METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS - UNAM

1 METABOLISMO DE CARBOHIDRATOSLa necesidad de un aporte constante de energ a a la c lula se debe a que ella lo requierepara realizar varias funciones, entre las que destacan: (a) la realizaci n de un trabajomec nico, por ejemplo, la contracci n muscular y movimientos celulares, (b) eltransporte activo de iones y mol culas y (c) la s ntesis de mol culas. Para la mayor a delos animales, incluyendo al hombre, la energ a til para la c lula es la energ a qu mica,la cual se encuentra contenida en los nutrientes ( CARBOHIDRATOS y l pidos, principalmente)que se consumen. A trav s de un conjunto procesos enzim ticos bien definidos, la c lulaextrae dicha energ a y la hace disponible para que se realicen una gran variedad deprocesos celulares, entre los que destacan los encaminados a la s ntesis de (anabolismo)y degradaci n (catabol smo) de biomol culas, a la suma de ambos procesos se leidentifica como METABOLISMO .

2 La c lula ha dise ado para la glucosa, los cidos grasosy los amino cidos un proceso metab lico nico ( METABOLISMO de CARBOHIDRATOS , del pidos y de prote nas, respectivamente), acompa ado cada uno de ellos de un estrictomecanismo de regulaci n (control metab lico). A continuaci n, se har una breve descripci n de los procesos anab lico y catab lico dela v as enzim ticas relacionadas con el METABOLISMO de la glucosa son:(1) oxidaci n de la glucosa, (2) formaci n de lactato (3) METABOLISMO del gluc geno,(4) gluconeog nesis y (6) v a de las pentosas fosfato. OXIDACI N DE LA GLUCOSALa oxidaci n de la glucosa involucra un conjunto de reacciones enzim ticos, ligadas unade la otra y vigiladas por un estricto control metab lico, todo con el nico fin, de hacerdisponible para c lula, la energ a qu mica contenida en la glucosa. La reacci n globales: Glucosa CO2 + H2O + ATPLa formaci n de CO2 + H2O + ATP a partir de la glucosa, se lleva a cabo,porque existe una disponibilidad de O2 y que aunado a la necesidad de energ a, seinducen los procesos enzim ticos claramente definidos por sustratos y productos, ellosson: (1) gluc lisis, (2) transformaci n del piruvato en acetil CoA, (3) ciclo de Krebs y(4) fosforilaci n lisis.

3 La gluc lisis se realiza en el citosol y comprende la conversi n de glucosaen piruvato, cuya reacci n global es: Glucosa + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 + + 2 H2O En este proceso participan 10 enzimas diferentes que catalizan diez reaccionessecu nciales, las cuales podr amos dividir en tres etapas: a) formaci n de fructosa 1,6-bisfosfato a partir de glucosa, b) formaci n de triosas fosfato (gliceraldehido 3-fosfato ydihdrixiacetona fosfato) a partir de fructosa 1,6-bisfosfato y c) formaci n de piruvato apartir de gliceraldheido la primer etapa se consumen dos ATP s, uno con la enzima hexoquinasa ydespu s de una reacci n de isomerizaci n, se emplea el segundo ATP, con la enzimafosfofructoquinasa , reacciones que dan origen a la fructosa 1,6-bisfosfato, con la que seinicia la segunda etapa, al convertirse la fructosa 1,6-bisfosfato en sustrato de la enzimaaldolasa y cuyos productos son las dos triosas fosfato (gliceraldehido 3-fosfato ydihidroxiacetona fosfato)

4 , seguidamente se inicia la tercer etapa, la que se caracterizapor la isomerizaci n de la dihidroxiacetona fosfato en gliceraldehido 3-fosfato por loque al finalizar esta etapa, contamos con dos mol culas de gliceraldehido 3-fosfato,mismas que servir n de sustrato para la formaci n de piruvato, uno por cada una deellas. Con la s ntesis de piruvato, termina la tercer etapa, la que se distingueinicialmente, por el requerimiento de la coenzima NAD + y de un Pi (ortofosfato), paraoxidar y fosforilar al gliceraldehido 3-fosfato el cual se transforma en 1,3-bisfosfoglicerato mas NADH (coenzima reducida), a partir de este producto reci nformado y por acci n de la enzima fosfoglicerato quinasa se sintetiza y se libera, laprimer mol cula de ATP y mas adelante, en la reacci n catalizada por la piruvatoquinasa, se forma a nivel de sustrato, la segunda mol cula de ATP.

5 Es en este punto,donde finaliza la gluc lisis, sin embargo, son los 2 ATP s liberados y los 2 equivalentesreducidos (NADH +) los que no debemos olvidar. Con la importaci n del piruvato haciala mitocondria y su transformaci n en acetil-CoA se inicia la siguiente etapa de laoxidaci n de la glucosa. Las mitocondrias albergan la enzima piruvato deshidrogenasa,las enzimas del ciclo de Krebs, las enzimas que catalizan la oxidaci n de los cidosgrasos y las enzimas y prote nas involucradas en el transporte de electrones y s ntesis deATP, por lo que las hace ser, los centros del METABOLISMO oxidativo en n del piruvato en acetil CoA. Una ves formado el piruvato,este se transloca hacia el interior de la mitocondria, en donde ser transformado poracci n del complejo enzim tico piruvato deshidrogenasa ( piruvato dehisrogenasa,dihidrolipoil deshidrogenasa y dihidrolipoil transacetilasa) en Acetil CoA, v a unreacci n de tipo descarboxilaci n + CoA + NAD+ acetil-CoA + CO2 + NADHLas coenzimas y grupos prot ticos requeridos en esta reacci n son pirofosfato detiamina (TPP), dinucle tido de flavina y adenina (FAD), dincule tido de niacina yadenina (NAD+) y lipoamida ( cido lip ico).

6 La descarboxilaci n oxidativa delpiruvato, dirige a los tomos de carbono de la glucosa a su liberaci n como CO2 en elciclo de Krebs ( ciclo del cido c trico) y por consiguiente, la producci n de energ a. el ciclo de Krebs. Este proceso, se inicia con la condensaci n irreversible de lasmol culas de Acetil-CoA y oxaloacetato, esta reacci n es catalizada por la enzimacitrato sintasa y su producto es el citrato. A partir de citrato, se despliega una serie dereacciones irreversibles, que culminan con la generaci n de otra mol cula deoxaloacetato, pasando por la formaci n de -cetoglutarato y su tranformaci n ensuccinil CoA + NADH + CO2, reacci n catalizada por un complejo enzim ticodenominado complejo del -cetoglutarato deshidrogenasa que requiere comocoenzimas y grupos prost ticos a TPP, FAD, NAD+ y lipoamida, igual a los requeridospor el complejo de la piruvato deshidrogenasa.

7 Otros intermediarios son: la formaci nde succinato y liberaci n de un GTP a partir de succinil CoA y por consiguiente las ntesis de fumarato a partir de succinato, reacci n el la cual se libera un FADH2, existetambi n en el ciclo de Krebs un sitio mas de descarboxilaci n oxidativa, en donde seforma NADH + CO2 y otro donde nicamente se libera NADH. La estiquiometr a delciclo de Krebs es:Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O 2CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2H+ + CoAEl ciclo de Krebs es la v a com n para la oxidaci n aer bica de los sustratosenerg ticos, condici n que convierte a este proceso enzim tico en la v a degradativam s importante para la generaci n de ATP. Los 3 NADH y el FADH2 liberados en elciclo de Krebs, son reoxidados por el sistema enzim tico transportador de electrones(Figura 1), estableciendo as un flujo de electrones, los cuales son dirigidos hacia el O2como aceptor final, los productos de este proceso son una mol cula de agua y una grancantidad de energ a liberada, energ a que es utilizada para sintetizar ATP.

8 Alacoplamiento entre la oxidaci n de los equivalentes reductores (NADH, FADH2) y las ntesis de ATP (ATP sintetasa) se les conoce como fosforilaci n 1. Cadena respiratoria y ATP transportadora de electrones. La cadena transportadora de electroneses una serie de cuatro complejos (I, II, III, IV) a trav s de los cuales pasan loselectrones. Los electrones son llevados del Complejo I y II al Complejo III por lacoenzima Q (CoQ o ubiquinona) y del Complejo III al Complejo IV por la prote nacitocromo electrones del NADH mitocondrial son transferidos al FMN uno de los gruposprost ticos de la NADH-Q oxidorreductasa (Complejo I), posteriormente los electronesse transfieren a un segundo tipo de grupo prost tico el de las prote nas hierro-azufre yde aqu pasar n a la coenzima Q (QH2 o ubiquinol), quien tambi n recibe electrones dela succinato-Q reductasa (Coplejo II) a este complejo pertenece la enzima del ciclo deKrebs succinato deshidrogenasa la que genera FADH2, quien cede sus electrones aprote nas hierro-azufre y de aqu a la coenzima Q para formar QH2.

9 La funci n delComplejo III identificado como Q-citocromo c oxidorreductasa es catalizar latransferencia de electrones desde QH2 al citocromo c oxidado (cyt c). La etapa final dela cadena transportadora de electrones consiste en la oxidaci n del cyt c reducidogenerado por el Complejo III y la consiguiente reducci n del O2 a dos mol culas deH2O. Esta reacci n es catalizada por la citocromo c oxidasa (Complejo IV). Durante elflujo de electrones por la cadena respiratoria se realiza una transferencia de protones(H+) v a los Complejos I, III y IV que va desde la matriz de la mitocondria hacia la zonalocalizada entre la mambrana mitocondrial interna y externa (espacio intermembranal). Figura 2. Complejos de la cadena respiratoria. La coincidencia de un flujo de electrones y de protones a trav s de una membranalip dica ocasiona la generaci n de un gradiente de pH y un potencial de membrana,ambas condiciones constituyen una fuerza prot n-motriz que se utiliza para dirigir las ntesis de ATP v a la enzima ATP sintasa (Figuras 1 y 2).

10 ADP3 + HPO42 + H+ ATP4 + H2 OUn flujo de H+ a trav s de la ATP sintasa ocasiona la liberaci n del ATP hacia la matrizmitocondrial. La fuente inmediata de estos protones es el espacio intermembranal, endonde se localizan los protones que fueron translocados a trav s de los Complejos I, IIIy IV de la cadena transportadora de ahora se ha considerado la oxidaci n del NADH y FADH2 formados en lamitocondria (transformaci n del piruvato en acetil CoA y ciclo de Krebs), sin embargo,NADH citos lico liberado durante la reacci n catalizada por la gliceraldehido-3-fosfatodeshidrogenasa debe ser reoxidado para que contin e la gluc lisis, por lo que deber sertransferido a la mitocondria para su oxidaci n a nivel de la cadena transportadora deelectrones, pero debido a que este equivalente reductor no puede atravesar por s mismola membrana mitocondrial, la c lula contempl la reducci n de un sustrato por elNADH en el citoplasma, una vez reducido este sustrato, es transportado hacia la matrizmitocondrial por un acarreador espec fico , ya dentro de la mitocondria, el sustratoreducido ser oxidado y devuelto al citoplasma para experimentar de nuevo el mismociclo.