Metabolismo celular (II)

Metabolismo de glúcidos

1.- Introducción.-

El metabolismo de los glúcidos está formado, como el de los demás principios inmediatos, por rutas catabólicas y anabólicas, conectadas por las rutas centrales (“anfibólicas”) de orden y simplicidad muy notables.

Con fines didácticos es conveniente echar una ojeada al conjunto de lo que se trata de exponer. Lo haremos observando el “plano” siguiente que podremos utilizar, además, como guía en el caso de que perdidos en la maraña de rutas metabólicas, tengamos necesidad de encontrar la “posición”.

2.- Catabolismo de glúcidos.-

Los catabolismos son procesos de oxidación (dan electrones y producen energía). La liberación de la energía es escalonada y resultado de una serie de reacciones enzimáticas que acumulan la energía que se desprende de ellas en forma de ATP. Los electrones liberados en los procesos de oxidación son recogidos por coenzimas como el NAD, el NADP y el FAD, que deben ser reoxidados y terminan entregándolos en “aceptores finales”.

Las rutas catabólicas de los glúcidos pueden ser resumidas en dos:

A) La respiración. Se trata de una oxidación completa de los hidratos de carbono. Este proceso exige de una vía inicial (“glucolisis” o alguna de sus vías alternativas) en la que el glúcido se oxida parcialmente, y dos vías finales que son el “ciclo de Krebs” y la “cadena respiratoria”. En el ciclo de Krebs, se concluye la oxidación completa de los productos de la vía inicial. Esto oxidación completa genera coenzimas reducidos que deben ser reoxidados en la cadena respiratoria. En esa reoxidación se rinde una gran cantidad de energía en forma de ATP1. Al final los electrones procedentes de la oxidación han e ir a parar a una molécula aceptora final. Si esa molécula es el O2 (que se reduce a H2O), se trata de una respiración aerobia. En el caso que el aceptor final sea una molécula distinta del O2, se trataría de una respiración anaerobia.

B) La fermentación. En esta vía los glúcidos son oxidados parcialmente durante la glucolisis2 y dan lugar a sustancias que todavía tienen energía. Los pocos coenzimas reducidos que se producen deben ser reoxidados. Los aceptores de de los electrones, en este caso, son moléculas orgánicas, normalmente derivadas de los productos de la glucolisis. Se trata de una oxidación incompleta que, lógicamente, rinde una mucha menor cantidad de ATP que la vía respiratoria.

El catabolismo respiratorio exige pasar por el ciclo de Krebs y reoxidar los coenzimas en la cadena respiratoria3. Sin embargo las fermentaciones se diferencian normalmente sólo por el tramo final4.

2.1.- Entrada de los glúcidos a la vía glucolítica .-

Los polisacáridos de reserva más importantes son el almidón y el glucógeno. El primero es típico del mundo vegetal; el segundo es exclusivo de los animales5.

El almidón es un polisacárido formado por “amilosa” (cuyo sillar básico es la maltosa) y “amilopectina”6 . La hidrólisis del almidón da lugar, inicialmente a dos disacáridos: la maltosa y la isomaltosa. El glucógeno, esta mucho más ramificado que la amilopectina y, por tanto, su hidrólisis produce, inicialmente, maltosa y una gran cantidad

1 Proceso llamado “fosforilación oxidativa”2 O alguna de sus vías alternativas3 Por ello se dice que todas las respiraciones (no sólo las de los glúcidos) son procesos de “tramo final común”4 Se dice que son procesos de “tramo inicial común” (aunque no siempre es así, como veremos)5 Aunque, como sabemos, los animales utilizan preferentemente como moléculas de reserva los triglicéridos 6 Que está muy ramificada mediante enlaces 1-6 (ver tema de glúcidos)

de isomaltosa. La hidrólisis de estos dos polisacáridos es distinta según se trate de una digestión o de una movilización intracelular.

En la digestión los enzimas más importantes son las “amilasas”. La α-amilasa, presente en la saliva y en el jugo pancreático, actúa inicialmente rompiendo la cadena del polisacárido en oligosacáridos, y posteriormente en maltosa e isomaltosa. Estos disacáridos son posteriormente desdoblados a glucosa por la “maltasa”.

La celulosa sólo puede ser digerida con la colaboración de flora intestinal específica que contenga “celulasa”7.

La movilización intracelular esta catalizada por “fosforilasas” que atacan a la cadena por el extremo no reductor liberando glucosa-1P. Las ramificaciones son hidrolizadas por un enzima específico (la α-1,6-glucosidasa). La glucosa-1P se convierte en glucosa-6P por acción de la “fosfoglucomutasa”.

Otro glúcido que tiene importancia como suministrador de monosacáridos a la vía glucolítica es la sacarosa. Este disacárido se hidroliza gracias a la “sacarasa” y da glucosa y fructosa

2.2.- La glucolisis.-

La fase II del catabolismo de los glúcidos exige que los monosacáridos (esencialmente la glucosa) sean transformados en ácido pirúvico. La glucolisis es la ruta por la que transcurre el catabolismo de la glucosa en la mayor parte de las células. Se le conoce también con el nombre de Ruta de Embden-Meyerhof-Parnas quienes con Warburg y los Gori figuran entre los que más aportaciones hicieron en este campo8.

Está constituida por una secuencia de reacciones, localizadas en el hialoplasma, que convierten a este azúcar en dos moléculas de ácido pirúvico.

La secuencia metabólica que constituye la glucolisis es la siguiente:

Es notable la etapa en la que la fructosa-1,6-diP por medio de una aldolasa da lugar a dos moléculas de tres átomos de carbono: la dihidoxicetona-P y el gliceraldehido-3P. Estas dos

7 Como ocurre con los animales herbívoros 8 Debe quedar claro que el esquema se estableció, en principio, para explicar la fermentación alcohólica

moléculas están en equilibrio dinámico gracias a una isomerasa; pero el sustrato de la siguiente reacción es el gliceraldehido-3P9.

Obsérvese también cómo en la siguiente etapa (la 5ª reacción) se produce una “oxidación a nivel del sustrato” por lo que, como consecuencia, se reducirá el NAD a NADH2.

La reacción número 6 transcurre con una “fosforilación a nivel del sustrato”, y se da lugar, consiguientemente, a una molécula de ATP. La segunda de estas fosforilaciones se da en la última reacción” al transformarse el ácido 2-fosfoenolpirúvico en ácido pirúvico.

La glucolisis se salda10 con la formación de 2 moléculas de ácido pirúvico, 2 ATP y, además, 2 NADH2. Éstas últimas han de “reoxidarse”11

El ácido pirúvico puede tener destinos alternativos, pero es destacable que es en este momento donde se produce la… ¡separación de las vías fermentativa y respiratoria!

2.2.1.- Vías alternativas a la glucolisis.-

Hagamos un alto en nuestro desbocado camino por las vías principales. Paremos un momento, porque… de igual manera que todos los caminos llevan a Roma también hay otros caminos que llevan al ácido pirúvico… Es decir, con ser la más importante, ¡¡¡la glucolisis no es la única vía para el catabolismo de las hexosas!!!

Una de estas vías alternativas y quizá la más importante de ellas12 es la vía de las pentosa fosfato, (llamada también de otras formas como vía del fosfogluconato, desviación del monofosfato de hexosa). Esta vía hace posible la interconversión reversible entre monosacáridos de 3,4,5,6 y 7 átomos de carbono13.

Otra vía alternativa de mucha menor importancia es la de Entner-Doudoroff que se encontró solamente en la bacteria Pseudomonas.

Por fin una vía que merezca quizá mayor atención es la llamada Ruta del glucuronato en la una de los metabolitos es el ácido ascórbico (vitamina C)

2.3.- Vías fermentativas o fermentaciones .- -

En las fermentaciones es el propio ácido pirúvico, o una molécula de él derivada, quien acepta los electrones acumulados en el NADH2, y se reduce en las etapas finales. Según el resultado final hay dos tipos de fermentaciones: las homofermentaciones y las heterofermentaciones.

Las homofermentaciones se caracterizan porque finalmente sólo se produce una sustancia como resultado de la vía metabólica. Hay varias homofermentaciones, pero entre 9 ¡¡¡Por esta razón los metabolitos de la glucolisis deben multiplicarse por dos!!!

10 Para “echar cuentas” téngase en cuenta la nota 9 y que al principio se gastan 2 ATP

11 Sígueles la pista

12 Y que ya la conoces, aunque… no caigas ahora mismo: Está relacionada con el “ciclo de Calvin” de la fase oscura de la fotosíntesis.

13¿ Qué dirías si, en un examen, te pidieran que comentaras la importancia de esta vía?

las más importantes se encuentran la “homoláctica” y la “alcohólica”. La fermentación homoláctica da como resultado final ácido láctico según la vía siguiente.

Esta fermentación es llevada a cabo por muchas bacterias y por algunas células eucarióticas. Esta es la fermentación que ocurre en las células musculares humanas cuando tienen “bloqueada” la vía respiratoria14. Existen microorganismos que llevan a cabo homofermentaciones peculiares, dando como resultado final ácido acético, acetona, ácido butírico o propiónico.

De forma similar la fermentación alcohólica produce alcohol etílico

Las heterofermentaciones dan un resultado mixto, es decir, al final se produce una mezcla de distintas sustancias, como por ejemplo ácido láctico y alcohol etílico15. En ocasiones, el resultado final de las heterofermentaciones es una compleja mezcla de sustancias poco habituales. Para explicar este resultado deberá tenerse en cuenta que además de la glucolisis hay otras vías alternativas.

Las fermentaciones son una de las bases de la industria farmacéutica y, sobre todo, de la industria alimentaria16

14 Las “agujetas” se explican porque el ácido láctico, resultado de esta fermentación, cristaliza en los músculos 15 Otras fermentaciones dan ácido fórmico, H2 y CO2,otras producen ácido acético y butírico, etc.16 Los quesos y demás derivados lácteos, los embutidos crudos y cocidos, los encurtidos, las bebidas alcohólicas de todo tipo, etc. son consecuencia de fermentaciones bacterianas o productos derivados de la actividad fermentativa de levaduras.

2.4.- El ciclo de Krebs.-

El ciclo de Krebs, llamado también de los ácidos tricarboxílicos o del ácido cítrico, constituye la fase III del catabolismo de los glúcidos y el destino final del ácido pirúvico, cuando sigue la vía de las respiraciones17. En realidad, y como veremos en otros temas, el ciclo de Krebs es el tramo final de todas las respiraciones, ya sean de los glúcidos o de otros principios inmediatos.

Como ya se ha dicho, en esta vía se produce la oxidación completa del ácido pirúvico que procede de la glucolisis o de sus alternativas. Los electrones, procedentes de esta oxidación, reducen diversos coenzimas que, finalmente, son reoxidados en la “cadena respiratoria” o “cadena de transporte electrónico”, donde rinden ATP. Tanto el ciclo de Krebs como la cadena respiratoria tienen lugar en las mitocondrias: Los enzimas que permiten, el ciclo en las células eucarióticas18, se encuentran en la matriz mitocondrial, los transportadores de la cadena se encuentran en la membrana interna de la misma.

Antes de entrar en el ciclo, el ácido pirúvico es descarboxilado y oxidado a ácido acético en forma de Acetil-CoA19. Es ésta una reacción compleja, catalizada por la piruvatoquinasa, que se acompaña de un descenso de energía tan importante que la hace prácticamente irreversible.

El ciclo se puede esquematizar así:

Aunque en la figura no aparece, en la transformación de succinil-CoA en ác. succínico se produce la síntesis de una molécula de GTP, que es energéticamente hablando, equivalente a una molécula de ATP.

2.4.1.- El ciclo de Krebs como ruta anfibólica.-

17 Identifica el “camino” en el plano inicial. Además, observa que se cita las respiraciones, en plural18 En las procarióticas, los enzimas se encuentran ligados a los mesosomas. 19 Al tiempo, se produce la reducción de un NAD a NADH2. En las figuras aparece el NAH2 como NADH+H

El ciclo de Krebs no solo actúa en el catabolismo. Como ruta anfibólica, interviene en la formación de precursores para rutas anabólica: así el α-cetoglutárico, el succínico y el oxalacético pueden separarse del ciclo para ser precursores de aminoácidos. Muchas de estas reacciones son reversibles por lo que constituyen rutas por las que se pueden formar metabolitos del ciclo a partir de aminoácidos. Los mecanismos enzimáticos mediante los cuales se reponen los intermediarios del ciclo se llaman “rutas anapleróticas”. La más importante es la carboxilación del pirúvico para formar oxalacético; la descarboxilación oxidativa del málico para dar pirúvico y la carboxilación del fosfoenolpirúvico para dar oxalacético.

En microorganismo y plantas tiene lugar una reacción anaplerótica que supone la modificación del ciclo de Krebs. Es el Ciclo del Glioxilato. Este ciclo se da cuando el acético tiene que servir de fuente de energía y,

además, como fuente de intermediarios para la síntesis de esqueletos carbonados de los componentes celulares. Este “desvío” del ciclo tiene lugar en los glioxisomas. En cada vuelta del ciclo se incorporan dos acetil-CoA, se forma una molécula de succínico que se emplea para la síntesis y se obtiene NADH2 que es reoxidado en la cadena transportadora donde dará ATP. El ciclo no tiene lugar en animales superiores porque nunca se ven obligados a sobrevivir de manera exclusiva con moléculas de dos átomos de C. Sin embargo desempeña un papel muy importante en las semillas de las plantas superiores que pueden así convertir los restos de acilo derivados de los ácidos grasos en carbohidratos a través del succínico.

2.5.- Cadena respiratoria (o cadena de transporte electrónico).-

Durante la glucolisis y el ciclo de Krebs hemos visto cómo se produce la degradación de la glucosa hasta el CO2; aparecen además como balance neto 2 ATP y 2 NADH2 durante la glucolisis, y 2 GTP, 6 NADH2, 2 NADPH2 y 2 FADH2 en el ciclo de Krebs. Los dos ATP de la glucolisis y los 2 GTP del ciclo se han producido por una “fosforilación a nivel del sustrato”. Los coenzimas reducidos van a ser reoxidados en la cadena de transporte electrónico. A esta cadena está acoplada la fosforilación oxidativa; por lo tanto la reoxidación de los coenzimas rendirá ATP.

La “cadena” está formada por una serie de transportadores electrónicos situados en la membrana interna de las mitocondrias. Estos transportadores son capaces de transferir electrones desde los coenzimas reducidos hasta el O2 (respiración aerobia) o hasta otro receptor distinto del oxígeno (respiración anaerobia).

La cadena está formada por tres tipos de enzimas de oxido-reducción: a) Deshidrogenasas que requieren NAD o NADP, b) Deshidrogenasas que requieren FAD y c) Citocromos que contienen un núcleo ferroporfirínico. Estos enzimas están organizados según sus potenciales redox de más a menos negativos.

En su viaje, por estos transportadores, hasta llegar a O2 para convertirse en H2O, se rinde ATP. Cada NADH2 y NADPH2 rinde 3ATP; cada FADH2 rinde 2 ATP.

Es obligado preguntarse por cómo la transferencia de electrones por la cadena se acopla a la síntesis e ATP. Hace tiempo se postuló un “acoplamiento químico” que después de 30 años sigue teniendo dificultades insuperables20 .

Estas dificultades han llevado a proponer la hipótesis quimiosmótica de Mitchel. En esta hipótesis la membrana interna de la mitocondria juega un papel crucial ya que separa dos regiones entre las que se establece un gradiente de protones21.

En la membrana de interna de las mitocondrias se encuentran los transportadores y en una disposición insuficientemente conocida. Por estos transportadores son conducidos los electrones, procedentes de los coenzimas reducidos, desde la cara interna a la cara que da al espacio intermembranoso; posteriormente vuelven a la cara interna y nuevamente a la externa; al final regresan a la cara interna para acabar en el O2 que se transforma en H2O, en caso de la “respiración aerobia”; en el caso de la “respiración anaerobia” el aceptor de los electrones es otra sustancia inorgánica capaz de reducirse. Cada vez que el electrón se asoma al espacio

intermembranoso saca un protón y, de esta manera, el espacio intermembrabna se va cargando de protones y por lo tanto se crea una diferencia de potencial a ambos lados de la membrana interna. La entrada de los H+ por las partículas F1, a favor de la diferencia de potencial, se traduce en una energía protonmotriz que se aprovecha para sintetizar ATP.

Por cada NADH2 o NADPH2 se sintetizan 3 ATP y de cada FADH2 se sintetizan 2 ATP. Si se “echan cuentas”, por cada molécula de glucosa que se respira se obtienen 38 moléculas de ATP.

3.- Anabolismo de glúcidos.-

Al pasar del catabolismo al anabolismo se hace necesario advertir que la vía química seguida en la síntesis de una biomolécula no suele consistir en la mera inversión de la vía seguida en su degradación, aunque ambos caminos comprendan varias reacciones notablemente reversibles. Sin embargo siempre existe un eslabón enzimático que es distinto en la vía anabólica y en a catabólica.

Un segundo principio que conviene recodar es que las vías anabólicas y catabólicas son independientes, aunque están relacionadas por intermediarios y muy notablemente por el ATP; de esta manera los procesos anabólicos que requieren energía están acoplados a la rotura del ATP que procede de las vías oxidativas.

20 Dos son las dificultades. Por una parte, no ha sido posible aislar los intermediarios que precisa el modelo; y por otra, la síntesis de ATP sólo se produce con las membranas de la mitocondria razonablemente intactas21 De forma parecida a como se establecía el gradiente de protones en la fotofosforilación. Deberías echarle un vistazo para ver qué diferencias existen entre la fosforilación oxidativa y la fotofosforilación

Y, por fin, conviene advertir que la regulación de las vías anabólicas es distinta de la regulación de las catabólicas.

En este apartado de la biosíntesis de glúcidos vamos a estudiar como el glucógeno, el almidón y otros polisacáridos se originan a partir de precursores sencillos. El proceso transcurre en dos fases: La gluconeogénesis y la glucogenogénesis.

3.1.- La Gluconeogénesis.-

La biosíntesis de glucosa y otros carbohidratos monoméricos es el proceso biosintético más notable que ocurre en la biosfera desde el punto de vista cuantitativo. En el dominio de los fotosintéticos se producen enormes cantidades de hexosas, almidón, celulosa y otros polisacáridos a partir de de CO2 y H2O 22

. En los heterótrofos también es un proceso central la conversión del pirúvico, láctico, aminoácidos y otros precursores en glucosa y glucógeno.

De modo análogo a la glucolisis, la conversión del pirúvico en glucosa es el camino más transitado e importante de la biosíntesis de monosacáridos y polisacáridos. Convergen sobre esta senda otros dos caminos que parten de precursores que no son carbohidratos. Uno de estos caminos consiste en aquellas reacciones mediante las cuales productos intermediarios del ciclo de Krebs se transforman en pirúvico. El otro está formado por las reacciones que provocan la reducción del CO2 en las células autótrofas23 .

El ácido pirúvico puede ser obtenido por la célula por múltiples caminos24. A partir del pirúvico se obtiene glucosa por el proceso de gluconeogenesis que tiene varias etapas que son meras inversiones de las de la glucolisis. Sin embargo hay tres etapas que son irreversibles y por lo tanto es necesario “dar un rodeo” o utilizar otros enzimas.

El “rodeo” se encuentra en el paso de pirúvico a fosfoenolpirúvico. En la glucolisis, la reacción inversa es directa y se acompaña de una variación de energía libre muy considerable que la hace prácticamente irreversible. El “rodeo” se hace a cuenta de

22 Echa un vistazo al ciclo de Calvin. Recuerda que 1/6 de todos los gliceraldehídos (pool de las triosafosfatos) que se producían en la fase oscura se destinaba a síntesis. ¡A esos vamos a seguirles la pista!23 Como se dijo en la nota anterior. ¡No dejes de mirar el mapa–plano del principio del tema ¡24 Vuelve a observar el mapa-plano

la transformación del pirúvico en oxalacético en el interior de la mitocondria; como el oxalacético no puede salir de la matriz mitocondrial, se transforma en málico; el málico sale de la mitocondria y, ya fuera, se vuelve a transformar en oxalacético; y al fin éste, por

una descarboxilación y con el gasto de una molécula de GTP se transforma en fosfoenolpirúvico. A partir de ese momento, y por inversión de las reacciones de la glucolisis el fosfoenolpirúvico se convierte en 1,6-diP-fructosa. La transformación de la 1,6-diP-fructosa en fructosa-6P se lleva a cabo gracias a un enzima25 distinto al que actuaba en la glucolisis. A continuación por una isomerasa se origina la glucosa-6P.

En la mayoría de las células la glucosa-6P es el precursor para la formación de polímeros, disacáridos u otros monosacáridos distintos de la glucosa. Sin embargo en algunas células26 puede almacenarse glucosa27. En estos casos la escisión de la glucosa-6P en glucosa tiene lugar gracias a la intervención de un enzima llamado glucosa-6-fosfatasa, que es distinto a la quinasa que actuaba en la glucolisis.

3.2.- La glucógenogénesis.-

La formación de polisacáridos a partir de glucosa-6P es una senda muy transitada sobre todo la que conduce a la formación de glucógeno en animales y al almidón en vegetales. Hasta que Leloir aclaró la circunstancia, se creía que la glucógeno-fosforilasa intervenía también “in vivo”. Hoy se sabe que este enzima sólo cataliza la degradación del glucógeno. Quien hace crecer la cadena de glucógeno en la célula viva es la glucógenosintetasa. Este enzima precisa UDP-glucosa como donador de glucosilo para lo que es necesario que la glucosa-6P se transforme en glucosa-1P y posteriormente la glucosa-1P sea trasferida al UTP para formar UDP-glucosa + Pi

Finalmente se trasfiere el resto glucosilo a la cadena glucógeno según el esquema siguiente:

UDP-glucosa + (glucosa)n origina (glucosa)n+1

La síntesis de almidón es similar, está catalizada por la amilosintetasa, pero utiliza como donador de glucosilo es ADP-glucosa

25 Difosfofructosafosfatasa26 Por ejemplo en frutos como la uva27 Si se echan cuentas, por cada molécula de glucosa sintetizada a partir de ácido pirúvico se requieren 6 ATP y 2 NADH2