnos a los
aspectos más significativos de la misma.
La reacción esta catalizada por el complejo enzimático conocido como pirúvico
deshidrogenasa integrado por tres enzimas. La primera es la propia pirúvico
deshidrogenasa que tiene a la tiamina como coenzima; la segunda la dihidrolipoil
transacetilasa que trabaja con el ácido lipóico y la coenzima A, y la última llamada
dihidrolipoil deshidrogenasa que oxida al ácido lipóico por medio del FAD que se
mantiene firmemente unida a la enzima y que es oxidada finalmente por el NAD. Varias
unidades de estas enzimas con sus respectivas coenzimas forman un complejo con
una masa molecular por partícula de unos 7 millones.
De forma abreviada este complejo multi enzimático provoca la descarboxilación
oxidativa del ácido pirúvico rindiendo acetil CoA según la siguiente reacción.
El complejo enzimático de la pirúvico deshidrogenasa está regulado por el nivel de
ATP, el cual la inhibe, y el nivel de ADP que la estimula. La activación o inhibición
depende de un sistema de cinasa (inactivador) y fosfatasa (activador) de modo
semejante al sistema de la glucógeno sintetasa y glucógeno fosforilasa
El acetil CoA producto de la descarboxilación del pirúvico producido por la vía de
Embden - Meyerhof de la glucólisis es oxidado totalmente a CO2 por medio del ciclo de
Krebs concluyendo de ésta forma la oxidación de la glucosa. Por supuesto esto en
dependencia de las necesidades energéticas de las células, pues el acetil CoA es
fuente también para la síntesis de ácidos grasos.
En la mayoría de los tejidos del organismo animal, donde predomina la condición
aerobia esta es la secuencia de reacciones prevaleciente a partir de la glucosa, es
decir: la vía de Embden - Meyerhof con producción de pirúvico, descarboxilación de
éste con producción de acetil CoA y oxidación total del acetil CoA a CO2 por el ciclo de
Krebs.
Desde el punto de vista energético esta vía representa una producción mucho mayor
de ATP a partir de la glucosa. Por ejemplo, la oxidación total de la molécula de glucosa
por ésta vía libera energía en cantidades suficientes para sintetizar 38 ATP que
podemos resumir de la siguiente manera:
- Fosforilación inicial de la glucosa
- Fosforilación de la fructosa 6 fosfato
- Deshidrogenación del 3 fosfo gliceraldehído (2 NADH2)
- Reacción del 1-3 de fosfo glicérico
- Reacción del fosfo enol pirúvico
- Descarboxilación del ácido pirúvico (2 NADH2)
- 1 ATP
- 1 ATP
+ 6 ATP
+ 2 ATP
+ 2 ATP
+ 6 ATP
- Oxidación de 2 acetil CoA en el ciclo de Krebs
+ 24 ATP
Total
+ 38 ATP
Si se consideran los 30,5 kJ (7,3 Kcal.) que se almacenan en cada enlace
macroenergético del ATP vemos que se obtienen 1159 kJ producto de la oxidación de
una molécula de glucosa, con una eficiencia del 42% a partir de su transformación en
C02. La reacción en general, suma de la fase endorgónica (síntesis de ATP) a la fase
exorgónica (oxidación de la glucosa), transcurre según la ecuación general:
La liberación de energía de la reacción en su conjunto desplaza el equilibrio en el
sentido de la oxidación de la glucosa. Obsérvese la diferencia en la obtención de
energía (ATP) en ambos procesos analizados, la glucólisis anaerobia y la glucólisis
aerobia.
A continuación pasamos a considerar la oxidación final del acetil CoA en el ciclo de
Krebs.
9.7 EL CICLO DE KREBS
9.7.1 Introducción:
Como paso obligado de un estudio sistemático del metabolismo celular corresponde al
análisis del destino del acetil CoA producido a partir de la descarboxilación del pirúvico
proveniente de la glucólisis; de la degradación de varios aminoácidos y de la oxidación
de los ácidos grasos.
En los animales superiores la única vía degradativa para el acetil CoA es su
incorporación al ciclo de Krebs donde es oxidado totalmente a CO 2. Este ciclo de
enorme significación dentro del metabolismo intermediario de los aminoácidos, glúcidos
y lípidos, constituye de hecho la etapa final del metabolismo oxidativo de estos tres
grupos de compuestos.
Conocido inicialmente como el ciclo del ácido cítrico y también como ciclo tricarbóxilico,
por la característica de éste ácido de poseer tres grupos carboxílicos, hoy se
acostumbra a usar el nombre de Ciclo de Krebs en homenaje al bioquímico alemán H .
A. Krebs quien en 1937, a partir de una serie de experimentos realizados en
suspensiones de músculos de paloma, integró y postuló la secuencia fundamental de la
serie de reacciones cíclicas de esta vía metabólica, a la que él denominó "ciclo del
ácido cítrico”, sentado las bases para un estudio más profundo sobre el tema.
El ciclo de Krebs no es una vía metabólica particular de los glúcidos, sino que en sí
constituye la vía oxidativa final común para los productos de la oxidación de los
aminoácidos, los glúcidos y los ácidos grasos.
Los glúcidos, lípidos y aminoácidos en sus vías catabólicas oxidativas, sufren primero
una oxidación parcial en procesos metabólicos propios y los productos de esto pasan al
ciclo de Krebs, donde son oxidados completamente a C02. Los aminoácidos originan
por desaminación oxidativa determinados cetoácidos; la degradación de la glucosa por
la glucólisis conduce a la producción de ácido pirúvico y acetil CoA, mientras que las
grasas en su vía oxidativa, conocida como beta oxidación, producen también acetil
CoA. Todos estos productos confluyen en el ciclo de Krebs, el cual es posible por la
existencia de un juego completo de enzimas ubicadas en la fracción mitocondrial de las
células del metabolismo aerobio, muy en relación con las enzimas de la cadena
respiratoria, a la que aporta material reductor para la síntesis del ATP, lo cual es su
principal objetivo.
Por otra parte aunque el ciclo como tal debe considerarse una vía catabólica, pues su
función principal es la degradación de acetil CoA a CO2, muchas de sus reacciones se
encuentran en relación con otras vías del metabolismo, en muchos casos como la vía
de síntesis, por lo que algunos autores atribuyen al ciclo un carácter dual, anfibólico.
El ciclo, en su conjunto, se desarrolla en las mitocondrias de todas las células del
metabolismo aerobio, que poseen las enzimas requeridas para catalizar las diez
reacciones principales de éste ciclo, muy en relación con la cadena de respiración a la
que aportan equivalentes de reducción (NADH2 y FADH2) para la síntesis del ATP.
9.7.2 Principales reacciones del ciclo de Krebs.
Antes de estudiar las reacciones propias del ciclo de Krebs debemos considerar el
origen del compuesto encargado de iniciar el desarrollo del ciclo, nos referimos al ácido
oxaloacético. El origen de éste ácido, en cantidades requeridas para mantener el
normal funcionamiento del ciclo, corresponde a la carboxilación del ácido pirúvico por el
pirúvico carboxilasa, enzima mitocondrial que cataliza la siguiente reacción (figura
9.12).
Ácido
Esta reacción es fundamental para mantener un adecuado flujo del ciclo pues muchos
de los intermediarios del ciclo "escapan" hacia otras vías metabólicas y, por otra parte,
la reposición del oxaloacético a partir del ácido aspártico no satisface las necesidades
del ciclo. Por ello la carboxilación del pirúvico viene a reponer los niveles de
oxaloacético adecuados. Estas reacciones que reponen los intermediarios del ciclo son
llamadas reacciones anapleróticas (de relleno) y la carboxilación del pirúvico es la
fundamental de ellas.
La pirúvico carboxilasa posee restos de lisina a los cuales se une la biotina, que actúa
fijando el CO2 con la energía producida con la hidrólisis del ATP.
En el transcurso de la reacción se forma la carboxibiotina que cede el grupo
carboxílico al pirúvico. La enzima es activada alostéricamente por los niveles de acetil
CoA.
Pasemos ahora a considerar las reacciones del ciclo.
La acetil CoA, derivada fundamentalmente de la oxidación de los carbohidratos y de los
ácidos grasos se combina con el ácido oxaloacético formando ácido cítrico lo que
constituye la primera reacción propiamente dicha del ciclo. Posteriormente el cítrico es
oxidado en una serie de reacciones que liberan CO2 y NADH2 y finalmente regenera el
oxaloacético, quedando en esencia la oxidación del acetil CoA.
La condensación del acetil CoA con el oxaloacético es catalizada por la enzima cítrico sintetasa, que efectúa el enlace entre el carbono metil del acetil CoA y el carbono
carbamilo del oxaloacético (figura 9.13).
2
Esta enzima, conocida como enzima condensante es estimulada por los niveles de
acetil CoA en inhibida por el succinil CoA que compite con el acetil CoA. También el
ATP inhibe su acción. La reacción es fuertemente exorgónica, por lo que se asegura su
realización a partir de la energía del enlace acil - mercapto.
El ácido cítrico es convertido en ácido isocítrico por medio de la enzima aconitasa que
precisa de la cisteína o glutatión reducido para su acción. La reacción ocurre en dos
pasos: deshidratación a cis - aconítico e hidratación a isocítrico. (Figura 9.14). La
reacción es inhibida por el fluoracetato que produce la acumulación del ácido cítrico.
OH
El ácido isocítrico se transforma por medio de la enzima isocítrico deshidrogenasa en
ácido oxalosuccínico. Esta enzima es NAD dependiente y se encuentra también en las
mitocondrias (hay dos isoenzimas más que dependen especialmente del NADP).
Inmediatamente el oxalosuccínico se transforma en cetoglutárico por descarboxilación
espontanea. Se plantea que la misma enzima cataliza todo el proceso y que son
necesarios los iones de magnesio para esta segunda reacción, que también se activa
por el ADP, que actúa como un activador alostérico mientras que el ATP es un
modulador alostérico negativo.
La reacción en total transcurre en una gran descenso del nivel energético (- delta G)
debido a la perdida del grupo carboxílico según observamos en la figura 9.15.
El ácido cetoglutárico es descarboxilado oxidativamente, de forma similar al pirúvico,
por el complejo enzimático de la cetoglutárico deshidrogenasa que requiere de B1, ácido
lipóico, coenzima A, FAD y NAD. El resultado de ésta reacción es la formación del
succinil CoA. La reacción es irreversible y es inhibida por el arsénico.
En la continuación del ciclo, el succinil CoA que posee un enlace macro energético se
convierte en un ácido succínico por medio de la succinil tiocinasa liberando su
energía para la formación de un ATP.
La reacción requiere al GDP como compuesto intermedio (figura 9.16). Una reacción
alternativa en los tejidos extrahepáticos es la conversión del succinil CoA en
succínico, acoplada a la transformación del aceto acético (cuerpo cetónico) en aceto
acetil CoA
Posteriormente el ácido succínico, por medio de la enzima succinil deshidrogenada
acoplada al FAD, produce el ácido fumárico. Este por hidratación produce el ácido
málico. La reacción de la succinil deshidrogenasa es inhibida competitivamente por el
ácido malónico.
Finalmente con la deshidrogenación del ácido málico por la málico deshidrogena,
NAD dependiente se regenera el ácido oxaloacético, cerrándose el ciclo (figura 9.17).
Málico
Fumarasa
2
málico
Desarrollado el ciclo, reacción por reacción, pasemos a realizar un balance general
del mismo. El ciclo se inició a partir de la incorporación de una molécula de acetil CoA
al ácido oxaloacético y finalmente en la última reacción se ha obtenido de nuevo éste
ácido, por tanto, se puede inferir que en cada vuelta del ciclo se degrada una
molécula de acetil CoA. Veamos una vista general del ciclo en la figura 9.18 donde
sólo hemos colocado los elementos principales.
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
La oxidación del radical acetil dentro del ciclo de Krebs a dos moléculas de C0 2,
contribuye a la formación del ATP de una manera destacada. Si analizamos los
diferentes pasos del ciclo podemos establecer el siguiente balance energético del
mismo, teniendo en cuenta la producción de NADH 2 que en la cadena respiratoria
libera la energía requerida para la síntesis de 3 ATP y del FAD2 que produce dos ATP.
En resumen tenemos:
Deshidrogenación del isocítrico
3 ATP
Descarboxi¡ación
oxidativa del cetoglutárico
il
3 ATP
Etapa del succinil CoA a succínico
1 ATP
Deshidrogenación del succínico
2 ATP
Deshidrogenación del málico
3 ATP
Total
12 ATP
A modo de referencia y para destacar la eficiencia del ciclo recordemos que una
molécula de glucosa, que produce 38 ATP por la vía oxidativa, era capaz de liberar dos
acetil CoA los que producían 24 ATP. Quiere esto decir que aproximadamente el 66%
de la energía química útil, en forma de ATP, producida por la glucosa, se libera por
reacciones que tienen lugar a nivel del ciclo de Krebs, según vemos en la tabla 9.1.
9.7.3 Significación del ciclo de Krebs
El primer hecho de importancia a señalar es la propia existencia del ciclo, donde al
conjugarse los productos finales de los glúcidos, lípidos y aminoácidos, se produce un
mayor aprovechamiento de los mismos. La existencia de vías distintas para cada uno
de estos provocaría una mayor complejidad y menor eficiencia del organismo.
Igualmente, es de mencionar la gran cantidad de energía que aporta el ciclo, el sistema
del ciclo tricarbóxilico es uno de los principales suministradores de material reducido a
la cadena respiratoria para la síntesis de ATP.
También, varios compuestos del ciclo se utilizan como material para la síntesis de
nuevas sustancias. Por ejemplo, a partir de los ácidos oxaloacético y cetoglutárico se
originan por transaminación, los aminoácidos ácido aspártico y ácido glutámico
respectivamente, que están muy relacionados con el ciclo de la urea.
Así mismo, para la síntesis del anillo porfirínico hace falta el succinil CoA. La utilización
de los componentes del ciclo para estas reacciones permite sintetizar muchos
productos de gran utilidad para el organismo.
-1
F
De especial significación es la utilización del oxaloacético para la síntesis de la glucosa
(gluconeogénesis) la cual se realiza a partir del ácido láctico, el ácido pirúvico y varios
aminoácidos que deben originar como etapa intermedia ácido oxaloacético de forma
que el componente central del ciclo se ve muy relacionado con la formación de la
glucosa en el organismo, por lo cual es posible señalar que todos los compuestos que
originan oxaloacético pueden finalmente originar glucosa y glucógeno; por eso se
designan con el nombre de glucogenéticos. En la figura 9.9 pueden verse estas
relaciones. De forma que el oxaloacético sería el principal elemento gluconeogenético.
Es necesario señalar que la acetil C o A no puede aportar glucosa por esta vía, ni por
otra vía en los animales superiores, aunque su interpretación es algo difusa. En efecto,
si se aplica acetil CoA marcada con isótopo, éste aparece al poco tiempo en la glucosa,
lo que se explica por el hecho de que aunque se pierden dos moléculas de CO2 en
cada vuelta del ciclo, estas no se derivan de la parte correspondiente a acetil C o A ,
sino a la del oxaloacético, pues la oxidación comienza por la parte correspondiente a
este ácido dentro de la molécula del ácido cítrico. Sin embargo, al completarse la
vuelta, se regenera oxaloacético, ahora marcado, y en la segunda vuelta, como la
deshidrogenasa succínica no "distingue" entre los dos grupos carboxílicos del
succínico, aparecen los átomos del oxaloacético marcados. A l ocurrir la
gluconeogénesis, las marcas del oxaloacético van a pasar a la glucosa y al glucógeno.
Hay que señalar que no puede haber conversión del acetil C o A en oxaloacético por
vía del ciclo, pues se necesita una molécula de oxaloacético para que se condense con
el acetil CoA y sólo una molécula de oxaloacético es regenerada.
Por razones similares no puede haber conversión neta de ácidos grasos (forman acetil
CoA) en glucosa.
Es de destacar también la relación del ciclo con el nivel de cuerpos cetónicos. Producto
de la oxidación de los ácidos grasos se producen residuos de ácido beta hidroxibutírico
y beta cetobutírico. Estos compuestos tienen carácter cetónico y pueden originar
acetona.
Normalmente estos compuestos presentan un nivel fisiológico producto del equilibrio
que mantienen con el acetil CoA, que es oxidado en el ciclo. Cuando el aporte de
glúcidos es deficiente, no existen los niveles adecuados de oxaloacético para mantener
el correcto funcionamiento del ciclo, por tanto, no se oxida el acetil CoA, lo cual provoca
aumento en la sangre de los cuerpos cetónicos y se produce la cetosis. Tal es el caso
que se produce en la cetosis bovina y en la diabetes mellitus aunque por causa
diferente.
Por último señalaremos que el ciclo de Krebs, al igual que todas las vías metabólicas
del organismo, están perfectamente reguladas e interrelacionadas entre si. Hemos
señalado algunos factores que estimulan o no a algunas enzimas del ciclo
destacándose dentro de ellas la isocítrico deshidrogenara, enzima alostérica inhibida
por el ATP y estimulada por el AMP y el ADP.
También a nivel de la cetoglutárico deshidrogenasa, por el carácter irreversible que
tiene dicha reacción se produce un efecto regulador.
Posteriormente al analizar las diferentes vías metabólicas en su conjunto tendremos
oportunidad de abordar este aspecto otra vez y más ampliamente.
9.8 GLUCONEOGÉNESIS
Algunas células de los animales superiores tienen la capacidad de transformar
productos del metabolismo que no tienen carácter de glúcidos como tales en glucosa y
posteriormente en glucógeno. Este proceso recibe el nombre de gluconeogénesis, lo
que significa una nueva fuente de glucógeno. Los principales compuestos de carácter
no glúcido que pueden originar glucosa en el organismo animal son el ácido láctico; los
cetoácidos de los aminoácidos glucogenéticos y el glicerol. Todos ellos reciben el
nombre de compuestos gluconeogenéticos. El principal compuesto gluconeogenético
es el ácido láctico. Recordemos la gran cantidad de ácido láctico que se produce por la
vía de la glucólisis anaerobia, el cual solo tiene la vía de transformarse de nuevo en
glucosa, con lo que se recuperan los niveles de glucógeno hepático. La contracción
muscular requiere el suministro de grandes cantidades de glucosa, al mismo tiempo, el
hígado debe enviar glucosa a otros tejidos constantemente lo que necesariamente
provoca la disminución del glucógeno hepático. Por otra parte el suministro de glucosa
externa muchas veces no sigue una periodicidad acorde con estas necesidades; es por
ello que la vía de la gluconeogénesis viene a complementar, en muchos casos el
aporte de glucosa al hígado.
En algunos animales como en el caso del rumiante, esta vía ha alcanzado gran
desarrollo producto de las condiciones fisiológicas que prevalecen en el rumen de éste
animal y que serán analizadas en el capítulo correspondiente a la bioquímica del
rumen.
El desarrollo de la vía de la gluconeogénesis implica una serie de reacciones similares
a la vía de la glucólisis y además algunas reacciones propias del ciclo de Krebs. Todos
los compuestos gluconeogenéticos, en su ruta propia para formar glucosa pasan
obligatoriamente por el ácido oxaloacético. Para la mayoría de los aminoácidos
gluconeogenéticos la conexión con varios intermediarios del ciclo de Krebs es evidente
y será estudiada en el caso particular de cada aminoácido. Para el compuesto
gluconeogenético por excelencia: el ácido láctico su vía particular requiere la
conversión en ácido pirúvico y la transformación del mismo en oxaloacético.
La vía de la gluconeogénesis puede considerarse en muchas de sus reacciones como
una inversión de la glucólisis, sin embargo, debemos destacar que la vía de Embden Meyerhof tienen dos reacciones que son irreversibles desde el punto de vista
energético, nos referimos a la transformación del fosfoenol pirúvico en pirúvico y la
transformación de la fructosa - 6 - fosfato en fructosa 1-6 difosfato. Estas dos barreras
energéticas presentes en estas dos reacciones irreversibles son resueltas por las
células capaces de desarrollar la vía de la gluconeogénesis de la siguiente manera.
El paso del pirúvico a fosfoenol pirúvico requiere de dos enzimas claves; la pirúvico
carboxilasa y la fosfo enolpirúvico carboxicinasa. Para vencer esta barrera energética el
pirúvico penetra en las mitocondrias donde es carboxilado a oxaloacético;
posteriormente este ácido es transformado por acción de la málico deshidrogenasa
intramitocondrial en ácido málico abandonado éste el espacio intramitocondrial. Una
vez en el citoplasma el ácido málico es transformado de nuevo en oxaloacético y éste
último rinde fosfoenol pirúvico por la enzima fosfoenol pirúvico carboxicinasa que
requiere GTP como donador de fosfato macroenergético.
Esta secuencia de reacciones aparece reflejada en la figura 9.20.
La vía de la glucólisis es reversible posteriormente, hasta la fructosa 1-6 fosfato, donde
se requiere de otra enzima particular para transformar la fructosa 1-6 difosfato en
fructosa 6 fosfato. Nos referimos a la fructosa 1-6 difosfatasa. El destino posterior de la
glucosa 6 fosfato depende de las necesidades de cada órgano pudiendo la misma ser
liberada como glucosa por acción de la glucosa 6 fosfatasa o en glucógeno por acción
de la glucógeno sintetasa.
Desde el punto de vista energético la conversión de dos moléculas de ácido láctico en
glucosa requiere de 6 enlaces macro energéticos del ATP. Recuérdese que la glucólisis
anaerobia liberaba sólo dos ATP, por ello la gluconeogénesis se hace posible
energéticamente, lo que además, significa un gasto de energía considerable de la
célula, sin embargo, el valor metabólico de la recuperación de la glucosa compensa
con creces este gasto de energía.
Por la vía de la gluconeogénesis se recuperan los niveles de glucosa del organismo y
en muchos casos se suplen las necesidades de la misma a partir de otra sustancia que
no tiene carácter de glúcidos. Por otra parte, muchas células requieren del aporte
exclusivo de glucosa, como en el caso de los eritrocitos, y otras del aporte permanente
de la misma como ocurre en la neurona, con lo que la gluconeogénesis viene a cubrir
estas necesidades cuando el aporte de glucosa exógena no es suficiente.
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
9.9 VIA OXIDATIVA COLATERAL DE LA GLUCOSA
Esta vía metabólica de los glúcidos ha recibido distintos nombres entre otros: Escape,
vía o ciclo de la hexosa mono fosfato, vía colateral de oxidación de la glucosa y ciclo de
Warburg - Dickens - Lipmann. Esta vía contribuye, en esencia, una posibilidad extra de
muchas células para degradar la glucosa y no constituye una vía principal de oxidación
de la glucosa. La vía de la hexosa mono fosfato es activa en muchas células con
funciones especiales. En el organismo animal esta vía se desarrolla en especial en el
hígado, en la glándula mamaria en producción y en la corteza suprarrenal. El tejido
adiposo puede desarrollar también ésta vía, así como los testículos y el ovario.
Esta vía tiene varios aspectos que determinan su significación e importancia en el
metabolismo. En primer lugar por esta vía se producen grandes cantidades de NADPH2
(reducido) requerido para la síntesis de ácidos grasos, el colesterol y las hormonas
esteroides. En segundo lugar se producen cantidades apreciables de ribosa 5 fosfato,
que como vimos era requerida para la síntesis de los nucleótidos, componentes de los
ácidos nucleicos y por último, por esta vía se incluyen en el metabolismo de las
hexosas varias triosas, tetrosas y pentosas ingeridas con los alimentos.
Es el caso particular de las plantas, esta vía, con algunas modificaciones es la
forma de incorporar el CO 2 a la fotosíntesis de la glucosa.
Pasemos ahora a considerar su desarrollo propiamente dicho. Didácticamente este
proceso lo podemos dividir en dos fases: una primera fase de tipo oxidativo donde la
glucosa es transformada en pentosas y una segunda fase, no oxidativa donde a
través de reacciones de equilibrio las pentosas son convertidas de nuevo en glucosa
pasando por triosas, tetrosas y heptosas.
La primera fase de esta vía, de tipo oxidativo ha quedado desarrollada en la figura
9.22.
Según podemos observar la vía de HMP se inicia a partir de la glucosa 6 fosfato, la
cual es deshidrogenada por la enzima glucosa 6 fosfato deshidrogenasa que actúa
con el NADP como coenzima. Esta enzima determina que muchas células que la
posean puedan desarrollar esta vía y además, tiene importancia diagnóstica.
Continúa la hidrólisis del enlace cíclico por medio de la fosfo gluconolactona hidratasa
con producción del fosfo glucónico.
Este compuesto es deshidrogenado en el carbono 3 por la enzima 6 fosfo glucónico
deshidrogenasa que requiere NADP también como coenzima seguida de la
descarboxilación del grupo carboxílico, reacción catalizada por la misma enzima,
rindiendo ribulosa 5 fosfato, CO2 y NADPH2.
Con esto termina la primera fase que podemos resumir de la siguiente manera:
El NADPH2 es usado para la síntesis de las grasas o, de ser necesario, puede usarse
para la formación del ATP por la vía de la cadena respiratoria, y la ribulosa 5 fosfato,
por medio de una isomerasa, es convertida en ribosa 5 fosfato requerida para la
síntesis de los ácidos nucleicos.
En lo que hemos considerado una segunda fase de esta vía, la ribulosa 5 fosfato puede
ser convertida en xilulosa 5 fosfato por acción de una epimerasa, formándose las tres
pentosas que también dan nombre a este ciclo. La ribosa 5 fosfato, la ribulosa 5 fosfato
y la xilulosa 5 fosfato. Estas tres pentosas inician la continuación (figura 9.23) una serie
de reacciones donde están presentes dos enzimas fundamentales: la transcetolasa y la
transaldalasa, que conduce finalmente a la formación de la glucosa de nuevo.
La transcetolasa, que requiere de la B6 y Mg, cataliza la transferencia de una función
cetónica de la xilulosa 5 fosfato a la ribosa 5 fosfato, formando la heptulosa 7 fosfato y
el 3 fosfogliceraldehido. Sobre estos productos actúa las transaldolasa formando la
fructosa 6 fosfato y la treosa 4 fosfato. A partir de la xilulosa 5 fosfato y la tetrosa 4
fosfato por acción de la transcetolasa se forma la fructosa 6 fosfato y el gliceraldehído 3
fosfato. Dos de estos gliceraldehído 3 fosfato pueden originar una hexosa
concluyéndose esta vía.
La vía en su conjunto es irreversible a partir de la descarboxilación del fosfoglucónico 6
fosfato.
Si quisiéramos establecer el balance energético de esta vía según la ecuación general,
sería
En resumen, la oxidación de una molécula de glucosa, seria suficiente para sintetizar
36 ATP por la vía de la cadena respiratoria, lo que hace a esta vía equivalente a la
glucólisis aerobia, desde el punto de vista energético. Por otra parte es de señalar que
si bien en sus reacciones finales se usan algunas enzimas de la glucólisis en general
esta vía es independiente del sistema de la glucólisis y el ácido tricarbóxilico lo que le
da mayor significación
9.10 REGULACION DEL METABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS
Como es lógico suponer el metabolismo de los glúcidos, al igual que todos los
elementos del metabolismo, esta perfectamente regulado y controlado, según el órgano
en cuestión y atendiendo a las necesidades generales del organismo.
Al analizar las diferentes reacciones en particular de las distintas vías metabólicas de
los glúcidos hemos referido en cada caso que así ha sido necesario los factores que
intervienen en la regulación del proceso destacando por un lado, la regulación
alostérica y por el otro los mecanismos de activación e inactivación de las llamadas
enzimas claves Los mecanismos alostéricos son factores reguladores del propio
sistema analizado, pues depende de la concentración de los sustratos de las propias
vías y en su conjunto constituyen factores que limitan o aceleran una vía determinada
Por otra parte los mecanismos de activación e inactivación de las enzimas dependen
de sistemas que se localizan en el exterior de las propias vías generalmente
dependientes del AMP cíclico y otros nucleótidos cíclicos (GMP cíclico) que a su vez
depende del nivel hormonal
Varias son las hormonas que ejercen un efecto directo sobre los metabolismos de los
glúcidos, entre otras citamos los glucorticoides, la adrenalina, el glucagón, la STH, la
TSH y la insulina Los efectos particulares de estas hormonas sobre el metabolismo de
los glúcidos serán analizados al estudiar el capitulo correspondiente al metabolismo
hormonal, pues muchas de sus acciones tienen relación con otros productos, sobre
todo los lípidos
Destaca por su importancia la regulación del nivel de la glucosa sanguínea (glicemia) el
cual depende del aporte de glucosa a la sangre a partir de la glucogenólisis hepática y
de la utilización de la glucosa por los tejidos hepáticos El mecanismo de control de la
glicemia depende de un conjunto de factores y del acción directa de varias hormonas El
glucagón, hormona hiperglicemiante del páncreas, es el responsable en primer lugar
del mantenimiento de la glicemia, otras hormonas tienen por diferentes vías algún
efecto hiperglicemiante, entre ellas, la STH, los glucorticoides y la adrenalina. Por otro
lado la insulina presenta un marcado efecto hipoglicemiante al permitir la utilización de
la glucosa por los tejidos. El efecto directo sobre el glucógeno hepático, la absorción de
los glúcidos, la estimulación de algunas vías propias de glúcidos u otras acciones serán
consideradas en el aspecto correspondiente al metabolismo general