Cartilla BIOQUIMICA [Tomo II].pdf - Universidad Nacional de Salta
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Tema X<strong>II</strong>: Vías metabólicas y <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> energía<br />
Catabolismo y anabolismo. Vías catabólicas, anabólicas y anfibólicas. Ciclo <strong>de</strong> la<br />
energía en las células. Distribución intercelular <strong>de</strong> las enzimas y sistemas enzimáticos.<br />
El metabolismo<br />
Es <strong>de</strong>finido brevemente, como la suma total <strong>de</strong> las reacciones enzimáticas que tienen<br />
lugar en la célula. Cuatro son las funciones específicas <strong>de</strong>l metabolismo:<br />
Obtener energía química <strong>de</strong>l entorno <strong>de</strong> los elementos orgánicos nutritivos o <strong>de</strong> la<br />
luz solar<br />
Convertir los elementos nutritivos exógenos en los precursores <strong>de</strong> los<br />
componentes moleculares <strong>de</strong> las células.<br />
Reunir los precursores para formar proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y otros<br />
componentes celulares.<br />
Formar y <strong>de</strong>gradar aquellas biomoléculas necesarias para las funciones celulares<br />
especializadas.<br />
Las secuencias reacciónales <strong>de</strong>l metabolismo son semejantes en todas las formas <strong>de</strong><br />
vida especialmente las que se conocen como rutas metabólicas centrales.<br />
Catabolismo y anabolismo<br />
El metabolismo se divi<strong>de</strong> en catabolismo y anabolismo:<br />
El catabolismo: Es lo <strong>de</strong>gradación enzimática, mediante reacciones <strong>de</strong> oxidación,<br />
<strong>de</strong> moléculas nutritivas relativamente gran<strong>de</strong>s (carbohidratos, lípidos y proteínas)<br />
proce<strong>de</strong>ntes <strong>de</strong>l entorno <strong>de</strong> la célula o <strong>de</strong> sus propios <strong>de</strong>pósitos <strong>de</strong> reservas<br />
nutritivas, hasta transformarlas en moléculas simples y menores, por ejemplo, ácido<br />
láctico, ácido acético, CO 2 , amoníaco o urea. El catabolismo va acompañado <strong>de</strong><br />
liberación <strong>de</strong> energía libre, la cual se conserva en el ATP.<br />
El anabolismo: Es la síntesis enzimática <strong>de</strong> componentes celulares relativamente<br />
gran<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la célula, ejemplo: polisacáridos, ácidos nucleicos, proteínas, lípidos a<br />
partir <strong>de</strong> moléculas precursoras sencillas. Puesto que los procesos sintéticos<br />
provocan un aumento en el tamaño y la complejidad <strong>de</strong> las estructuras, se necesita<br />
la energía proporcionada por el enlace fosfato <strong>de</strong>l ATP.<br />
Tanto el catabolismo como el anabolismo son dos procesos simultáneos e<br />
inter<strong>de</strong>pendientes, que pue<strong>de</strong>n analizarse por separado. Cada uno <strong>de</strong> los procesos<br />
abarca la secuencia <strong>de</strong> reacciones enzimáticas mediante las cuales se <strong>de</strong>grada o se<br />
sintetiza el esqueleto covalente <strong>de</strong> una <strong>de</strong>terminada biomolécula. Los intermediarios<br />
químicos <strong>de</strong> este proceso se <strong>de</strong>nominan metabolitos, y este proceso metabólico:<br />
metabolismo intermedio. Acompañando a cada una <strong>de</strong> las reacciones químicas <strong>de</strong>l<br />
metabolismo intermediario; tiene efecto un cambio <strong>de</strong> energía característico. En algunas<br />
<strong>de</strong> las etapas <strong>de</strong> las secuencias catabólicas pue<strong>de</strong> conservarse la energía química,<br />
habitualmente en forma <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>l enlace fosfato y en ciertas etapas <strong>de</strong> las<br />
1
secuencias anabólicas pue<strong>de</strong> utilizarse esa energía <strong>de</strong>l enlace fosfato. Esta fase <strong>de</strong>l<br />
metabolismo se <strong>de</strong>nomina acoplamiento energético. El metabolismo intermedio y el<br />
acoplamiento <strong>de</strong> energía están obligatoriamente interconectados y son<br />
inter<strong>de</strong>pendientes. Por ello, cuando examinamos los esquemas metabólicos <strong>de</strong>beremos<br />
analizar:<br />
1. Las etapas <strong>de</strong> reacción por las que la estructura covalente <strong>de</strong>l precursor se<br />
altera para formar el producto.<br />
2. Los cambios <strong>de</strong> energía química que acompañan a esta conversión.<br />
Transformaciones catabólicas, anabólicas y anfibólicas<br />
La <strong>de</strong>gradación enzimática <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los principales elementos nutritivos (hidratos<br />
<strong>de</strong> carbono, lípidos y proteínas) tiene lugar a través <strong>de</strong> cierto número <strong>de</strong> reacciones<br />
enzimáticas consecutivas que se <strong>de</strong>sarrollan en tres fases:<br />
Fase I: En esta fase las gran<strong>de</strong>s moléculas <strong>de</strong> los elementos nutritivos se<br />
<strong>de</strong>gradan hasta los principales componentes. Los polisacáridos son<br />
<strong>de</strong>gradados a pentosas o hexosas, los lípidos a ácidos grasos, glicerina y<br />
otros componentes, y las proteínas a sus veinte aminoácidos constitutivos.<br />
Fase <strong>II</strong>: Los numerosos productos distintos <strong>de</strong> la Fase I son recogidos y<br />
convertidos en un número pequeño <strong>de</strong> moléculas más sencillas. Así, las<br />
hexosas, las pentosas y la glicerina se <strong>de</strong>gradan en el azúcar fosforilado <strong>de</strong><br />
tres átomos <strong>de</strong> carbono, el gliceral<strong>de</strong>hído-3-fosfato y <strong>de</strong>spués hasta un<br />
compuesto sencillo <strong>de</strong> dos átomos <strong>de</strong> carbono, la acetil-coenzima A. Los<br />
aminoácidos diferentes son también <strong>de</strong>gradados a: acetil-coenzima A, alfacetoglutarato,<br />
succinato, fumarato y oxalacetato.<br />
Fase <strong>II</strong>I: Los productos formados en la fase <strong>II</strong> pasan a la fase <strong>II</strong>I que es el<br />
camino común final en el cual se oxidan a CO2.<br />
El anabolismo tiene lugar también en tres fases, comenzando por las pequeñas<br />
moléculas originadas en la tercera fase <strong>de</strong>l catabolismo. Por ejemplo, la síntesis<br />
proteica comienza en La Fase <strong>II</strong>I, a partir <strong>de</strong> los alfa-cetoácidos que son los precursores<br />
<strong>de</strong> los aminoácidos. En la Fase <strong>II</strong> los alfa-cetoácidos son aminados por donadores <strong>de</strong><br />
grupos aminos y se forman los alfa-aminoácidos y en la Fase I se reúnen los<br />
aminoácidos para producir ca<strong>de</strong>nas peptídicas.<br />
Aunque los caminos <strong>de</strong>l catabolismo y el anabolismo no son idénticos la Fase <strong>II</strong>I<br />
constituye un camino central accesible a ambos. Esta senda central, que recibe el<br />
nombre <strong>de</strong> anfibólica, <strong>de</strong>sempeña una doble función (amphi: ambos). La ruta anfibólica<br />
pue<strong>de</strong> utilizarse catabólicamente para lograr la <strong>de</strong>gradación completa <strong>de</strong> pequeñas<br />
moléculas producidas en la Fase <strong>II</strong> <strong>de</strong>l catabolismo o pue<strong>de</strong> utilizarse anabólicamente<br />
como precursora <strong>de</strong> moléculas para la Fase <strong>II</strong> <strong>de</strong>l anabolismo.<br />
2
Fase I<br />
Fase <strong>II</strong><br />
Fase <strong>II</strong>I<br />
Lípidos Polisacáridos Proteínas<br />
Ácidos grasos<br />
glicerina<br />
Ciclo <strong>de</strong> los<br />
ácidos tricarboxilos<br />
malato<br />
oxalacetato<br />
Fumarato<br />
Hexosas<br />
Pentosas<br />
Gliceral<strong>de</strong>hído<br />
3-fosfato<br />
Fosfoenol<br />
piruvato<br />
Piruvato<br />
Acetil - C o A<br />
succinato<br />
CO 2<br />
citrato<br />
LA ENERGÍA EN LA CÉLULA<br />
isocitrato<br />
Alfa - cetoglutarato<br />
Aminoácidos<br />
Las moléculas orgánicas complejas, tales como la glucosa contienen mucha energía<br />
potencial a causa <strong>de</strong> su elevado grado <strong>de</strong> or<strong>de</strong>nación estructural; poseen una entropía<br />
relativamente pequeña. Cuando la molécula <strong>de</strong> glucosa se oxida y forma seis moléculas<br />
<strong>de</strong> CO 2 y seis <strong>de</strong> H2 O , sus átomos experimentan un aumento en el <strong>de</strong>sor<strong>de</strong>n. Como<br />
resultado <strong>de</strong> esta transformación, la molécula <strong>de</strong> glucosa experimenta una pérdida <strong>de</strong><br />
energía libre que es energía útil y capaz <strong>de</strong> realizar trabajo. La energía libre se conserva,<br />
como energía química, específicamente como ATP. Dado que el ATP formado pue<strong>de</strong><br />
difundirse hacia aquellos lugares en la célula en que se necesite su energía, constituye<br />
una forma <strong>de</strong> transportar la energía. La energía química <strong>de</strong>l ATP se libera <strong>de</strong>spués,<br />
durante la transferencia <strong>de</strong> su grupo o grupos fosfatos terminales, a <strong>de</strong>terminadas<br />
moléculas <strong>de</strong> un aceptor específico, que adquiere un nivel superior <strong>de</strong> energía y pue<strong>de</strong><br />
realizar trabajo. Un segundo camino para transportar la energía química <strong>de</strong> las<br />
reacciones <strong>de</strong> óxido-reducción <strong>de</strong>l catabolismo a las reacciones anabólicas, que<br />
necesita <strong>de</strong> energía, es en forma <strong>de</strong> electrones. En las síntesis <strong>de</strong> algunas biomoléculas<br />
ricas en hidrógeno, tales como los ácidos grasos y el colesterol, se requieren electrones<br />
e hidrógeno para la reducción <strong>de</strong> los enlaces dobles a simples. En La célula los<br />
3
electrones son transportados enzimáticamente <strong>de</strong>s<strong>de</strong> las oxidaciones productoras <strong>de</strong><br />
electrones tales como los dobles enlaces carbono-carbono o carbono-oxígeno, mediante<br />
coenzimas transportadoras <strong>de</strong> electrones, la más importante es la nicotinamida-a<strong>de</strong>nindinucleótido<br />
fosfato (NADP). El NADP <strong>de</strong>sempeña <strong>de</strong> este modo, el panel <strong>de</strong><br />
transportador <strong>de</strong> electrones ricos en energía <strong>de</strong>s<strong>de</strong> las reacciones catabólicas hasta las<br />
reacciones anabólicas que los necesitan.<br />
Distribución intracelular <strong>de</strong> las enzimas y <strong>de</strong> los sistemas enzimáticos<br />
Las diferentes enzimas y sistemas enzimáticos se hallan localizados<br />
característicamente, en una u otra organela o estructura intracelular <strong>de</strong> las células.<br />
El sistema enzimático glicolítico está localizado en el citoplasma mientras que las<br />
enzimas implicadas en la oxidación <strong>de</strong>l piruvato, <strong>de</strong> los ácidos grasos y <strong>de</strong> algunos<br />
aminoácidos están en la mitocondria don<strong>de</strong> también se hallan las enzimas <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na<br />
respiratoria y <strong>de</strong> la fosforilación <strong>de</strong>l ADP.<br />
La ventaja <strong>de</strong> la compartimentación la constituye el hecho <strong>de</strong> que separa reacciones<br />
químicamente incompatibles.<br />
Por ejemplo, una célula pue<strong>de</strong> realizar, a un mismo tiempo, la oxidación <strong>de</strong> los ácidos<br />
grasos <strong>de</strong> ca<strong>de</strong>na larga hasta el estado <strong>de</strong> ácido acético y el proceso inverso <strong>de</strong><br />
reducción <strong>de</strong>l ácido acético para formar ácidos grasos <strong>de</strong> ca<strong>de</strong>na larga. Estos procesos<br />
químicamente incompatibles se producen en diferentes partes <strong>de</strong> la célula; la oxidación<br />
en las mitocondrias y la reducción en el citoplasma extramitocondrial.<br />
Regulación celular <strong>de</strong> las sendas metabólicas<br />
La velocidad <strong>de</strong>l catabolismo <strong>de</strong> una célula no es controlada por la concentración <strong>de</strong> los<br />
elementos nutritivos <strong>de</strong>l entorno, sino más bien por sus necesida<strong>de</strong>s energéticas en<br />
forma <strong>de</strong> ATP. La regulación <strong>de</strong> una ruta metabólica pue<strong>de</strong> llevarse a cabo a varios<br />
niveles. El tipo <strong>de</strong> regulación más sencilla implica los parámetros que afectan a las<br />
velocida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las reacciones enzimáticas (pH, concentración <strong>de</strong> enzima, concentración<br />
<strong>de</strong> cada intermediario, concentración <strong>de</strong> iones metálicos y coenzimas esenciales, etc.).<br />
El segundo mecanismo <strong>de</strong> regulación consiste en la acción <strong>de</strong> enzimas reguladoras que<br />
se hallan localizadas, habitualmente, en el comienzo o en proximida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> una<br />
secuencia multienzimática. El tercer nivel en que se ejerce la regulación metabólica es a<br />
través <strong>de</strong>l control genético <strong>de</strong> la velocidad <strong>de</strong> la síntesis enzimática. En organismos<br />
multicelulares superiores el control se ejerce a través <strong>de</strong> sistemas endocrinos. Las<br />
hormonas elaboradas por una glándula endocrina son mensajeros químicos que<br />
estimulan o inhiben activida<strong>de</strong>s metabólicas específicas en otros tejidos u órganos.<br />
4
TEMA X<strong>II</strong>I: PRINCIPIOS DE BIOENERGETICA Y CICLO DEL ATP<br />
Localización y propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l ATP y <strong>de</strong>l ADP. Variación <strong>de</strong> energía libre estándar <strong>de</strong><br />
las reacciones químicas. Energía libre estándar <strong>de</strong> la hidrólisis <strong>de</strong>l ATP. Compuesto con<br />
enlace fosfato <strong>de</strong> bajo y alto nivel energético. Vías enzimáticas <strong>de</strong> la transferencia <strong>de</strong><br />
fosfato. Principio <strong>de</strong>l intermediario común. Otros ribonucleótidos que participan en la<br />
transferencia <strong>de</strong> energía en la célula 5' difosfato y 5' trifosfato. Papel <strong>de</strong>l AMP y <strong>de</strong>l<br />
pirofosfato.<br />
El sistema ATP - ADP actúa como transportador <strong>de</strong> energía química, ya que el ADP es<br />
capaz <strong>de</strong> aceptar un grupo fosfato en las reacciones acopladas productoras <strong>de</strong> energía<br />
<strong>de</strong>l catabolismo, y el ATP así formado pue<strong>de</strong> ce<strong>de</strong>r su grupo fosfato terminal, en otras<br />
reacciones acopladas que requieren energía.<br />
En este capítulo examinaremos los principios químicos y termodinámicos en que se<br />
basa el funcionamiento <strong>de</strong>l sistema ATP - ADP.<br />
LOCALIZACION Y PROPIEDADES DEL ATP Y EL ADP<br />
El ATP fue aislado por primera vez, en 1.929 por Fiske y Subbarow, <strong>de</strong> los extractos<br />
ácidos <strong>de</strong> músculo.<br />
Su estructura se <strong>de</strong>dujo algunos años <strong>de</strong>spués, mediante experimentos <strong>de</strong> <strong>de</strong>gradación<br />
y fue <strong>de</strong>finitivamente confirmada por síntesis química total realizada por Todd y sus<br />
colegas en 1948. Des<strong>de</strong> los inicios <strong>de</strong>l <strong>de</strong>scubrimiento, se sospechó que el ATP<br />
<strong>de</strong>sempeñaba un papel en la transferencia <strong>de</strong> energía celular pero recién en 1939-1941<br />
Lipmann propuso que actuaba como medio principal <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> la energía<br />
química en la célula.<br />
El ATP, el ADP y el AMP no son sustancias que existen solo en trazas; la suma <strong>de</strong> sus<br />
concentraciones en la fase acuosa <strong>de</strong> los diversos tipos <strong>de</strong> células intactas oscila entre 2<br />
y 15 mM. La concentración <strong>de</strong> ATP es por lo común, muy superior a la suma <strong>de</strong> las otras<br />
dos concentraciones <strong>de</strong>l AMP, habitualmente es la menor <strong>de</strong> las tres.<br />
Estos nucleótidos están presentes no sólo en el citoplasma, sino también en organelas<br />
tales como mitocondrias y núcleo. La compartimentación intracelular <strong>de</strong>l sistema ATP<br />
constituye una característica importante en la regulación celular <strong>de</strong>l metabolismo.<br />
A pH 7,0 tanto ATP como ADP son aniones muy cargados, el ATP posee cuatro<br />
protones ionizables en su grupo <strong>de</strong> ácido trifosfórico. Tres <strong>de</strong> los protones poseen<br />
valores <strong>de</strong> pK (K = constante <strong>de</strong> disociación) bajo entre 2 y3; por lo tanto a pH 7,0 están<br />
completamente disociados; el cuarto protón tiene un pK' <strong>de</strong> 6,5; por consiguiente a pH<br />
7,0 se halla disociado en un 75%.<br />
5
H O<br />
O<br />
P<br />
O H<br />
O<br />
O P<br />
O H<br />
H : hidrógenos que ce<strong>de</strong> en su disociación<br />
O<br />
O P<br />
O H<br />
OH 2<br />
C<br />
N<br />
OH<br />
NH 2<br />
N<br />
O<br />
H H<br />
El ADP posee tres protones ionizables, dos <strong>de</strong> ellos están completamente disociados a<br />
pH 7,0 y el tercero que posee un pK' <strong>de</strong> 7,2 a pH 7,0 se halla disociado alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l<br />
39%.<br />
La elevada concentración <strong>de</strong> cargas negativas en torno al grupo trifosfato <strong>de</strong>l ATP<br />
constituye un factor importante en su naturaleza <strong>de</strong> compuesto <strong>de</strong> alto contenido<br />
energético.<br />
En la célula intacta existen muy pocas cantida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> ATP y <strong>de</strong> ADP en forma <strong>de</strong><br />
aniones libres, se hallan presentes en su mayor parte en forma <strong>de</strong> complejos Mg ATP y<br />
Mg ADP a causa <strong>de</strong> la gran afinidad <strong>de</strong> los grupos pirofosfato para enlazar cationes<br />
divalentes y <strong>de</strong> la elevada concentración <strong>de</strong> ión Mg en el fluido intracelular. La afinidad<br />
<strong>de</strong>l ATP por el Mg es unas diez veces mayor que la <strong>de</strong>l ADP.<br />
A<strong>de</strong>nina Ribosa<br />
A<strong>de</strong>nina Ribosa<br />
O -<br />
O P O P<br />
O<br />
O<br />
O P<br />
O<br />
mg<br />
O<br />
O<br />
O P<br />
mg<br />
O<br />
O P<br />
O<br />
OH<br />
O -<br />
mg-ADP<br />
H<br />
N<br />
N<br />
mg-ATP<br />
En muchas <strong>de</strong> las reacciones enzimáticas en que participa el ATP como dador <strong>de</strong><br />
fosfato, su forma activa es la <strong>de</strong>l complejo mg-ATP.<br />
El ADP y el ATP pue<strong>de</strong>n separarse y medirse con facilidad mediante electroforesis o por<br />
cromatografía en capa fina.<br />
PRINCIPIOS DE TERMODINAMICA QUIMICA<br />
Una <strong>de</strong>scripción <strong>de</strong> las bases físico-químicas <strong>de</strong> la función <strong>de</strong>l ATP en el ciclo energético<br />
<strong>de</strong> la célula, requiere un breve repaso <strong>de</strong> algunos principios <strong>de</strong> la termodinámica. El<br />
análisis termodinámico <strong>de</strong> los intercambios energéticos se inicia por las siguientes<br />
<strong>de</strong>finiciones:<br />
a. Sistema: Es el conjunto <strong>de</strong> materia que es objeto <strong>de</strong> nuestro estudio.<br />
O<br />
O<br />
O -<br />
ATP<br />
6
. Entorno: Toda materia <strong>de</strong>l universo, aparte <strong>de</strong>l sistema que se consi<strong>de</strong>ra. En<br />
el transcurso <strong>de</strong>l proceso en estudio la energía pue<strong>de</strong> pasar <strong>de</strong>l sistema al<br />
entorno, o viceversa.<br />
c. Estado inicial: Es el contenido <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>l sistema y <strong>de</strong>l entorno, al iniciar<br />
el proceso que se analiza.<br />
d. Estado final: Contenido <strong>de</strong> energía <strong>de</strong> sistema y entorno una vez que se ha<br />
alcanzado el equilibrio.<br />
El contenido <strong>de</strong> energía <strong>de</strong> cada estado es una función <strong>de</strong> diversas magnitu<strong>de</strong>s<br />
medibles (temperatura, presión, volumen, masa, etc.) que se formulan mediante una<br />
ecuación <strong>de</strong> estado. A partir <strong>de</strong> las medidas <strong>de</strong> los cambios <strong>de</strong> contenido <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>l<br />
sistema y el entorno, a medida que el sistema evoluciona <strong>de</strong>s<strong>de</strong> su estado inicial hasta<br />
su estado final, pue<strong>de</strong> realizarse un balance <strong>de</strong> energía.<br />
(Bloques <strong>de</strong> cobre)<br />
caliente frio Estado inicial<br />
Estado <strong>de</strong> equilibrio<br />
La primera ley <strong>de</strong> termodinámica es el principio <strong>de</strong> conservación <strong>de</strong> la energía. La<br />
energía no se crea ni se <strong>de</strong>struye, sino que se transforma en una u otra forma (ej.<br />
calorífica, química, mecánica, etc.).<br />
La segunda ley establece algunas limitaciones en los tipos <strong>de</strong> transformaciones<br />
energéticas que ocurren en los procesos físicos-químicos, y predice la dirección en que<br />
es probable que ocurra un proceso <strong>de</strong>terminado.<br />
Establece que todos los procesos tien<strong>de</strong>n a evolucionar en una dirección tal que la<br />
entropía <strong>de</strong>l sistema más la <strong>de</strong>l entorno, aumenta hasta alcanzar un estado <strong>de</strong> equilibrio.<br />
Entropía: Se <strong>de</strong>fine como el grado <strong>de</strong> <strong>de</strong>sor<strong>de</strong>n.<br />
Equilibrio: Se <strong>de</strong>fine como aquel estado en que no ocurre ningún cambio físico o<br />
químico ulterior, y en el que la temperatura, la presión y la concentración son uniformes<br />
en todo el sistema.<br />
UN SISTEMA DE EQUILIBRIO<br />
1. Ha agotado su capacidad <strong>de</strong> realizar trabajo sobre su entorno,<br />
2. El proceso no pue<strong>de</strong> invertirse <strong>de</strong> modo espontáneo y volver a su estado inicial, lo<br />
cual requerirá una disminución <strong>de</strong> entropía. Un sistema <strong>de</strong>sor<strong>de</strong>nado al azar no se<br />
reor<strong>de</strong>na por si mismo espontáneamente.<br />
Los procesos que se realizan con aumento <strong>de</strong> entropía se <strong>de</strong>nominan irreversibles. Los<br />
procesos que tienen lugar sin cambio <strong>de</strong> entropía son reversibles.<br />
Ejemplo: si tenemos bloques <strong>de</strong> piedra dispuestos al azar y queremos disponerlos <strong>de</strong> tal<br />
modo que formen un arco la entropía o sea el grado <strong>de</strong> organización disminuye y es<br />
reversible porque espontáneamente sin cambio <strong>de</strong> entropía pue<strong>de</strong> pasar <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n al<br />
7
<strong>de</strong>sor<strong>de</strong>n (arco a bloques al azar).<br />
En reacciones químicas los cambios <strong>de</strong> entropía ( ΔS) no siempre pue<strong>de</strong>n medirse o<br />
calcularse con facilidad.<br />
Sin embargo, el cambio <strong>de</strong> entropía durante un proceso está relacionado<br />
cuantitativamente con los cambios <strong>de</strong> la energía total <strong>de</strong>l sistema por una tercera<br />
función, llamada energía libre, mediante una ecuación que combina la primera y la<br />
segunda ley <strong>de</strong> termodinámica. Puesto que los cambios <strong>de</strong> la energía libre <strong>de</strong> las<br />
reacciones químicas pue<strong>de</strong>n medirse con relativa facilidad, esta ecuación resulta muy<br />
útil para pre<strong>de</strong>cir la dirección y el equilibrio <strong>de</strong> las reacciones químicas. El cambio <strong>de</strong><br />
energía libre ( ΔG) cuando la temperatura y presión son constantes se <strong>de</strong>fine <strong>de</strong>l<br />
siguiente modo:<br />
G<br />
H-<br />
T.<br />
En la que ΔH es la variación <strong>de</strong> entalpía, T la temperatura absoluta y ΔS variación <strong>de</strong><br />
entropía. La variación <strong>de</strong> entalpía ( ΔH) que también se <strong>de</strong>nomina cambio calorífico, se<br />
<strong>de</strong>fine mediante la ecuación:<br />
ΔE = variación <strong>de</strong> le energía total <strong>de</strong>l sistema.<br />
P = presión<br />
V = volumen<br />
H<br />
E<br />
En los sistemas biológicos las reacciones químicas tienen lugar en disoluciones acuosas<br />
diluidas, en las que la temperatura, presión y volumen permanecen constantes. En estas<br />
condiciones, ΔPV es cero, por lo tanto:<br />
Si sustituimos en la ecuación (1)<br />
reor<strong>de</strong>namos la ecuación:<br />
entropía ( S) elevada (<strong>de</strong>sor<strong>de</strong>n)<br />
reversible<br />
endotérmico<br />
S disminuye (or<strong>de</strong>n)<br />
G<br />
E<br />
H<br />
S<br />
PV<br />
E<br />
E-<br />
T.<br />
G<br />
T.<br />
S<br />
S<br />
(1)<br />
(2)<br />
( S) disminuye<br />
irreversible<br />
espontáneo<br />
exotérmico<br />
S aumenta<br />
8
Con esta ecuación vemos que a temperatura y presión constantes la variación <strong>de</strong><br />
energía total <strong>de</strong>l sistema ( ΔE) (que es equivalente al cambio calórico ΔH) es la suma <strong>de</strong><br />
T.Δ. S más la variación <strong>de</strong> la energía libre.<br />
La variación <strong>de</strong> energía libre pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>finirse como aquella fracción <strong>de</strong>l cambio <strong>de</strong><br />
energía total <strong>de</strong>l sistema disponible para realizar trabajo a medida que el sistema<br />
evoluciona hacia su estado <strong>de</strong> equilibrio, a T y P constantes. Mientras el sistema se<br />
aproxima al equilibrio, la energía libre disminuye hasta un valor mínimo.<br />
VARIACION DE LA ENERGIA LIBRE ESTANDAR EN LAS REACCIONES QU<strong>II</strong>MICAS<br />
El cambio <strong>de</strong> energía libre que tiene lugar durante las reacciones químicas se calcula<br />
empleando una ecuación que pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>rivarse <strong>de</strong> la ley <strong>de</strong> equilibrio químico. Para una<br />
reacción general <strong>de</strong>l tipo:<br />
a A + b B c C + d D (3)<br />
en la que a, b, c y d son el número <strong>de</strong> moléculas <strong>de</strong> A, B, C, y D que participan en la<br />
reacción. El cambio <strong>de</strong> energía libre ( ΔG) está dado por la ecuación:<br />
ΔG<br />
ΔG º<br />
RT<br />
ln<br />
C<br />
A<br />
en la que los términos A, B, C y D son las concentraciones molares <strong>de</strong> A, B, C, y D y a,<br />
b, c y d son ahora los exponentes <strong>de</strong> sus concentraciones. R es la constante <strong>de</strong> los<br />
gases (1.987 cal mol -1 grado -1 ); T la temperatura absoluta y ΔGº la variación <strong>de</strong> energía<br />
libre estándar.<br />
Cuando la reacción (3) se halla en equilibrio, in<strong>de</strong>pendientemente <strong>de</strong> las<br />
concentraciones iniciales <strong>de</strong> A, B, C y D prevalece la condición que la energía libre es<br />
mínima y no es posible ningún cambio ulterior; por tanto ΔG 0.<br />
Entonces:<br />
C . D<br />
0 ΔGº RT ln a b<br />
A . B<br />
De don<strong>de</strong>:<br />
c<br />
d<br />
c<br />
a<br />
. D<br />
. B<br />
(5)<br />
C . D<br />
ΔG º RT ln a b<br />
A . B<br />
Puesto que la constante <strong>de</strong> equilibrio K'eq para la ecuación (3) es:<br />
K' eq<br />
A<br />
c<br />
a<br />
c<br />
. D<br />
Po<strong>de</strong>mos sustituir K'eq en la ecuación (6) y obtener la ecuación general:<br />
C<br />
. B<br />
d<br />
b<br />
d<br />
d<br />
b<br />
( 7)<br />
(6)<br />
(4)<br />
9
O bien:<br />
ΔG º<br />
RT ln(K'<br />
eq)<br />
ΔG º 2.303 RT log10<br />
( K' eq)<br />
Esta ecuación nos muestra que ΔGº , la variación <strong>de</strong> energía libre estándar <strong>de</strong> una<br />
reacción química, pue<strong>de</strong> calcularse a partir <strong>de</strong> su constante <strong>de</strong> equilibrio. La ΔGº<br />
constituye, por lo tanto, una constante termodinámica para una reacción química dada.<br />
Pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>finirse <strong>de</strong> otro modo, que indica claramente su verda<strong>de</strong>ro significado. La<br />
variación <strong>de</strong> energía libre estándar <strong>de</strong> una reacción constituye, en realidad, la diferencia<br />
existente entre la energía libre estándar <strong>de</strong> los reactivos y la energía libre estándar <strong>de</strong><br />
los productos, hallándose cada término ajustado a la estequiometría <strong>de</strong> la ecuación <strong>de</strong><br />
reacción:<br />
ΔGº<br />
Para la reacción (3) será:<br />
ΔG º<br />
Gº productos<br />
(8)<br />
Gº reaccionantes<br />
( cGº<br />
C dGº<br />
D ) ( aGº<br />
A bGº<br />
B )<br />
La energía libre estándar <strong>de</strong> un compuesto constituye la medida <strong>de</strong> la cantidad total <strong>de</strong><br />
energía libre que pue<strong>de</strong> proporcionar por <strong>de</strong>scomposición completa.<br />
Es importante compren<strong>de</strong>r la diferencia que hay entre ΔGº , que es la variación <strong>de</strong><br />
energía libre estándar, y ΔG que es la variación <strong>de</strong> energía libre medida o real. Esta<br />
diferencia pue<strong>de</strong> explicarse mejor utilizando una analogía. ΔGº es un valor constante<br />
para una <strong>de</strong>terminada reacción a una temperatura también <strong>de</strong>terminada.<br />
Por otra parte, ΔG varía con las concentraciones <strong>de</strong> los reaccionantes y <strong>de</strong> los<br />
productos.<br />
El valor <strong>de</strong> ΔGº únicamente es igual al <strong>de</strong> ΔG cuando todos los reactivos y todos los<br />
productos están presentes a concentración 1,0M.<br />
El valor <strong>de</strong> ΔG es el que <strong>de</strong>termina si una reacción química ocurrirá en la dirección<br />
escrita, partiendo <strong>de</strong> unas concentraciones <strong>de</strong> reaccionantes <strong>de</strong>terminadas.<br />
Recuér<strong>de</strong>se que una reacción química solamente ocurrirá si ΔG es negativo, es <strong>de</strong>cir, si<br />
la energía libre <strong>de</strong>l sistema disminuye.<br />
Las reacciones químicas con un ΔGº negativo reciben el nombre <strong>de</strong> exergónicas; se<br />
realizan espontáneamente en la dirección en que están escritas. Si recordamos el<br />
ejemplo <strong>de</strong> los bloques:<br />
or<strong>de</strong>nado<br />
<strong>de</strong>sor<strong>de</strong>nado<br />
ΔG º disminuye, es negativo<br />
exergónica o exotérmica<br />
espontánea<br />
irreversible<br />
10
Las reacciones con un cambio <strong>de</strong> energía libre estándar positivo reciben el nombre<br />
<strong>de</strong> en<strong>de</strong>rgónicas o endotérmicas, no se realizan <strong>de</strong> modo espontáneo en la dirección en<br />
que se escriben. Volviendo al ejemplo:<br />
<strong>de</strong>sor<strong>de</strong>nado<br />
or<strong>de</strong>nado<br />
ΔG º aumenta, es postivo<br />
en<strong>de</strong>rgónica o endotérmica<br />
no es espontánea<br />
reversible<br />
Ahora po<strong>de</strong>mos exponer un ejemplo <strong>de</strong> la ΔGº a partir <strong>de</strong> la siguiente reacción:<br />
glucosa_1_fosfato glucosa_6_fosfato<br />
ΔG º<br />
ΔG º<br />
R T ln(K' eq)<br />
1.987 x 298 x 2.303 log19<br />
1745 cal<br />
1.745 Kcal<br />
Puesto que ΔGº es negativo, la conversión <strong>de</strong> glucosa-1-fosfato en glucosa-6-fosfato es<br />
exergónico. El análisis químico muestra que parte <strong>de</strong> una concentración 0,020 M <strong>de</strong><br />
glucosa-1-fosfato con un exceso <strong>de</strong> enzima y permitimos que la reacción ocurra en<br />
sentido directo, o si partimos <strong>de</strong> la concentración 0,020 M <strong>de</strong> glucosa-6-fosfato y la<br />
reacción transcurre en sentido inverso, las concentraciones <strong>de</strong> la mezcla final en<br />
equilibrio son, en ambos casos, 0.001 M <strong>de</strong> glucosa-1-fosfato y 0,019 <strong>de</strong> glucosa -6-<br />
fosfato a 25º C y pH 7,0.<br />
Hay dos tipos <strong>de</strong> reacciones que tienen lugar con disminuciones especialmente gran<strong>de</strong>s<br />
<strong>de</strong> ΔGº , son la hidrólisis <strong>de</strong> los anhídridos y las reacciones <strong>de</strong> oxidación.<br />
ΔGº <strong>de</strong> la hidrólisis <strong>de</strong>l ATP<br />
El camino más sencillo para <strong>de</strong>terminar ΔGº para la reacción:<br />
ATP + H2O ADP + fosfato (10)<br />
Es <strong>de</strong>terminar la constante <strong>de</strong> equilibrio y calcular ΔGº empleando la relación dada por<br />
la ecuación (8):<br />
ΔG º -2.303 R T log10<br />
(K' eq)<br />
La medida directa <strong>de</strong> la constante <strong>de</strong> equilibrio <strong>de</strong> la hidrólisis <strong>de</strong>l ATP no es práctico.<br />
Una <strong>de</strong> las razones, y la más importante, es que los métodos analíticos que se disponen<br />
no son lo suficientemente precisos o sensibles para <strong>de</strong>terminar con exactitud las<br />
concentraciones <strong>de</strong> equilibrio <strong>de</strong> ATP, ADP y el ión fosfato, porque en el estado <strong>de</strong><br />
equilibrio el ATP se encuentra casi completamente hidrolizado en ADP y en ión fosfato.<br />
En realidad, esto constituye un problema serio para muchas reacciones que poseen<br />
11
gran<strong>de</strong>s valores negativos <strong>de</strong> ΔGº .<br />
Para po<strong>de</strong>r medir el ΔGº <strong>de</strong> la hidrólisis <strong>de</strong>l ATP, se <strong>de</strong>scompone en cierto número <strong>de</strong><br />
etapas menores, las cuales pue<strong>de</strong>n medirse más fácilmente.<br />
Veremos un ejemplo: en primer lugar, se <strong>de</strong>ja reaccionar al ATP con la glucosa, en<br />
presencia <strong>de</strong> hexoquinasa para formar ADP y glucosa-6-fosfato. Se mi<strong>de</strong> la constante <strong>de</strong><br />
equilibrio, y a partir <strong>de</strong> ella se calcula ΔGº .<br />
hexoquinasa<br />
ATP + glucosa<br />
ADP +<br />
glucosa_6_fosfato<br />
K'eq = 661<br />
Gº = - 4.00 kcal (11)<br />
Se continúa <strong>de</strong>spués con la medida <strong>de</strong> la K'eq y la ΔGº <strong>de</strong> la reacción <strong>de</strong> hidrólisis <strong>de</strong> la<br />
glucosa-6- fosfato catalizada por una fosfatasa.<br />
glucosa_6_fosfato<br />
fosfatasa<br />
+ O<br />
glucosa +<br />
H 2<br />
K'eq = 171<br />
fosfato P i<br />
Gº = - 3.30 kcal (12)<br />
La suma <strong>de</strong> las reacciones (11) y (12) es la ecuación <strong>de</strong> hidrólisis <strong>de</strong>l ATP.<br />
hexoquinasa<br />
ATP + glucosa<br />
ADP +<br />
glucosa_6_fosfato<br />
fosfatasa<br />
+ O<br />
glucosa +<br />
H 2<br />
glucosa_6_fosfato<br />
fosfato P i<br />
ATP + H2O ADP + fosfato<br />
Puesto que los valores <strong>de</strong> ΔGº <strong>de</strong> las dos reacciones son aditivas, la ΔGº <strong>de</strong> la hidrólisis<br />
<strong>de</strong>l ATP pue<strong>de</strong> calcularse a partir <strong>de</strong> ellos:<br />
ΔG º<br />
ΔG º<br />
ΔG º<br />
- 4.00<br />
(-3.30)<br />
- 7.30kcal<br />
Es importante hacer notar que este valor está basado en que pH = 7,0; T = 37º C, en<br />
presencia <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong> ion Mg y concentraciones 1,0 M <strong>de</strong> los reaccionantes y <strong>de</strong> los<br />
productos. El grupo fosfato terminal <strong>de</strong>l ADP también posee una ΔGº <strong>de</strong> hidrólisis<br />
relativamente gran<strong>de</strong>. Es igual a -7,30 kcal.<br />
ADP + H2O AMP + Pi ΔGº -7.3 kcal<br />
Sin embargo el único grupo fosfato <strong>de</strong>l AMP tiene un valor mucho menor:<br />
12
AMP + H2O a<strong>de</strong>nosina + Pi ΔGº -3.40 kcal<br />
Lo que suce<strong>de</strong> es que los enlaces entre grupos fosfatos adyacentes son enlaces <strong>de</strong>l tipo<br />
<strong>de</strong> anhídrido, mientras que el enlace entre el fosfato y la ribosa en el AMP es un enlace<br />
éster.<br />
COMPUESTOS CON ENLACES FOSFATO DE ALTO Y DE BAJO NIVEL<br />
ENERGÉTICO<br />
En la escala termodinámica <strong>de</strong> ΔGº , el ATP es el único que posee un valor <strong>de</strong> ΔGº ,<br />
intermedio.<br />
Daremos el ΔGº <strong>de</strong> algunos compuestos fosforilados.<br />
ΔGº (kcal)<br />
Fosfoenol piruvato ……………………….<br />
-14.80<br />
1-3 difosfoglicerato ……………………... - 11.80<br />
Fosfocreatina …………………………….. - 10.30<br />
Acetil-fosfato …………………………….. -10,10<br />
Fosfoarginina …………………………….. - 7.70<br />
ATP ………………………………. - 7.30<br />
Glucosa-1- fosfato ……………………... - 5.00<br />
Fructosa-6-fosfato ……………………... - 3.80<br />
Glucosa-6-fosfato ……………………... - 3.30<br />
Gliceril-1-fosfato ………………………… - 2.20<br />
O sea que la función <strong>de</strong>l sistema ATP-ADP, consiste en servir como transportador<br />
obligatorio intermedio <strong>de</strong> grupos fosfato <strong>de</strong>s<strong>de</strong> los compuestos con enlaces fosfato <strong>de</strong><br />
elevado nivel energético, situados por encima <strong>de</strong>l ATP en la escala termodinámica,<br />
hasta las moléculas aceptoras que forman compuestos con enlaces fosfato <strong>de</strong> bajo nivel<br />
energético situados en la escala por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong>l ATP.<br />
COMPUESTOS FOSFATO DE ALTO NIVEL ENERGETICO<br />
Hay dos clases <strong>de</strong> compuestos fosforilados que poseen una ΔGº <strong>de</strong> hidrólisis más<br />
negativa que la <strong>de</strong>l ATP:<br />
1. Los compuestos fosfato que se forman durante la ruptura enzimática <strong>de</strong><br />
moléculas combustibles.<br />
2. Los compuestos fosfato utilizados como almacenadores <strong>de</strong> la energía <strong>de</strong>l enlace<br />
ΔG º<br />
ΔG º<br />
ATP<br />
ATP<br />
13
fosfato.<br />
Los dos miembros más importantes <strong>de</strong> la primera clase son el 1-3 difosfoglicerato y<br />
el fosfoenol piruvato, los cuales se forman durante la fermentación anaerobia <strong>de</strong> la<br />
glucosa (glucólisis).<br />
1-3 difosfoglicerato + ADP 3 fosfoglicerato + ATP ΔG º -4.5 kcal<br />
ATP + H2O ADP + Pi ΔG º -7.3 kcal<br />
Total<br />
-11.80 kcal<br />
Los compuestos fosfato <strong>de</strong> elevado nivel energético, que actúan como reservorio <strong>de</strong> la<br />
energía <strong>de</strong> enlaces fosfato, reciben con frecuencia el nombre <strong>de</strong> fosfágenos. Los dos<br />
fosfágenos principales son la fosfocreatina hallada en muchos vertebrados, y la<br />
fosfoarginina, presente en muchos invertebrados. Ambos se forman a partir <strong>de</strong> la<br />
creatina y <strong>de</strong> la arginina por transferencia <strong>de</strong> grupos fosfato <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el ATP en reacciones<br />
catalizadas por la creatin-fosfoquinasa y la arginin-fosfoquinasa, respectivamente.<br />
Ambas reacciones son reversibles pero el equilibrio se halla <strong>de</strong>splazado hacia la<br />
formación <strong>de</strong> ATP.<br />
fosfocreatina + ADP creatina + ATP<br />
COMPUESTOS FOSFATO DE BAJO NIVEL ENERGETICO<br />
La mayoría <strong>de</strong> los compuestos fosfato pobres en energía son ésteres fosfóricos <strong>de</strong><br />
alcoholes. Se conocen muchas enzimas que catalizan la transferencia <strong>de</strong> grupos fosfato<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> el ATP a aceptores <strong>de</strong> fosfato específicos, para formar compuestos fosfato pobres<br />
en energía; entre las enzimas mencionadas se hallan la glicero quinasa y la<br />
hexoquinasa, que catalizan la transferencia <strong>de</strong> fosfato <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el ATP a la glicerina y<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> el ATP a la D-glucosa, respectivamente.<br />
ATP + glicerina ADP + glicerol_3_fosfato ΔGº -4.5 kcal<br />
ATP + D-glucosa<br />
ADP + D.glucosa_6_fosfato ΔGº -7.3 kcal<br />
RUTAS ENZIMATICAS DE LA TRANSFERENCIA DE FOSFATO<br />
Fosfoenol piruvato<br />
1-3 difosfoglicerato<br />
P<br />
Aceptores <strong>de</strong> P<br />
<strong>de</strong> baja energía<br />
P<br />
ATP<br />
P<br />
P<br />
P<br />
Dadores <strong>de</strong> P <strong>de</strong> alta energía<br />
Reservorio <strong>de</strong> fosfocreatina<br />
Glucosa_6_fosfato<br />
Glicerol_3_fosfato<br />
14
La figura es un esquema <strong>de</strong> las reacciones enzimáticas <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> fosfato en la<br />
célula. Constituye un rasgo importante que el sistema ATP-ADP sea el nexo <strong>de</strong> unión<br />
obligado entre los compuestos fosfato <strong>de</strong> elevado y <strong>de</strong> bajo nivel energético. Los grupos<br />
fosfato se transfieren, en primer lugar, mediante la acción <strong>de</strong> fosfotransferasas<br />
específicas, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> compuestos <strong>de</strong> alto nivel energético al ADP, como en el ejemplo:<br />
fosfoenol piruvato + ADP<br />
piruvato -<br />
quinasa<br />
piruvato + ATP<br />
El ATP así formado se transforma entonces en el dador <strong>de</strong> fosfato específico <strong>de</strong> una<br />
segunda reacción enzimática, para formar compuestos fosfato <strong>de</strong> baja energía.<br />
ATP + D-glucosa<br />
La reacción global es la siguiente:<br />
hexoquinasa<br />
ADP + D-glucosa_6_fosfato<br />
fosfoenol piruvato + D-glucosa piruvato + D-glucosa_6_fosfato<br />
El resultado final es la transferencia <strong>de</strong> un grupo fosfato <strong>de</strong>s<strong>de</strong> un donador <strong>de</strong> energía<br />
elevado a un aceptor <strong>de</strong> bajo nivel energético, a través <strong>de</strong>l sistema ATP-ADP, que actúa<br />
como intermediario. El contenido <strong>de</strong> energía <strong>de</strong> la D-glucosa se ha elevado al<br />
fosforilarse, la glucosa-6-fosfato pue<strong>de</strong> consi<strong>de</strong>rarse una forma <strong>de</strong> glucosa que ha<br />
recibido energía. En el flujo principal <strong>de</strong> reacciones transferidoras <strong>de</strong> energía <strong>de</strong> la<br />
célula, la transferencia <strong>de</strong>l fosfato nunca se produce directamente <strong>de</strong>s<strong>de</strong> un compuesto<br />
<strong>de</strong> elevado nivel energético como el 1-3 difosfoglicerato a un aceptor <strong>de</strong> fosfato <strong>de</strong> bajo<br />
nivel energético, como por ejemplo, la glicerina, no se han encontrado enzimas capaces<br />
<strong>de</strong> catalizar tales transferencias directas <strong>de</strong> fosfato. Esencialmente, todas las reacciones<br />
<strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> fosfato en la célula tienen que efectuarse a través <strong>de</strong>l sistema ATP-<br />
ADP.<br />
La figura también muestra el papel <strong>de</strong> reservorio <strong>de</strong>sempeñado por la fosfocreatina, que<br />
se forma por transferencia enzimática directa <strong>de</strong> un grupo fosfato <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el ATP a la<br />
creatina; no existe ningún otro camino para su formación. A<strong>de</strong>más, la única ruta principal<br />
conocida para su <strong>de</strong>sfoforilación es la inversa <strong>de</strong> la reacción por la que se forma. El<br />
sistema reservorio <strong>de</strong> la fosfocreatina es muy importante en el músculo esqueletal.<br />
También se encuentra en el músculo liso y en las células nerviosas, y en pequeñas<br />
cantida<strong>de</strong>s en el hígado, riñón y otros tejidos <strong>de</strong> mamíferos.<br />
PRINCIPIO DEL INTERMEDIARIO COMUN<br />
En dos reacciones consecutivas en que un producto <strong>de</strong> la primera es un sustrato <strong>de</strong> la<br />
segunda, como ocurre en las siguientes reacciones:<br />
A + B<br />
D + E<br />
C + D<br />
F + G<br />
15
ambas reacciones están ligadas por un intermediario común, en este caso el<br />
componente D.<br />
El único camino mediante el cual la energía química pue<strong>de</strong> ser transferida <strong>de</strong>s<strong>de</strong> una<br />
reacción a otra en condiciones isotérmicas es el <strong>de</strong> que ambas reacciones posean un<br />
intermediario <strong>de</strong> reacción común. Casi todas las reacciones metabólicas <strong>de</strong> la célula se<br />
realizan mediante secuencias <strong>de</strong> esta clase.<br />
En las reacciones consecutivas, responsables <strong>de</strong> la transferencia <strong>de</strong> energía a través <strong>de</strong>l<br />
ATP, la energía química se transfiere <strong>de</strong>s<strong>de</strong> un dador fosfato <strong>de</strong> elevada energía hasta<br />
el ADP, y se conserva en forma <strong>de</strong> ATP como producto <strong>de</strong> reacción. En la reacción<br />
subsiguiente, el ATP se comporta como un sustrato, y cuando pier<strong>de</strong> su grupo fosfato<br />
terminal, que ce<strong>de</strong> a la molécula <strong>de</strong>l aceptor, ésta última aumenta su contenido<br />
energético. Por lo tanto, el ATP es el intermediario común.<br />
En realidad, la transferencia <strong>de</strong> intermediarios comunes constituye un atributo general <strong>de</strong><br />
las reacciones químicas consecutivas y no necesita por fuerza, ni grupos fosfatos, ni<br />
ATP.<br />
En efecto, veremos que muchos grupos funcionales distintos <strong>de</strong>l fosfato, por ejemplo,<br />
átomos <strong>de</strong> hidrógeno, grupos acetilo, se transfieren enzimáticamente mediante<br />
reacciones consecutivas que poseen intermediarios comunes, tales reacciones pue<strong>de</strong>n<br />
analizarse termodinámicamente por los mismos métodos que se han <strong>de</strong>sarrollado para<br />
el caso especial <strong>de</strong> las transferencias <strong>de</strong>l grupo fosfato.<br />
CANALIZACION DE GRUPOS FOSFATO POR LA VIA DE OTROS NUCLEOSIDOS 5'<br />
TRIFOSFATO<br />
Aunque el sistema ATP-ADP constituye el transportador obligado <strong>de</strong> fosfato en el flujo<br />
principal <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> energía en la célula, también participan en dichas<br />
transferencias los 5' di y trifosfatos <strong>de</strong> otros ribonucleósidos y los 2<br />
<strong>de</strong>soxirribonucleósidos.<br />
Los 5' di y trifosfatos <strong>de</strong> diversos ribonucleósidos no solamente actúan como precursores<br />
en la síntesis <strong>de</strong> ARN, sino también canalizan los grupos fosfato <strong>de</strong> alto contenido en<br />
energía hacia reacciones biosintéticas específicas.<br />
P<br />
ATP<br />
P<br />
P<br />
P<br />
P<br />
P<br />
P<br />
P<br />
P<br />
P<br />
P<br />
UTP<br />
ATP<br />
GTP<br />
ATP<br />
CTP<br />
ATP<br />
CTP<br />
GTP<br />
UTP<br />
ATP<br />
d ATP<br />
d GTP<br />
d TTP<br />
d CTP<br />
Polisacáridos<br />
Proteínas<br />
Lípidos<br />
ARN<br />
ADN<br />
16
Todas estas canalizaciones conectan con el ATP mediante la enzima nucleósidos<br />
difosfoquinasa presente en las mitocondrias y en el citoplasma <strong>de</strong> la célula, cataliza las<br />
reacciones <strong>de</strong>l tipo mostrado en el esquema.<br />
Cada tipo <strong>de</strong> nucleósido trifosfato posee una función especializada. Por ejemplo: el<br />
UTP es el dador <strong>de</strong> fosfato inmediato, y por lo tanto el donador <strong>de</strong> energía <strong>de</strong> reacciones<br />
que conducen a la síntesis <strong>de</strong> polisacáridos.<br />
PAPEL DEL AMP Y DEL PIROFOSFATO<br />
Aunque el ADP constituye el producto <strong>de</strong> muchas reacciones celulares que emplean el<br />
ATP, y el ADP es el aceptor directo <strong>de</strong>l fosfato en las reacciones productoras <strong>de</strong> energía<br />
<strong>de</strong> la glicólisis y <strong>de</strong> la fosforilación oxidativa <strong>de</strong> la mitocondria; en muchas <strong>de</strong> las<br />
reacciones que utilizan el ATP en la célula los dos grupos fosfato terminales <strong>de</strong> éste se<br />
separan conjuntamente en forma <strong>de</strong> pirofosfato y se libera AMP como producto.<br />
ATP AMP + PP i<br />
El pirofosfato inorgánico es un compuesto fosfato <strong>de</strong> nivel energético elevado que posee<br />
un ΔGº <strong>de</strong> hidrólisis comparable al fosfato terminal <strong>de</strong>l ATP. Para regenerar el ATP a<br />
partir <strong>de</strong> PPi y AMP intervienen dos enzimas auxiliares: la pirofosfatasa inorgánica y la<br />
a<strong>de</strong>nilato-quinasa. La primera cataliza la hidrólisis <strong>de</strong>l pirofosfato inorgánico (PPi).<br />
PP i + H 2 O 2 P i<br />
Esta hidrólisis secundaria <strong>de</strong>l pirofosfato constituye una etapa valiosa <strong>de</strong> liberación <strong>de</strong><br />
energía, la cual se utiliza para asegurar que ciertas reacciones biosintéticas se realicen<br />
por completo.<br />
El Pi formado se utiliza para la regeneración <strong>de</strong>l ATP a partir <strong>de</strong> ADP. La a<strong>de</strong>nilatoquinasa<br />
cataliza la refosforilación <strong>de</strong>l AMP a ADP.<br />
ATP + AMP ADP + ADP<br />
El ATP, el ADP y el AMP <strong>de</strong> la célula existen en concentraciones constantes.<br />
17
TEMA XIV: GLUCOLISIS<br />
Vamos a consi<strong>de</strong>rar los mecanismos por los que las moléculas combustibles se<br />
<strong>de</strong>gradan y su energía se conserva en forma <strong>de</strong> energía <strong>de</strong> enlace fosfato ATP.<br />
Se estudiarán los procesos conocidos como fermentación, mediante el cual muchos<br />
organismos extraen energía química <strong>de</strong> la glucosa y otros combustibles en ausencia <strong>de</strong><br />
oxígeno molecular.<br />
Nos referimos primeramente el proceso <strong>de</strong> fermentación para luego po<strong>de</strong>r hablar <strong>de</strong><br />
respiración.<br />
FERMENTACION Y RESPIRACION<br />
Los organismos inferiores que viven en condiciones anaerobias (ciertas bacterias,<br />
invertebrados inferiores) obtienen su energía <strong>de</strong> la fermentación <strong>de</strong> la glucosa. Los<br />
organismos que viven en condiciones aerobias (hongos, bacterias, mayoría <strong>de</strong> los<br />
animales y plantas superiores) <strong>de</strong>gradan sus combustibles por la ruta anaerobia pero<br />
<strong>de</strong>spués oxidan los productos <strong>de</strong> la fermentación utilizando el oxígeno molecular.<br />
En esta fermentación el oxidante final o aceptor final es una molécula orgánica<br />
producida en el proceso fermentativo.<br />
En los organismos superiores la ruta anaerobia es una primera etapa <strong>de</strong> la fase aerobia<br />
<strong>de</strong> la respiración.<br />
Utilización <strong>de</strong> la glucosa por los organismos inferiores superiores:<br />
La ruta <strong>de</strong> la fermentación es común tanto en la utilización anaerobia <strong>de</strong> la glucosa como<br />
en la aerobia.<br />
sin O 2<br />
Anaerobios<br />
glucosa<br />
fermentación<br />
productos <strong>de</strong> la fermentación<br />
sin O 2<br />
Aerobios<br />
glucosa<br />
fermentación<br />
productos <strong>de</strong> la fermentación<br />
con CO 2<br />
CO 2 + H 2 O<br />
Entre las clases <strong>de</strong> fermentación nombraremos la fermentación homoláctica y la<br />
alcohólica.<br />
La fermentación homoláctica: La molécula <strong>de</strong> glucosa <strong>de</strong> 6 átomos <strong>de</strong> carbono<br />
se <strong>de</strong>grada a dos moléculas <strong>de</strong> ácido láctico <strong>de</strong> tres átomos <strong>de</strong> carbono. Este<br />
18
proceso se <strong>de</strong>nomina glucólisis que significa lisis <strong>de</strong> la glucosa.<br />
La fermentación alcohólica: La molécula <strong>de</strong> glucosa <strong>de</strong> 6 átomos <strong>de</strong> carbono se<br />
<strong>de</strong>grada a dos moléculas <strong>de</strong> etanol <strong>de</strong> 2 átomos <strong>de</strong> carbono y 2 <strong>de</strong> CO 2 .<br />
C C C C C C<br />
triosas<br />
C C C C C C<br />
ácido<br />
láctico<br />
CH 3<br />
CHOH<br />
COOH<br />
1. Glucosa<br />
ácido<br />
láctico<br />
CH 3<br />
CHOH<br />
COOH<br />
2. Glucosa<br />
C C C C C C<br />
triosas<br />
C C C C C C<br />
etanol etanol<br />
CH 3<br />
CH 2 OH<br />
+<br />
CO 2<br />
CH 3<br />
CH 2 OH<br />
En estas reacciones tenemos que hablar <strong>de</strong> las reacciones <strong>de</strong> óxido reducción que se<br />
producen en todo organismo don<strong>de</strong> el agente oxidante recibe los electrones y el agente<br />
reductor entrega electrones.<br />
En este caso <strong>de</strong> la fermentación alcohólica el etanol es una molécula relativamente<br />
reducida rica en H 2 , pobre en O 2 . La molécula <strong>de</strong> CO 2 es relativamente oxidada, pobre<br />
en H 2 .<br />
En el caso <strong>de</strong> la fermentación homoláctica el grupo metilo se halla más reducido que el<br />
grupo carbonilo. Veamos la reacción completa:<br />
1. Glucosa<br />
C<br />
HCOH<br />
HOC H<br />
HCOH<br />
HCOH<br />
CH 2<br />
OH<br />
O<br />
H<br />
2. Glucosa + 2 P i + 2 ADP<br />
+ 2 P i + 2 ADP 2<br />
CH 3<br />
Ácido láctico<br />
CH 3<br />
+<br />
CO 2<br />
CH OH + 2 ATP + 2 H2O COOH<br />
2 + 2 CO 2 + 2 ATP + 2 H 2 O<br />
CH 2 OH<br />
Etanol<br />
19
ANALIZAREMOS LA REACCION ENERGETICA DE LA GLUCOLISIS<br />
1) La conversión <strong>de</strong> glucosa en lactato es exergónica y 2) la formación <strong>de</strong> ATP a<br />
partir <strong>de</strong> ADP y <strong>de</strong> Pi es en<strong>de</strong>rgónica.<br />
Se <strong>de</strong>duce <strong>de</strong> estos datos que la transformación <strong>de</strong> glucosa en lactato proporciona<br />
energía para producir la fosforilación <strong>de</strong> 2 moléculas <strong>de</strong> ADP a ATP. Esta reacción es<br />
irreversible. Lo <strong>de</strong>muestra el ΔGº negativo.<br />
ETAPA DE LA GLUCOLISIS:<br />
La glucólisis es catalizada por la acción <strong>de</strong> un grupo <strong>de</strong> 11 enzimas. Se cree que están<br />
localizadas en la porción soluble <strong>de</strong>l citoplasma. Se pue<strong>de</strong>n consi<strong>de</strong>rar dos etapas o<br />
fases. En la primera fase la glucosa se fosforila y se escin<strong>de</strong> pare formar gliceral<strong>de</strong>hído<br />
3 P; y en la segunda fase éste se convierte en ácido láctico.<br />
LA FASE I: Constituye un proceso preparativo o <strong>de</strong> congregación en el que cierto<br />
número <strong>de</strong> hexosas penetran en el esquema, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> fosforilarse a expensas<br />
<strong>de</strong>l ATP, y dan un producto común, el gliceral<strong>de</strong>hído 3 P.<br />
LA FASE <strong>II</strong>: Es la ruta común para todos los azúcares, se produce la fosforilación<br />
<strong>de</strong>l ADP y se llevan a cabo las reacciones <strong>de</strong> óxido reducción, obteniéndose el<br />
lactato.<br />
En este proceso hay tres tipos <strong>de</strong> transformaciones interconectadas.<br />
1º.- La ruta <strong>de</strong> los átomos <strong>de</strong> carbono: o sea <strong>de</strong>gradación <strong>de</strong> la glucosa para<br />
formar ácido láctico.<br />
2º.- La ruta <strong>de</strong>l fosfato: o sea que el Pi (fósforo inorgánico) se transforma en P<br />
<strong>de</strong>l ATP.<br />
3º.- La ruta <strong>de</strong> los electrones: o sea las reacciones <strong>de</strong>l óxido-reducción.<br />
20
FASE I<br />
Congregación <strong>de</strong> azúcares sencillos y<br />
su conversión en fosfato <strong>de</strong><br />
gliceral<strong>de</strong>hído; entrada <strong>de</strong> ATP<br />
FASE <strong>II</strong><br />
Oxidación - reducción y formación<br />
acoplada <strong>de</strong> ATP; salida <strong>de</strong> lactato<br />
galactosa<br />
manosa<br />
pentosa<br />
2 ATP<br />
2 ATP<br />
glucosa almidón<br />
glucogeno<br />
ATP<br />
ADP<br />
glucosa-6-P<br />
fructosa-6-P<br />
ATP ADP<br />
2 NAD +<br />
2 ADP<br />
2 ADP<br />
2 NAD +<br />
P i<br />
fructosa-1-6-di P<br />
gliceal<strong>de</strong>hído-3-P (2)<br />
1,3 difosfoglicerato (2)<br />
3 difosfoglicerato (2)<br />
2 difosfoglicerato (2)<br />
fosfoenolpiruvato (2)<br />
piruvato (2)<br />
2 lactato<br />
Pi glucosa-1-P<br />
2 NADH<br />
21
1. Fosforilación <strong>de</strong> glucosa por el ATP: catalizada por dos enzimas: la<br />
hexoquinasa y glucoquinasa.<br />
Mg ++<br />
ATP + glucosa ADP + glucosa-6-P kcal 4 º G<br />
Es una reacción irreversible.<br />
La hexoquinasa es <strong>de</strong> mayor afinidad que la glucoquinasa por la glucosa. La<br />
glucoquinasa solo actúa cuando hay alta concentración <strong>de</strong> glucosa en sangre; las<br />
dos enzimas necesitan <strong>de</strong>l catión Mg ó Mn para formar el verda<strong>de</strong>ro sustrato que<br />
es Mg Mn ATP . La hexoquinasa actúa también fosforilando otras hexosas. La<br />
reacción es irreversible.<br />
H<br />
OH OH<br />
CH 2 OH<br />
H<br />
H<br />
glucosa<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
+ ATP ADP +<br />
H<br />
CH 2<br />
H<br />
OH OH<br />
H<br />
OPO 3 =<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
glucosa-6-fosfato<br />
H<br />
OH<br />
ΔG º<br />
-4 kcal<br />
2. Conversión <strong>de</strong> glucosa-6-P a fructosa-6-P: Catalizada por la<br />
fosfoglucoisomerasa.<br />
H<br />
CH 2<br />
H<br />
OH OH<br />
H<br />
OPO 3 =<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
CH 2<br />
OH OH<br />
OPO 3 =<br />
O<br />
glucosa-6-P fructosa-6-P<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
CH 2<br />
OH<br />
OH<br />
ΔG º<br />
0.4 kcal<br />
(reacción reversible)<br />
3. Fosforilación <strong>de</strong> la fructosa-6-fosfato a fructosa 1-6 difosfato. Interviene una<br />
segunda molécula <strong>de</strong> ATP. Esta reacción es catalizada por la fosfofructoquinasa.<br />
CH 2<br />
OH OH<br />
OPO 3 =<br />
O<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
CH 2<br />
OH<br />
CH 2<br />
OPO 3 =<br />
O<br />
+ ATP ADP + ΔG º -3.4 kcal<br />
OH OH H<br />
OH<br />
OH (reacción irreversible)<br />
H<br />
OH<br />
CH 2<br />
OPO 3 =<br />
22
4. Escisión <strong>de</strong> la fructosa 1 - 6 difosfato por una aldosa (la fructosa-1-6-difosfato<br />
gliceral<strong>de</strong>hído 3-liasa) dando fosfato <strong>de</strong> dihidroxiacetona + gliceral<strong>de</strong>hído-3fosfato.<br />
1.<br />
2.<br />
CH 2<br />
C<br />
3. HOCH<br />
4.<br />
5.<br />
6.<br />
HCOH<br />
HCOH<br />
CH 2<br />
O<br />
OPO 3 =<br />
OPO 3 =<br />
fructosa 1-6-di P<br />
(ca<strong>de</strong>na abierta)<br />
1.<br />
2.<br />
3.<br />
CH 2<br />
C<br />
CH 2<br />
O<br />
OPO 3 =<br />
OH<br />
fosfato <strong>de</strong><br />
dihidroxiacetona<br />
INTERCONVERSION DE LOS FOSFATOS DE TRIOSA<br />
+<br />
4.<br />
H<br />
C<br />
5. HCOH<br />
6.<br />
CH 2<br />
O<br />
ΔG º<br />
OPO 3 =<br />
gliceral<strong>de</strong>hído 3-P<br />
5.73 kcal<br />
Solamente uno <strong>de</strong> los dos fosfatos <strong>de</strong> triosa, el gliceral<strong>de</strong>hído 3-fosfato, pue<strong>de</strong> ser<br />
directamente <strong>de</strong>gradado en las reacciones posteriores <strong>de</strong> la glucólisis. El otro, el<br />
fosfato <strong>de</strong> dihidroxiacetona, se convierte reversiblemente en gliceral<strong>de</strong>hído-3-fosfato<br />
por acción <strong>de</strong> la enzima triosa fosfato isomerasa.<br />
O<br />
CH 2<br />
C<br />
CH 2<br />
OPO 3 =<br />
O<br />
OH<br />
C<br />
HCOH<br />
CH 2<br />
H<br />
OPO 3 =<br />
1.<br />
83<br />
Así en la primera fase una molécula <strong>de</strong> glucosa da dos moléculas <strong>de</strong> gliceral<strong>de</strong>hído<br />
3 P.<br />
SEGUNDA FASE<br />
ΔGº<br />
1. Oxidación <strong>de</strong>l gliceral<strong>de</strong>hído 3 P a 1-3 difosfoglicerato.<br />
La enzima que actúa es G_3_fosfato <strong>de</strong>shidrogenasa, o gliceral<strong>de</strong>hído 3 fosfato<br />
<strong>de</strong>shidrogenasa.<br />
2 gliceral<strong>de</strong>hído-3-P + 2 NAD + + 2 P i<br />
kcal<br />
(2) 1,3 di-fosfoglicerato + 2 NADH + 2 H +<br />
23
H<br />
C<br />
2 HCOH + NAD + + Pi CH 2<br />
O<br />
OPO 3 =<br />
C<br />
HC OH<br />
CH 2<br />
El NAD+ y el NADH transportan los electrones.<br />
O<br />
O PO 3 =<br />
2 O PO 3 = + NADH + H +<br />
2. Transferencia <strong>de</strong> fosfato <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el 1-3 difosfoglicerato al ADP.<br />
El 1-3 difosfoglicerato + ADP da 3-fosfoglicerato + 2 ATP; es catalizada la<br />
reacción por la enzima fosfogliceratoquinasa.<br />
1.<br />
2. HCOH<br />
3.<br />
C<br />
CH 2<br />
O<br />
O PO 3 =<br />
OPO 3 =<br />
+ ADP<br />
3.<br />
CH 2<br />
2. HCOH<br />
+ ATP<br />
1.<br />
COO -<br />
OPO 3 =<br />
3. Conversión <strong>de</strong>l 3-fosfoglicerato dando 2-fosfoglicerato.<br />
Actúa la fosfogliceratomutasa.<br />
CH 2<br />
HCOH<br />
COO -<br />
OPO 3 =<br />
CH 2<br />
ΔG º<br />
ΔG º<br />
4.<br />
50<br />
1.<br />
5<br />
kcal<br />
(reacción irreversible)<br />
HCOPO 3 = ΔG º 1.<br />
06 kcal<br />
COO -<br />
OH<br />
3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato<br />
4. El 2-fosfoglicerato da fosfoenolpiruvato + H20 por medio <strong>de</strong> una enzima, la<br />
enolasa, en un proceso <strong>de</strong> <strong>de</strong>shidratación.<br />
kcal<br />
24
CH 2<br />
H COPO<br />
3 =<br />
COO -<br />
OH<br />
2-fosfoglicerato<br />
enolasa<br />
CH 2<br />
C<br />
COO -<br />
O PO 3 =<br />
fosfoenolpiruvato<br />
+ H 2 O<br />
5. Transferencia <strong>de</strong> fosfato <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el fosfoenolpiruvato al ADP.<br />
ΔG º<br />
0.<br />
44<br />
El fosfoenolpiruvato da piruvato por una enzima piruvato quinasa en presencia <strong>de</strong><br />
ADP y Mg .<br />
CH 2<br />
C<br />
COO -<br />
O PO 3 =<br />
fosfoenolpiruvato<br />
+ ADP ATP +<br />
CH 3<br />
C<br />
O<br />
COO -<br />
piruvato<br />
ΔG º<br />
7.<br />
5<br />
kcal<br />
kcal<br />
(reacción irreversible)<br />
6. Reducción <strong>de</strong> piruvato a lactato. Piruvato da lactato por medio <strong>de</strong> lactato<br />
<strong>de</strong>shidrogenasa.<br />
CH 3<br />
C<br />
COO -<br />
piruvato<br />
O + NADH + H ΔGº 6.<br />
0 kcal<br />
+ + NAD +<br />
HCOH<br />
CH 3<br />
COO -<br />
lactato<br />
En condiciones anaerobias el lactato es producto final <strong>de</strong> la glucólisis el cual difun<strong>de</strong><br />
a través <strong>de</strong> la membrana plasmática <strong>de</strong> la célula hacia el entorno como producto <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>secho. Cuando las células musculares <strong>de</strong> los animales superiores actúan <strong>de</strong><br />
manera anaerobia durante cortos esfuerzos <strong>de</strong> actividad vigorosa<br />
(excepcionalmente) el lactato escapa <strong>de</strong>s<strong>de</strong> las células musculares a la sangre y es<br />
transformado nuevamente en glucosa en el hígado.<br />
25
BALANCE GLOBAL<br />
2 ADP<br />
glucosa + 2 ATP + 2 NAD + + 2 P i + 4 ADP + 2 NADH + + 2 H +<br />
+ 2 ATP + 2 NADH + 4 ATP + 2 H 2 O + 2 H + + 2NAD +<br />
glucosa + 2 P i + 2 ADP 2 lactato + 2 ATP + 2 H 2 O<br />
ENTRADA DE LOS OTROS HIDRATOS DE CARBONO<br />
2 lactato + 2 ADP +<br />
Los polisacáridos <strong>de</strong> reserva el glucógeno, almidón, azúcares sencillos distintos <strong>de</strong><br />
la glucosa penetran en la primera fase <strong>de</strong> la glucólisis.<br />
El glucógeno y el almidón penetran por la acción <strong>de</strong> dos enzimas que actúan sobre<br />
los extremos terminales no reductores <strong>de</strong> la molécula, escindiendo los enlaces alfa<br />
(1-4). Otra enzima actúa sobre las ramificaciones alfa (1-6) dando glucosa-1-fosfato<br />
para luego dar glucosa-6-fosfato. Los azúcares sencillos una vez fosforilados, por ej.<br />
: manosa-6-P, fructosa-6-P recién penetran al ciclo.<br />
manosa + ATP<br />
fructosa + ATP<br />
manosa-6-P + ADP<br />
fructosa-6-P + ADP<br />
26
TEMA XV: CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS Y VIA DEL<br />
FOSFOGLUCONATO<br />
Energética <strong>de</strong> la fermentación y respiración. Plan <strong>de</strong> organización <strong>de</strong> la respiración.<br />
Oxidación <strong>de</strong>l piruvato a acetil CoA. Ciclo <strong>de</strong> Krebs. Vías <strong>de</strong>l fosfogluconato.<br />
Las células aerobias obtienen la mayor parte <strong>de</strong> su energía <strong>de</strong> la respiración, esto<br />
es, gracias a una transferencia <strong>de</strong> electrones <strong>de</strong>s<strong>de</strong> les moléculas orgánicas<br />
combustibles hasta el oxigeno molecular. La respiración es mucho más compleja<br />
que la glicólisis.<br />
En este tema se esboza el plan general <strong>de</strong> le respiración y <strong>de</strong>spués se consi<strong>de</strong>ra<br />
con <strong>de</strong>tenimiento el ciclo <strong>de</strong>l ácido tricarboxílico <strong>de</strong> Krebs, que es la ruta catabólica<br />
común por la que finalmente se <strong>de</strong>gradan todas las moléculas combustibles <strong>de</strong> la<br />
célula (carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos).<br />
También se <strong>de</strong>scribe la ruta <strong>de</strong>l fosfogluconato <strong>de</strong> oxidación <strong>de</strong> la glucosa,<br />
mecanismo que genera potencial <strong>de</strong> reducción para las reacciones biosintéticas.<br />
ENERGETICA DE LA FERMENTACION Y LA RESPIRACION<br />
En la glicólisis se libera solamente una fracción muy pequeña <strong>de</strong> la energía química<br />
potencialmente asequible en la estructura <strong>de</strong> la molécula <strong>de</strong> glucosa. Se libera más<br />
energía cuando ésta se oxida completamente a CO 2 y H2 O como se pone <strong>de</strong><br />
manifiesto al comparar las variaciones <strong>de</strong> energía libre estándar <strong>de</strong> la conversión<br />
anaerobia <strong>de</strong> la glucosa en lactato y <strong>de</strong> su oxidación a CO 2 y H2 O .<br />
glucosa<br />
glucosa + 6 O 2<br />
2 lactato<br />
ΔG º<br />
6 CO 2 + 6 H 2 O<br />
47 kcal<br />
ΔG º<br />
686 kcal<br />
Cuando las células fermentan a la glucosa anaerobiamente, los productos que ya no<br />
son susceptibles <strong>de</strong> ulterior empleo, y por ello abandonan la célula, todavía<br />
contienen la mayor parte <strong>de</strong> la energía <strong>de</strong> la molécula <strong>de</strong> glucosa original. Por esta<br />
razón, las células que viven anaerobiamente, para obtener una misma cantidad <strong>de</strong><br />
energía utilizable tienen que consumir mucho más glucosa que cuando viven en<br />
condiciones aerobias.<br />
¿Por qué rin<strong>de</strong> la respiración mucho más energía que la glicólisis?<br />
En primer lugar, el producto <strong>de</strong> la glicólisis, el ácido láctico, es una molécula casi tan<br />
compleja como la <strong>de</strong> glucosa y sus átomos <strong>de</strong> carbono todavía se hallan en un<br />
mismo estado <strong>de</strong> oxidación. El CO 2 , producto <strong>de</strong> la respiración, es una molécula<br />
mucho más sencilla y pequeña que la glucosa, y su átomo <strong>de</strong> carbono está<br />
completamente oxidado. En segundo lugar, la cantidad <strong>de</strong> energía que se libera en<br />
la transferencia <strong>de</strong> un par <strong>de</strong> electrones <strong>de</strong>s<strong>de</strong> una molécula combustible<br />
<strong>de</strong>terminada a un aceptor electrónico, varía con la naturaleza <strong>de</strong>l aceptor. Pue<strong>de</strong><br />
liberarse mucha más energía cuando el aceptor electrónico el oxígeno molecular,<br />
como ocurre en la respiración, que cuando es el piruvato el que actúa como aceptor,<br />
que es el caso <strong>de</strong> la glicólisis.<br />
27
ORGANIGRAMA RESPIRATORIO<br />
En la figura se muestra un diagrama <strong>de</strong> la respiración. lkk<br />
Los grupos acetilo proce<strong>de</strong>ntes <strong>de</strong> los carbohidratos, <strong>de</strong> los lípidos y <strong>de</strong> los<br />
aminoácidos en la fase <strong>II</strong> <strong>de</strong>l catabolismo, en la siguiente fase <strong>II</strong>I se incorporan al<br />
ciclo <strong>de</strong> Krebs, que en las aerobias constituye la ruta común final <strong>de</strong>l catabolismo<br />
oxidativo <strong>de</strong> todas las moléculas combustibles. En este ciclo los grupos acetilo se<br />
<strong>de</strong>sintegran para formar CO 2 y átomos <strong>de</strong> hidrógeno. Estos últimos (o sus electrones<br />
equivalentes) posteriormente se incorporan a la ca<strong>de</strong>na respiratoria constituída por<br />
una serie <strong>de</strong> transportadores electrónicos.<br />
El proceso subsiguiente <strong>de</strong> transporte <strong>de</strong> electrones hasta el oxígeno molecular se<br />
realiza con un <strong>de</strong>scenso muy gran<strong>de</strong> <strong>de</strong> energía libre, gran parte <strong>de</strong> la cual se<br />
conserve en forma <strong>de</strong> ATP, gracias a la fosforilación oxidativa acoplada <strong>de</strong>l ATP.<br />
La reacción global catalizada por el ciclo <strong>de</strong> Krebs es la siguiente:<br />
CH 3 COOH + 2 H 2 O 2 CO 2 + 8 H +<br />
Como pue<strong>de</strong> verse en la ecuación, no participan en el ciclo ni el oxígeno molecular,<br />
ni el fosfato inorgánico, ni el ATP.<br />
Su función primaria consiste en la <strong>de</strong>shidrogenación <strong>de</strong>l ácido acético para formar,<br />
en último término, dos moléculas <strong>de</strong> CO 2 y cuatro pares <strong>de</strong> átomos <strong>de</strong> hidrógeno.<br />
Este proceso es catalizado en una serie cíclica <strong>de</strong> reacciones consecutivas, en<br />
contraste con la secuencia glicolítica, que es lineal.<br />
En cada vuelta <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> Krebs se incorpora una molécula <strong>de</strong> ácido acético (dos<br />
átomos <strong>de</strong> carbono) por con<strong>de</strong>nsación con una molécula <strong>de</strong>l compuesto <strong>de</strong> cuatro<br />
carbonos, el ácido oxal acético, para formar el ácido cítrico <strong>de</strong> seis átomos <strong>de</strong><br />
carbono.<br />
Posteriormente, el ácido cítrico se <strong>de</strong>grada con producción <strong>de</strong> dos moléculas <strong>de</strong><br />
CO2 y ácido succínico, compuesto <strong>de</strong> cuatro átomos <strong>de</strong> carbono. Finalmente, este<br />
último se oxida a ácido oxalacético, con lo que pue<strong>de</strong> iniciarse <strong>de</strong> nuevo una vuelta<br />
<strong>de</strong>l ciclo. En cada una <strong>de</strong> las vueltas se incorpora una molécula <strong>de</strong> ácido acético y se<br />
eliminan dos moléculas <strong>de</strong> CO 2 , en cada giro completo se emplea también una<br />
molécula <strong>de</strong> oxal acetato para formar citrato, pero aquel se regenera al final <strong>de</strong>l<br />
ciclo.<br />
Por tanto, cuando el ciclo funciona no hay pérdida neta <strong>de</strong> oxalacetato, basta con<br />
una molécula para llevar a cabo la oxidación <strong>de</strong> un número infinito <strong>de</strong> moléculas <strong>de</strong><br />
acetato.<br />
Las reacciones enzimáticas <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> Krebs tienen lugar en el compartimiento<br />
interno <strong>de</strong> la mitocondria (a diferencia <strong>de</strong> la glucolisis que tiene lugar en el<br />
citoplasma celular).<br />
28
Movilización <strong>de</strong>l<br />
acetil CoA<br />
Ciclo <strong>de</strong>l ácido<br />
tricarboxilo<br />
Transporte electrónico<br />
y fosforilación<br />
oxidativa<br />
2H +<br />
Aminoacidos<br />
oxalacetato<br />
malato<br />
fumarato<br />
ADP + P i<br />
Carbohidrato<br />
Piruvato<br />
2H CO 2<br />
Acetil-CoA<br />
CO 2<br />
CO 2<br />
citrato<br />
Ácidos<br />
grasos<br />
cis-aconitato<br />
isocitrato<br />
-oxoglutarato<br />
succinato<br />
2H 2H 2H 2H<br />
ADP + P i<br />
+<br />
ADP A Pi 2 H + + 1/2 O 2<br />
NAD<br />
flavoproteina<br />
coenzima Q<br />
citocromo b<br />
citocromo c<br />
citocromo a + a 3<br />
H 2 O<br />
ATP<br />
ATP<br />
ATP<br />
29
Oxidación <strong>de</strong>l Piruvato a acetil CoA<br />
NAD +<br />
Piruvato<br />
HS-CoA CO 2<br />
Acetil-CoA<br />
La ecuación global es:<br />
NADH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH<br />
(CH 2 ) 4<br />
COOH<br />
S<br />
S<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
O<br />
C<br />
O<br />
C<br />
COOH<br />
S<br />
CoA + CO 2<br />
Piruvato + NAD + + HSCoA acetil-S-CoA+ NADH2 + CO 2<br />
Gº<br />
8.<br />
0<br />
kcal<br />
La oxidación <strong>de</strong> piruvato a acetil-SCoA, catalizada por el sistema piruvato<strong>de</strong>shidrogenasa,<br />
en realidad constituye un proceso muy complejo.<br />
A causa <strong>de</strong>l gran <strong>de</strong>scenso <strong>de</strong> energía libre estándar, la reacción es esencialmente<br />
irreversible. Aunque en si misma no forma parte <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong>l ácido<br />
tricarboxílico, constituye una etapa obligatoria, mediante le cual los hidratos <strong>de</strong><br />
carbono se incorporan al ciclo.<br />
En este proceso participan dos coenzimas importantes: CoA y ácido lipoico.<br />
CoA: Actúa como transportador <strong>de</strong> grupos acilo, efectuando una función análoga<br />
a la que <strong>de</strong>sempeña el ATP como transportador <strong>de</strong> grupos fosfato. La forma<br />
acetilada <strong>de</strong> la coenzima A (acetil CoA) es un tioéster <strong>de</strong>l ácido acético. El<br />
tioéster es un enlace <strong>de</strong> elevado contenido energético, es <strong>de</strong>cir, posee un G º<br />
fuertemente negativo.<br />
acetil-S-CoA + H2O acetato + CoA - SH kcal 52 . 7 º G<br />
Ácido lipoico: es un factor <strong>de</strong> crecimiento para algunos microorganismos, un<br />
ácido graso saturado <strong>de</strong> 8 átomos <strong>de</strong> carbono, en el que los carbonos 6 y 8 están<br />
unidos por un grupo disulfuro formando un anillo <strong>de</strong> cinco términos.<br />
30
La <strong>de</strong>carboxilación oxidante <strong>de</strong>l piruvato a acetil CoA CO2<br />
necesita tres enzimas<br />
diferentes y 5 coenzimas que constituyen el:<br />
Sistema <strong>de</strong> la<br />
piruvato-<strong>de</strong>shidrogenasa<br />
enzimas<br />
coenzimas<br />
Piruvato-<strong>de</strong>shidrogenasa<br />
dihidrolipoil-transacetilasa<br />
dihidrolipoil-<strong>de</strong>shidrogenasa<br />
Coenzima A<br />
ácido lipoico<br />
Pirofosfato <strong>de</strong> tiamina (TPP)<br />
NAD<br />
FAD<br />
REACCIONES INDIVIDUALES DEL CICLO DEL ACIDO TRICARBOXILICO<br />
La acetil-CoA formada como producto final <strong>de</strong> la piruvato-<strong>de</strong>shidrogenasa se<br />
encuentra ahora dispuesta para incorporarse al ciclo <strong>de</strong> Krebs.<br />
1. Se produce la con<strong>de</strong>nsación <strong>de</strong> la acetil-CoA con el oxalacetato, para formar<br />
citrato. La reacción es catalizada por la citrato-sintetasa.<br />
Acetil - CoA<br />
oxalacetato<br />
O<br />
CH 3 C S CoA<br />
COOH<br />
C<br />
CH 2<br />
COOH<br />
O HO<br />
C<br />
CoA SH<br />
COOH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
COOH<br />
COOH citrato<br />
En esta reacción el grupo metilo ( CH3<br />
) <strong>de</strong> la acetil CoA se con<strong>de</strong>nsa con el átomo<br />
<strong>de</strong> carbono carbonílico <strong>de</strong>l oxalacetato con la hidrólisis <strong>de</strong>l enlace tioéster y<br />
formación <strong>de</strong> la CoA SH libre.<br />
O<br />
2. Actúa una enzima, la aconitasa que cataliza la formación <strong>de</strong> isocitrato con<br />
formación <strong>de</strong> un compuesto intermedio el cis-aconitato. En esta reacción se<br />
produce pérdida, y posterior adición <strong>de</strong> agua.<br />
COOH C CH2 COOH<br />
CH 2<br />
OH<br />
COOH<br />
O<br />
H 2<br />
C<br />
COOH C CH COOH<br />
CH 2<br />
COOH<br />
citrato cis-aconitato<br />
31
O<br />
H 2<br />
COOH<br />
CH 2<br />
CH<br />
COOH<br />
isocitrato<br />
CH COOH<br />
3. Se produce una oxidación <strong>de</strong>l isocitrato y pérdida <strong>de</strong> CO 2 . La reacción es<br />
catalizada por la isocitrato-<strong>de</strong>shidrogenasa ligada al NAD , que requiere Mg ó<br />
Mn para su actividad.<br />
COOH<br />
CH 2<br />
CH<br />
COOH<br />
isocitrato<br />
CH COOH<br />
OH<br />
NAD +<br />
CO 2<br />
NADH 2<br />
OH<br />
COOH C COOH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
O<br />
alfa-cetoglutarato<br />
La reacción transcurre con gran <strong>de</strong>scenso <strong>de</strong> G º es una reacción altamente<br />
exergónica.<br />
4. La oxidación <strong>de</strong> alfa-cetoglutarato a succinato se produce en dos etapas.<br />
a. En la primera el alfa-cetoglutarato experimenta una <strong>de</strong>carboxilacíón oxidativa<br />
para formar succinil-S-CoA y CO 2 .<br />
Esta reacción es comparable a la <strong>de</strong> la oxidación <strong>de</strong>l piruvato a CoA y se<br />
produce por el mismo mecanismo con intervención <strong>de</strong>:<br />
NAD + pirofosfato <strong>de</strong> tiamina ácido lipoico FAD +<br />
que participan como cofactores necesarios ligados a la enzima succinil-CoAsintetasa.<br />
b. El producto final <strong>de</strong> la reacción la succinil-CoA que es un tioéster <strong>de</strong> elevado<br />
contenido energético, experimenta pérdida <strong>de</strong> su grupo CoA, pero no por una<br />
simple reacción <strong>de</strong> hidrólisis sino por una reacción con el GDP y fosfato en el<br />
que se conserva la energía.<br />
succinil-CoA + Pi + GDP succinato + CoA SH + GTP<br />
A continuación el GTP formado en esta reacción ce<strong>de</strong> terminal al ADP para<br />
formar ATP.<br />
GTP + ADP GDP + ATP<br />
La reacción es catalizada por la nucleósido-difosfoquinasa. Este tipo <strong>de</strong><br />
fosforilación se <strong>de</strong>signa como fosforilación a nivel <strong>de</strong> sustrato, para distinguirla<br />
<strong>de</strong> las fosforilaciones ligadas a la ca<strong>de</strong>na respiratoria.<br />
5. El succinato es oxidado a fumarato en una reacción catalizada por la succinato<strong>de</strong>shidrogenasa<br />
que contiene FAD como coenzima que actúa como aceptor <strong>de</strong><br />
32
hidrógeno.<br />
COOH COOH + FAD<br />
COOH CH CH COOH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
succinato fumarato<br />
+ FADH 2<br />
6. Se produce una hidratación <strong>de</strong>l fumarato dando malato, actuando coma catalizador<br />
la fumarasa.<br />
COOH CH CH COOH + H2O COOH C CH2 COOH<br />
Fumarato<br />
OH<br />
H Malato<br />
7. En la última reacción <strong>de</strong>l ciclo la malato-<strong>de</strong>shidrogenasa <strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong>l NAD<br />
cataliza la oxidación <strong>de</strong>l malato a oxalacetato.<br />
COOH<br />
OH<br />
C CH 2 COOH<br />
H<br />
Malato<br />
+ NAD +<br />
COOH<br />
O<br />
C CH 2 COOH<br />
Oxalacetato<br />
+ NADH 2<br />
Po<strong>de</strong>mos ahora resumir los productos producidos en una vuelta <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong>l ácido<br />
tricarboxílico.<br />
Dos átomos <strong>de</strong> carbono aparecen en forma <strong>de</strong> CO 2 equivalentes, aunque no<br />
idénticos, a los dos átomos <strong>de</strong> carbono <strong>de</strong>l grupo acetilo que ingresa en el ciclo. Por<br />
<strong>de</strong>shidrogenación enzimática se producen cuatro pares <strong>de</strong> átomos <strong>de</strong> hidrógeno,<br />
tres pares se utilizan para reducir el NAD y uno para reducir el FAD.<br />
En último término, estos cuatro pares <strong>de</strong> átomos <strong>de</strong> hidrógeno y electrones se<br />
combinan con el oxígeno, una vez realizado su transporte a lo largo <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na<br />
respiratoria.<br />
RUTA DEL FOSFOGLUCONATO O VIA DE LAS PENTOSAS<br />
Muchas células disponen, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong>l ácido tricarboxílico, <strong>de</strong> otra ruta <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>gradación <strong>de</strong> la glucosa cuya primera reacción es la oxidación <strong>de</strong> la glucosa-6fosfato<br />
a 6-fosfato gluconato.<br />
La ruta <strong>de</strong>l fosfogluconato, conocida como ruta <strong>de</strong> los fosfatos <strong>de</strong> pentosa o<br />
<strong>de</strong>sviación <strong>de</strong>l monofosfato <strong>de</strong> hexosa, no es una ruta principal <strong>de</strong> oxidación <strong>de</strong> la<br />
glucosa.<br />
Su objetivo primordial, en la mayor parte <strong>de</strong> las células, es obtener NADP reducido<br />
en el citoplasma extramitocondrial.<br />
Una segunda función es la producción <strong>de</strong> pentosas en especial D-ribosa, que se<br />
emplea en la síntesis <strong>de</strong> ácidos nucleicos.<br />
Otra función importante consiste en participar en la formación <strong>de</strong> glucosa, a partir <strong>de</strong>l<br />
CO , en las reacciones <strong>de</strong> fotosíntesis.<br />
2<br />
Las diversas etapas <strong>de</strong> la ruta <strong>de</strong>l fosfogluconato tienen lugar en la porción soluble<br />
<strong>de</strong>l citoplasma extramitocondrial <strong>de</strong> la célula.<br />
33
1. La primera reacción <strong>de</strong> la ruta <strong>de</strong>l fosfogluconato es la <strong>de</strong>shidrogenación<br />
enzimática <strong>de</strong> la glucosa-6-fosfato por la glucosa-6-fosfato <strong>de</strong>shidrogenasa<br />
para formar 6-fosfogluconato.<br />
H<br />
H<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
OH<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
O<br />
CH 2 OPO 3 =<br />
+ NADP +<br />
H<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
O<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
CH 2 OPO 3 =<br />
O +NADPH 2<br />
H<br />
HO<br />
COOH<br />
C<br />
C<br />
HC<br />
HC<br />
CH 2<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
OH<br />
O PO 3 =<br />
glucosa-6-fosfato 6-fosfogluconato-lactona 6 Fosfogluconato<br />
La enzima es específica para el NADP como aceptor electrónico.<br />
Realiza la <strong>de</strong>shidrogenación <strong>de</strong>l átomo <strong>de</strong> carbono 1 <strong>de</strong> la forma piranosa <strong>de</strong><br />
la glucosa-6-fosfato y rin<strong>de</strong> la 6-fosfogluconato lactona. Esta última es<br />
inestable y experimenta hidrólisis espontánea a ácido libre en presencia <strong>de</strong><br />
una lactonasa.<br />
2. En la etapa siguiente el 6-fosfogluconato experimenta una <strong>de</strong>carboxilación<br />
oxidativa por acción <strong>de</strong> la 6-fosfogluconato-<strong>de</strong>shidrogenasa y se forma una<br />
pentosa la D-ribulosa-5-fosfato, reacción que produce una segunda molécula<br />
<strong>de</strong> NDAHP 2 .<br />
H<br />
H<br />
HO<br />
H<br />
COOH<br />
C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
OH<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
CH 2 OPO 3 =<br />
6-fosfogluconato<br />
+ NADP +<br />
CH2OH 3. Por acción <strong>de</strong> la fosfo-pentosaepimerasa la ribulosa-5-fosfato se transforma<br />
reversiblemente en xilulosa-5-fosfato, su epímero en el átomo <strong>de</strong> carbono 3.<br />
C<br />
HCOH<br />
H COH<br />
+ NADPH2 + CO2 CH 2 OPO 3 =<br />
Por acción <strong>de</strong> la fosfo-pentosa-isomerasa, la ribulosa-5-fosfato, pue<strong>de</strong><br />
convertirse, también reversiblemente, en su isómero aldo, la ribosa-5-fosfato<br />
que pue<strong>de</strong> emplearse en la síntesis <strong>de</strong> los nucleótidos que contienen pentosa<br />
y el ARN.<br />
O<br />
ribulosa-5-fosfato<br />
34
H<br />
H<br />
CH2OH C<br />
C<br />
C<br />
O<br />
OH<br />
OH<br />
CH 2 OPO 3 =<br />
ribulosa-5-fosfato<br />
epimerasa<br />
isomerasa<br />
CH2OH C<br />
HOCH<br />
H<br />
H<br />
HC<br />
O<br />
OH<br />
CH 2 OPO 3 =<br />
HC<br />
CHO<br />
COH<br />
COH<br />
OH<br />
CH 2 OPO 3 =<br />
xilulosa-5-fosfato<br />
ribosa-5-fosfato<br />
En ciertas circunstancias, la ruta <strong>de</strong>l fosfogluconato finaliza en este punto, y<br />
entonces su ecuación global se escribe así:<br />
glucosa-6-fosfato + 2 NADP + + H 2 O ribosa-5-fosfato + CO 2 + 2 NADPH 2<br />
El resultado neto es la producción <strong>de</strong>l NADPH necesario para las reacciones<br />
biosintéticas <strong>de</strong> reducción en el citoplasma extramitocondrial, y la formación <strong>de</strong><br />
ribosa como precursor para la síntesis <strong>de</strong> nucleótidos.<br />
En otras circunstancias, sin embargo, la ruta <strong>de</strong>l fosfogluconato continúa más allá,<br />
ya que las pentosas-5-fosfato pue<strong>de</strong>n experimentar otras transformaciones que son<br />
posibles gracias a dos enzimas adicionales: la transcetolasa y la transaldolasa.<br />
*La transcetolasa que contiene pirofosfato <strong>de</strong> tiamina íntimamente unido como<br />
coenzima y Mg , realiza la transferencia <strong>de</strong> un grupo glicoal<strong>de</strong>hído <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la<br />
xilulosa-5-fosfato a la ribosa 5 fosfato. En este proceso el grupo glicolal<strong>de</strong>hído (<br />
CH2 OH CO ) se transfiere en primer lugar al pirofosfato <strong>de</strong> tiamina unido a la<br />
enzima, que actúa como transportador intermediario <strong>de</strong>l grupo glicolal<strong>de</strong>hído, que a<br />
continuación es transferido a la molécula <strong>de</strong>l aceptor, la ribosa-5-fosfato. El resultado<br />
neto consiste en la formación <strong>de</strong> un ceto-azúcar <strong>de</strong> 7 átomos <strong>de</strong> carbono, la sedo<br />
heptulosa-7-fosfato, y un azúcar <strong>de</strong> 3 átomos <strong>de</strong> carbono, el glicer al<strong>de</strong>hído-3fosfato.<br />
HO<br />
H<br />
CH2OH C<br />
C<br />
C<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
+<br />
CH 2 OPO 3 =<br />
H<br />
H<br />
CHO<br />
HCOH<br />
C<br />
C<br />
OH<br />
OH<br />
CH 2 OPO 3 =<br />
CH2OH Debe observarse que uno <strong>de</strong> los productos <strong>de</strong> la acción <strong>de</strong> la transcetolasa es el<br />
C<br />
HO C H<br />
HC<br />
HC<br />
HC<br />
CH 2<br />
O<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
O PO 3 =<br />
+<br />
HC<br />
CHO<br />
CH 2<br />
OH<br />
O PO 3 =<br />
xilulosa-5-P ribosa-5-P<br />
sedoheptulosa-7-P gliceral<strong>de</strong>hído-3-P<br />
35
gliceral<strong>de</strong>hído-3-P que es un intermediario <strong>de</strong> la secuencia glicolítica. Su formación<br />
constituye un lazo <strong>de</strong> conexión entre la vía glicolítica y la <strong>de</strong>l fosfogluconato.<br />
*La segunda enzima que participa en transformaciones ulteriores <strong>de</strong> la vía <strong>de</strong>l<br />
fosfogluconato es la transaldolasa, que actúa sobre los productos <strong>de</strong> la reacción<br />
catalizada por la transcetolasa Cataliza la transferencia <strong>de</strong>l grupo dihidroxiacetona<br />
correspondiente a los átomos <strong>de</strong> carbono 1-2-3 <strong>de</strong> la sedoheptulosa para formar un<br />
azúcar <strong>de</strong> 6 átomos <strong>de</strong> carbono, la fructosa-6-fosfato, y otro azúcar <strong>de</strong> 4 átomos <strong>de</strong><br />
carbono, la eritrosa-4-fosfato.<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
H<br />
CH2OH C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
+<br />
CH2O PO 3 =<br />
H<br />
CHO<br />
C<br />
OH<br />
CH 2 O PO 3 =<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
CH2OH C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
OH<br />
CH 2 O PO 3 =<br />
HC<br />
HC<br />
CHO<br />
OH<br />
OH<br />
CH 2 O PO 3 =<br />
La fructosa-6-fosfato, es también un intermediario <strong>de</strong> la glicólisis y por lo tanto, el<br />
segundo punto <strong>de</strong> conexión entra las dos rutas: glicolítica y fosfogluconato.<br />
Otra reacción <strong>de</strong>stacada que cataliza la transcetolasa es:<br />
xilulosa-5-P + eritrosa-4-P fructosa-6-P + gliceral<strong>de</strong>hído-3-P<br />
En la que dos intermediarios <strong>de</strong> la vía <strong>de</strong>l fosfogluconato pue<strong>de</strong>n convertirse en<br />
intermediarios <strong>de</strong> la vía glicolítica.<br />
Una consecuencia importante <strong>de</strong> la acción <strong>de</strong> las dos enzimas, consiste en que<br />
hacen posible, junto con las enzimas <strong>de</strong> la secuencia glicolítica la interconversión <strong>de</strong><br />
los azúcares.<br />
La última parte <strong>de</strong> la vía <strong>de</strong>l fosfogluconato no es bien <strong>de</strong>finida, no conduce a un<br />
único producto final, sino a una ruta ramificada, capaz <strong>de</strong> gran flexibilidad<br />
metabólica.<br />
Es probable que la ruta <strong>de</strong>l fosfogluconato normalmente se reúna con el ciclo<br />
glicolítico por interconversión en intermediarios <strong>de</strong> la glicólisis.<br />
+<br />
36
TEMA XVI: TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACION OXIDATIVA<br />
Reacciones <strong>de</strong> óxido reducción. Enzimas <strong>de</strong> óxido-reducción. Vía <strong>de</strong> transporte <strong>de</strong><br />
electrones: la ca<strong>de</strong>na respiratoria. Energética <strong>de</strong>l transporte <strong>de</strong> electrones.<br />
Fosforilación oxidativa. Acoplamiento <strong>de</strong> la fosforilación oxidativa al transporte <strong>de</strong><br />
electrones.<br />
Veremos en este capítulo que los pares <strong>de</strong> electrones <strong>de</strong>rivados <strong>de</strong> los intermediarios<br />
<strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong>l ácido tricarboxílico fluyen a lo largo <strong>de</strong> una ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> varios<br />
eslabones, constituidos por enzimas <strong>de</strong> transporte electrónico, con niveles <strong>de</strong><br />
energía sucesivamente inferiores hasta reducir al oxígeno molecular, que es el<br />
último aceptor electrónico, en la respiración. Durante este proceso se conserva gran<br />
parte <strong>de</strong> la energía libre <strong>de</strong> estos electrones en forma <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>l enlace fosfato<br />
<strong>de</strong>l ATP; el proceso se <strong>de</strong>nomina fosforilación oxidativa.<br />
El transporte electrónico y la fosforilación oxidativa suce<strong>de</strong>n en casi todas las células<br />
aerobias, las enzimas que catalizan estas reacciones se hallan localizadas en la<br />
membrana interna <strong>de</strong> las mitocondrias.<br />
Reacciones <strong>de</strong> oxidación-reducción<br />
Antes <strong>de</strong> referirnos a oxidaciones biológicas, veremos que se entien<strong>de</strong> por oxidación<br />
y reducción.<br />
a. Si el hierro (Fe) reacciona con el oxígeno<br />
4Fe + 3 O 2 2 Fe 2 O 3<br />
Este proceso <strong>de</strong> ganancia <strong>de</strong> oxigeno se <strong>de</strong>nomina oxidación y lo inverso o sea<br />
la pérdida <strong>de</strong> oxígeno, reducción.<br />
b. Si se combina un elemento con otro distinto al oxígeno.<br />
Znº + Cu++ =<br />
SO4 Zn ++ =<br />
SO4 + Cu<br />
Lo que ocurrió es lo siguiente: el Zn es neutro, <strong>de</strong> él se <strong>de</strong>spren<strong>de</strong>n una pareja<br />
<strong>de</strong> electrones y se convierte en ión Zn.<br />
Zn<br />
carga 0<br />
Zn ++<br />
carga 2<br />
Se produce una oxidación <strong>de</strong>l Zn porque <strong>de</strong> carga 0 pasa a carga 2. A su vez el<br />
ión Cu capta los electrones.<br />
Cu ++ + 2e - Cu metalico<br />
carga 2 carga 0<br />
El cobre se reduce <strong>de</strong> carga 2 pasa a 0.<br />
37
Resumiendo:<br />
1. La pérdida <strong>de</strong> electrones se <strong>de</strong>nomina oxidación.<br />
2. La ganancia <strong>de</strong> electrones se <strong>de</strong>nomina reducción.<br />
c. En compuestos orgánicos el proceso <strong>de</strong> oxidación se acompaña <strong>de</strong> pérdida <strong>de</strong><br />
hidrógeno o ganancia <strong>de</strong> oxígeno.<br />
H<br />
H<br />
C<br />
H<br />
metano<br />
H<br />
O<br />
H 2<br />
-2H<br />
H<br />
H<br />
C<br />
H<br />
metanol<br />
OH<br />
-2H<br />
H<br />
H<br />
C<br />
metanal<br />
El carbono llega a su grado máximo <strong>de</strong> oxidación.<br />
O<br />
O<br />
H 2<br />
-2H<br />
H<br />
H<br />
C<br />
O<br />
ácido<br />
metanoico<br />
-2H<br />
CO 2<br />
anhídrido<br />
carbónico<br />
O sea que la pérdida <strong>de</strong> átomos <strong>de</strong> hidrógeno o <strong>de</strong>shidrogenación equivale también<br />
a una oxidación y el proceso inverso a una reducción.<br />
oxidación<br />
reducción<br />
ganancía <strong>de</strong> oxígeno<br />
pérdida <strong>de</strong> electrones<br />
pérdida <strong>de</strong> hidrógeno<br />
pérdida <strong>de</strong> oxígeno<br />
ganancia <strong>de</strong> electrones<br />
ganancia <strong>de</strong> hidrógeno<br />
Las reacciones <strong>de</strong> oxidación-reducción son aquellas en que tiene lugar una<br />
transferencia <strong>de</strong> electrones, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> un dador electrónico (el reductor) hasta un<br />
aceptor electrónico (el agente oxidante u oxidante). Es <strong>de</strong>cir que siempre que hay<br />
pérdida <strong>de</strong> electrones por un átomo se produce una transferencia <strong>de</strong> electrones a<br />
otro átomo. O sea que la oxidación y la reducción son simultáneas.<br />
A red. + B oxid.<br />
A oxid. + B red.<br />
Al equilibrio entre la forma reducida y oxidada se llama sistema <strong>de</strong> óxido reducción o<br />
sistema redox.<br />
La ten<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong> un agente reductor a per<strong>de</strong>r electrones se pue<strong>de</strong> expresar mediante<br />
el potencial <strong>de</strong> reducción estándar. Es <strong>de</strong>cir colocando la especie oxidante y<br />
reductora a concentración 1.0 M, pH = 7, y a 25º C. Para medir el potencial se<br />
establece como patrón <strong>de</strong> referencia el potencial <strong>de</strong> reducción <strong>de</strong>l H 2 en la siguiente<br />
reacción.<br />
H2 2H+ + +2e-<br />
El cual por convención se ha establecido que es igual a 0,0 voltios, cuando la<br />
38
Sustrato reducido<br />
Sustrato oxidado<br />
presión <strong>de</strong> H 2 gaseoso es <strong>de</strong> 1,0 atmósfera, la concentración 1,0 M, el pH 0,0 y<br />
temperatura 25º C. Cuando se corrige este valor a pH 7,0 el potencial estándar <strong>de</strong>l<br />
sistema hidrógeno-ión hidrógeno es <strong>de</strong> -0,42 voltios.<br />
Potenciales <strong>de</strong> reducción estándar <strong>de</strong> algunos pares redox<br />
Reductor Oxidante E’ voltios<br />
Acetal<strong>de</strong>hído Acetato - 0.60<br />
H 2<br />
2 H<br />
- 0.42<br />
Isocitrato<br />
α cetoglutarato +<br />
CO<br />
- 0.38<br />
NAD + H NAD - 0.32<br />
Lactato<br />
NADH –<br />
Piruvato - 0.19<br />
<strong>de</strong>shidrogenasa<br />
(reducida)<br />
Citocromo b<br />
Oxidada - 0.11<br />
Fe (<strong>II</strong>) Fe (<strong>II</strong>I) 0.00<br />
Citocromo c<br />
Fe (<strong>II</strong>) Fe (<strong>II</strong>I) + 0.26<br />
H2 O<br />
½ O 2<br />
+ 0.82<br />
Los sistemas que poseen un potencial estándar <strong>de</strong> reducción más negativo que el<br />
2H +<br />
<strong>de</strong>l par H2 muestran mayor ten<strong>de</strong>ncia a per<strong>de</strong>r electrones que el hidrógeno.<br />
Los que poseen potencial más positivo tienen menor ten<strong>de</strong>ncia a per<strong>de</strong>r electrones.<br />
Obsérvese la pareja agua-oxígeno: posee un potencial estándar <strong>de</strong> reducción<br />
fuertemente positivo.<br />
H 2 O<br />
1/2 O2 + 2 H+ + +2e-<br />
Por dicha razón el agua muestra muy poca ten<strong>de</strong>ncia a per<strong>de</strong>r electrones y a formar<br />
oxígeno molecular. Dicho <strong>de</strong> otro modo, el oxígeno molecular tiene gran afinidad por<br />
los electrones, superior que la <strong>de</strong> aceptores biológicos <strong>de</strong> electrones tales como el<br />
NAD , las flavoproteínas y los citocromos.<br />
Ca<strong>de</strong>na respiratoria:<br />
NAD +<br />
NADH 2<br />
ATP<br />
FADH 2<br />
FAD +<br />
CoQ<br />
CoQH 2<br />
Fe ++<br />
Fe +++<br />
2<br />
Fe +++<br />
Fe ++<br />
Fe ++<br />
cit. b c a+ a3<br />
ATP<br />
H +<br />
Fe +++<br />
2H<br />
ATP<br />
39<br />
2H + + 1/2 O2 H 2 O
En el proceso un sustrato que se va a oxidar entrega sus electrones H al primer<br />
constituyente <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na que es el NAD y se reduce. El NADH H entrega sus<br />
hidrógenos y respectivos electrones a una flavoproteína y ésta a la coenzima Q, que<br />
<strong>de</strong>sempeña el papel <strong>de</strong> transportador electrónico entre las <strong>de</strong>shidrogenases ligadas<br />
al NAD y FAD y los citocromos.<br />
De aquí en a<strong>de</strong>lante lo que se transfieren ya son electrones y los H irán al medio.<br />
Los electrones son captados por el citocromo b, c y a + a3. Este último es<br />
autooxidable y entrega los electrones al 1 / 2 O2<br />
que con los H formará O .<br />
Enzimas <strong>de</strong> óxido-reducción:<br />
Tres son las clases principales <strong>de</strong> enzimas que participan <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong>l<br />
transporte electrónico <strong>de</strong>s<strong>de</strong> los sustratos orgánicos hasta el oxígeno molecular.<br />
De acuerdo al or<strong>de</strong>n en que participan son los siguientes:<br />
1. Deshidrogenasas ligadas a la piridina que requieren NAD o NADP como coenzima.<br />
Participan en la primera parte <strong>de</strong>l eslabón:<br />
Sustrato reducido<br />
Sustrato oxidado<br />
NAD +<br />
NADH + H +<br />
2. Deshidrogenasas ligadas a la flavina que tienen como grupo prostético al FAD<br />
o al FMN. Participan en la segunda parte <strong>de</strong>l eslabón<br />
FADH + H<br />
FAD<br />
CoQ<br />
CoQH + H +<br />
3. Los citocromos que contienen un sistema nuclear ferroporfirínico. Participan<br />
en la última parte <strong>de</strong>l eslabón<br />
Fe ++<br />
Fe +++<br />
Fe +++<br />
Fe ++<br />
Fe ++<br />
cit. b c a+ a3<br />
Fe +++<br />
2H + + 1/2 O 2<br />
Analizamos cada una <strong>de</strong> las enzimas con sus respectivas coenzimas:<br />
H 2<br />
H 2 O<br />
40
Deshidrogenasa ligada a la piridina:<br />
Se conocen alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 150 y catalizan la siguiente reacción:<br />
Sustrato reducido + NAD +<br />
Sustrato oxidado + NADH + H +<br />
Las <strong>de</strong>shidrogenases ligadas a la piridina transfieren reversiblemente dos<br />
equivalentes <strong>de</strong> reducción <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el sustrato a la forma oxidada <strong>de</strong>l nucleótido<br />
piridínico; uno <strong>de</strong> ellos aparece en el nucleótido reducido como un átomo <strong>de</strong><br />
hidrógeno. El otro átomo <strong>de</strong> hidrógeno separado <strong>de</strong>l sustrato aparece en forma <strong>de</strong><br />
H libre en el medio. Veamos la estructura <strong>de</strong>l NAD:<br />
O<br />
HO O C<br />
P +<br />
O<br />
HO O C<br />
P +<br />
O<br />
H 2<br />
H 2<br />
OH<br />
O<br />
H H<br />
OH<br />
O<br />
H H<br />
a<strong>de</strong>nina<br />
OH<br />
OH<br />
N +<br />
CONH 2<br />
La parte activa <strong>de</strong> los nucleótidos piridínicos es la nicotinamida, ya que ésta es la<br />
porción <strong>de</strong> la molécula que va a recibir el hidrógeno <strong>de</strong>l sustrato. Es importante<br />
<strong>de</strong>stacar que la nicotinamida es una vitamina <strong>de</strong>l complejo B. O sea que por su<br />
participación en los mecanismos <strong>de</strong> óxido-reducción cumplen un papel fundamental<br />
en la célula. El mecanismo <strong>de</strong> óxido-reducción se realiza según el siguiente<br />
esquema:<br />
N +<br />
R<br />
CONH 2<br />
H H<br />
N<br />
R<br />
CONH 2<br />
+ 2H + H +<br />
41
Deshidrogenases ligadas a la flavina:<br />
Esta clase <strong>de</strong> enzimas contienen flavín-a<strong>de</strong>nín-dinucleótido (FAD) o bien flavínmononucleótido<br />
(FMN) como grupos prostéticos. En la mayor parte <strong>de</strong> las flavín<strong>de</strong>shidrogenasas<br />
el nucleótido flavínico se halla firmemente unido y no se separa <strong>de</strong><br />
la enzima durante el ciclo catalítico.<br />
Veamos la estructura <strong>de</strong>l FMN:<br />
riboflavina<br />
(vitamina B 2 )<br />
6-7 dimetil-iso-aloxacina<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
O<br />
HO O<br />
P +<br />
O<br />
OH<br />
P<br />
O<br />
OCH 2<br />
O<br />
H H<br />
a<strong>de</strong>nina<br />
FDN: resulta <strong>de</strong> la unión pirofosfórica entre el FMN y el AMP. La parte activa <strong>de</strong>l<br />
FAD y <strong>de</strong>l FMN es el anillo <strong>de</strong> isoaloxacina.<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
N<br />
N<br />
R<br />
O<br />
N<br />
N<br />
H<br />
O<br />
En cuanto a la coenzima Q o ubiquinona existen controversias. Importantes<br />
experimentos recientes permiten creer que la CoQ es realmente uno <strong>de</strong> los<br />
transportadores <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na respiratoria, y que funciona, posiblemente, como una<br />
molécula liposoluble que actúa a modo <strong>de</strong> nexo <strong>de</strong> unión entre las flavoproteínas y el<br />
sistema <strong>de</strong> los citocromos.<br />
Citocromos: Los citocromos son un grupo <strong>de</strong> ferroproteínas transferidoras <strong>de</strong><br />
CH 3<br />
CH 3<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
N<br />
N<br />
R<br />
OH<br />
O<br />
N<br />
H<br />
FDN<br />
N<br />
H<br />
O<br />
42
electrones en las células aerobias, que actúan secuencialmente transfiriendo<br />
electrones <strong>de</strong>s<strong>de</strong> las flavoproteínas al oxígeno molecular .Todas ellas contienen<br />
grupos prostéticos ferroporfirínicos; en este aspecto se parecen a la hemoglobina y a<br />
la mioglobina. Los citocromos experimentan cambios <strong>de</strong> valencia reversibles, Fe (<strong>II</strong>) -<br />
Fe (<strong>II</strong>I), durante el ciclo catalítico. El citocromo terminal <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na, que pue<strong>de</strong><br />
reaccionar con el oxígeno, es la citocromo-oxidasa. Las formas reducidas <strong>de</strong> los<br />
<strong>de</strong>más citocromos no pue<strong>de</strong>n reoxidarse directamente por el oxígeno molecular.<br />
Estructura: Los citocromos tienen grupos prostéticos hierro porfirínicos. El anillo<br />
porfirínico <strong>de</strong>riva <strong>de</strong>l compuesto tetrapirrólico llamado porfina que se <strong>de</strong>signa según<br />
sus ca<strong>de</strong>nas laterales sustituyentes.<br />
HC<br />
N<br />
N HN<br />
Fe ++<br />
N<br />
Fe +++<br />
CH<br />
HC CH<br />
Forman quelatos (literalmente, cuatro dientes) con iones metálicos como el hierro,<br />
por ejemplo. En los citocromos, el átomo <strong>de</strong> Fe experimenta cambios reversibles<br />
entre las formas Fe (<strong>II</strong>) y Fe (<strong>II</strong>I); su función real es la <strong>de</strong> <strong>de</strong>sempeñar el papel <strong>de</strong><br />
transportadores electrónicos.<br />
Potencial estándar <strong>de</strong> óxido-reducción en la ca<strong>de</strong>na respiratoria<br />
Los potenciales <strong>de</strong> reducción <strong>de</strong> los diferentes transportadores electrónicos, se<br />
hacen más positivos a medida que los electrones pasan <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el sustrato el<br />
oxígeno. Es <strong>de</strong>cir, que el transportador electrónico más próximo el extremo inicial <strong>de</strong><br />
la ca<strong>de</strong>na, o sea el NAD es el término más reducido, mientras que los<br />
transportadores situados en el extremo <strong>de</strong>l oxígeno (citocromo a + a3) están casi por<br />
completo en la forma oxidada. Los transportadores intermedios en estados<br />
sucesivamente más oxidados, según una escala que va <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el sustrato hasta el<br />
oxígeno.<br />
Energética <strong>de</strong>l transporte electrónico-Fosforilación oxidativa<br />
Hemos visto que el G º que se produce en el transcurso <strong>de</strong> cualquier reacción<br />
química es función <strong>de</strong> su constante <strong>de</strong> equilibrio.<br />
Gº RT I<br />
nk<br />
eq<br />
43
Pue<strong>de</strong> utilizarse una forma modificada <strong>de</strong> esta expresión para calcular la G º<br />
que se produce cuando reaccionan entre sí dos pares <strong>de</strong> óxido-reducción cuyos<br />
potenciales <strong>de</strong> reducción estándar son conocidos.<br />
G º nFT E<br />
G º = variación <strong>de</strong> energía libre estándar expresada en calorías;<br />
n = número <strong>de</strong> electrones transferidos;<br />
F = equivalente calorífico <strong>de</strong> Faraday;<br />
E '0<br />
= la diferencia entre los potenciales <strong>de</strong> reducción estándar <strong>de</strong>l aceptor <strong>de</strong>l<br />
dador electrónico.<br />
Se supone que todos los componentes se hallan a concentraciones 1, 0 M, a 25º C y<br />
pH = 7,0<br />
Mediante esta relación, po<strong>de</strong>mos calcular la G º cuando se transfiere un par<br />
equivalentes electrónicos <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el NADH al oxigeno molecular, es <strong>de</strong>cir a lo largo <strong>de</strong><br />
toda la ca<strong>de</strong>na respiratoria.<br />
G º 2 23062 0.<br />
82 0.<br />
32 52.<br />
700 kcal 52.<br />
7 kcal<br />
Se produce, por tanto, una variación <strong>de</strong> energía libre muy gran<strong>de</strong> durante el proceso<br />
<strong>de</strong> transporte electrónico <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el NADH hasta el oxígeno molecular, a través <strong>de</strong> la<br />
ca<strong>de</strong>na respiratoria. Este valor pue<strong>de</strong> compararse con la energía libre estándar <strong>de</strong><br />
formación <strong>de</strong> ATP a partir <strong>de</strong>l ADP y el fosfato.<br />
ADP + FOSFATO ATP + H2O Gº<br />
7.<br />
3 kcal<br />
Pue<strong>de</strong> verse que la transferencia <strong>de</strong> un par <strong>de</strong> electrones, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el NADH al oxígeno<br />
va acompañada <strong>de</strong> una disminución <strong>de</strong> energía libre lo suficientemente gran<strong>de</strong> para<br />
que resulte posible la síntesis <strong>de</strong> varias moléculas <strong>de</strong> ATP, a partir <strong>de</strong> ADP y <strong>de</strong><br />
fosfato, en las condiciones estándar, siempre que se disponga <strong>de</strong> un mecanismo <strong>de</strong><br />
acoplamiento.<br />
Mediante cálculos semejantes se obtienen las G º que tienen lugar en cada una <strong>de</strong><br />
las etapas principales <strong>de</strong> transferencia electrónica en la ca<strong>de</strong>na respiratoria, cuyos<br />
potenciales <strong>de</strong> reducción estándar son conocidos.<br />
Tres <strong>de</strong> los pasos <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na respiratoria muestran G º relativamente gran<strong>de</strong>s;<br />
ellos son:<br />
1. Entre NAD y FAD<br />
2. Entre citocromo b y c<br />
3. Entre citocromo a y el oxígeno<br />
En cada uno <strong>de</strong> ellos se produce una disminución <strong>de</strong> energía libre suficientemente<br />
gran<strong>de</strong> para que se origine la formación acoplada <strong>de</strong>l ATP a partir <strong>de</strong> ADP y <strong>de</strong><br />
fosfato.<br />
Las G º en otros puntos <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na son pequeñas y, por ello resultan<br />
insuficientes para provocar la formación <strong>de</strong> una molécula <strong>de</strong> ATP.<br />
'0<br />
44
Acoplamiento <strong>de</strong> la fosforilación oxidativa al transporte electrónico<br />
La fosforilación <strong>de</strong>l ADP acoplado a la respiración representa un mecanismo <strong>de</strong><br />
recuperación aerobia <strong>de</strong> energía y recibe el nombre <strong>de</strong> fosforilación oxidativa.<br />
La ecuación global para las fosforilaciones <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na respiratoria pue<strong>de</strong> escribirse<br />
como sigue:<br />
NADH + H + + 3 ADP + 3 P i + +1/2 O 2 NAD + + 4 H 2 O + 3 ATP<br />
que po<strong>de</strong>mos analizar <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el punto <strong>de</strong> vista <strong>de</strong> su componente exergónico.<br />
NADH + H + + 1/2 O2 NAD + + H2O Gº<br />
52.<br />
7 kcal<br />
y <strong>de</strong> su componente en<strong>de</strong>rgónico:<br />
3 ADP + 3 Pi 3 ATP + 3 H2O Gº<br />
3 7.<br />
3 21.<br />
9 kcal<br />
La fosforilación oxidativa acoplada <strong>de</strong> tres moléculas <strong>de</strong> ATP conserva por lo tanto<br />
21,9/52,7 x 100, es <strong>de</strong>cir, alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l 40% <strong>de</strong>l <strong>de</strong>scenso total <strong>de</strong> energía libre.<br />
Sólo se formarán 3 moléculas <strong>de</strong> ATP si el sustrato se oxida a nivel <strong>de</strong>l NAD. Pue<strong>de</strong><br />
ocurrir que el sustrato entregue sus electrones a la flavoproteina (por ej. succinato)<br />
en este caso se producen 2 moléculas <strong>de</strong> ATP; y si entrega sus electrones al<br />
citocromo a, (por ej. ácido ascórbico) se forma solamente una molécula <strong>de</strong> ATP.<br />
Balance energético <strong>de</strong> un proceso <strong>de</strong> respiración<br />
Es <strong>de</strong>cir, el G º , cuando la glucosa se oxida completamente hasta CO2 H2O<br />
por la<br />
secuencia glicocolítica y el ciclo <strong>de</strong>l ácido tricarboxílico.<br />
1.<br />
2.<br />
a<br />
glucosa 2 piruvato<br />
glucosa + 2 P i + 2 ADP + 2 NAD +<br />
2 piruvato 2 acetil CoA<br />
2 piruvato + 2 NADH + H + + 2 ATP + 2 H 2 O<br />
2 (piruvato + NAD + + HS - CoA) 2 acetil CoA + 2 NADH + 2 H + + 2 CoA 2<br />
NADH H se reoxida en la ca<strong>de</strong>na respiratoria y se producen 3 ATP; como<br />
son 2 moleculas <strong>de</strong> NADH + H + 3 ATP x 2 = 6 ATP<br />
3. Ciclo <strong>de</strong> Krebs se producen 24 ATP<br />
a. 2 isocitrato 2 alfa-cetoglutarato hay <strong>de</strong>shidrogenación, los 2<br />
H son<br />
captados por el NAD que se reoxida en la ca<strong>de</strong>na respiratoria y se<br />
45
producen 6 ATP.<br />
O<br />
H 2<br />
b. 2 alfa-cetoglutarato<br />
también se producen 6 ATP.<br />
c. 2 malato<br />
H 2<br />
H 2<br />
2 succinato, ocurre lo mismo, o sea que<br />
2 oxalacetato 6 ATP.<br />
d. 2 succinato<br />
2 fumarato. En este caso los hidrógenos son<br />
captados por el FAD. Se producen 4 ATP.<br />
e. 2 succinato CoA 2 succinato, hay una fosforilación a nivel <strong>de</strong><br />
sustrato <strong>de</strong> producen 2 ATP.<br />
Resumiendo:<br />
a ………….. 6 ATP<br />
b ………….. 6 ATP<br />
c ………….. 6 ATP<br />
d ………….. 4 ATP<br />
e ………….. 2 ATP<br />
24 TP<br />
4. El NAD H que se produce en la glicólisis en el pasaje <strong>de</strong> gliceral<strong>de</strong>hído<br />
3 P 3P<br />
glicerato , cuando el proceso es anaerobio se reoxida en el pasaje <strong>de</strong><br />
piruvato lactato .<br />
Cuando el proceso es aerobio el NADH H se reoxida en la ca<strong>de</strong>na respiratoria, por<br />
lo tanto se producen 2 ATP x 2 (porque son dos moléculas <strong>de</strong> NADH<br />
O sea que el balance global será:<br />
H ) = 4 ATP.<br />
1. ………….. 2 ATP<br />
2. .………….. 6 ATP<br />
24<br />
3. …………..<br />
ATP<br />
4. ………….. 4 ATP<br />
36<br />
ATP<br />
Si analizamos el componente exergónico<br />
componente en<strong>de</strong>rgónico<br />
glucosa + 6 O 2 + 36 P i + 36 ADP<br />
6 CO 2 + 36 ATP + 42 H 2 O<br />
glucosa + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Gº<br />
680 kcal<br />
36 Pi + 36 ADP 36 ATP + 36 H2O Gº<br />
263 kcal<br />
La eficacia global <strong>de</strong> la recuperación <strong>de</strong> energía resulta ser:<br />
46
263<br />
680<br />
100<br />
39%<br />
¿Cómo entra el NADH producido en la glicólisis a la ca<strong>de</strong>na respiratoria?<br />
El NADH 2 citoplasmático producido en la glicólisis es impermeable a la membrana<br />
mitocondrial, por lo tanto si no penetra en la mitocondria no se pue<strong>de</strong> reoxidar a nivel<br />
<strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na respiratoria. Aunque el NADH no pue<strong>de</strong> penetrar, sus electrones<br />
pue<strong>de</strong>n hacerlo por medios indirectos <strong>de</strong>nominados lanza<strong>de</strong>ras. La mejor conocida<br />
es la lanza<strong>de</strong>ra <strong>de</strong>l glicerolfosfato. El NADH citoplasmático reacciona con la<br />
dihidroxiacetona citoplasmática para formar glicerol-3-fosfato en una reacción<br />
catalizada por la glicerofosfato-<strong>de</strong>shidrogenasa citoplasmática.<br />
dihidroxiacetona fosfato + NADH + H +<br />
glicerol-3-fosfato + NAD +<br />
El glicerol-3-fosfato atraviesa fácilmente la membrana mitocondrial. En el interior <strong>de</strong><br />
la mitocondria otra glicero-3-fosfato-<strong>de</strong>shidrogenasa reoxida el glicerol-3-fosfato a<br />
dihidroxiacetona fosfato.<br />
glicerol-3-fosfato + FAD dihidroxiacetona fosfato + FADH 2<br />
La flavoproteína reducida ce<strong>de</strong> sus equivalentes <strong>de</strong> reducción a la ca<strong>de</strong>na<br />
respiratoria a nivel <strong>de</strong> CoQ y finalmente pasan al oxígeno. La dihidroxiacetona<br />
fosfato formada en esta reacción difun<strong>de</strong> fuera <strong>de</strong> la mitocondria el citoplasma en<br />
don<strong>de</strong> pue<strong>de</strong> aceptar electrones <strong>de</strong> otra molécula <strong>de</strong> NADH extramitocondrial.<br />
NADH + H +<br />
NAD +<br />
DIHIDROXICETONA-P GLICEROL-FOSFATO<br />
NAD<br />
FAD<br />
O 2<br />
ATP<br />
ATP<br />
MITOCONDRIA<br />
47
TEMA XV<strong>II</strong>I: Oxidación <strong>de</strong> los ácidos grasos<br />
Hidrólisis intracelular <strong>de</strong> los lípidos. Ciclo <strong>de</strong> oxidación <strong>de</strong> los ácidos grasos:<br />
activación y entrada <strong>de</strong> los ácidos grasos a la mitocondria. Primera<br />
<strong>de</strong>shidrogenación. Hidratación. Segunda <strong>de</strong>shidrogenación. Clivaje tiólico. Oxidación<br />
<strong>de</strong> los ácidos grasos insaturados. Cuerpos cetónicos y su oxidación. Oxidación <strong>de</strong><br />
los ácidos grasos <strong>de</strong> carbono impar.<br />
Aunque los hidratos <strong>de</strong> carbono, a causa <strong>de</strong> su abundancia constituyen el<br />
combustible principal para la mayor parte <strong>de</strong> los organismos, los ácidos grasos<br />
<strong>de</strong>sempeñan también un papel muy <strong>de</strong>stacado como fuente energética. La oxidación<br />
<strong>de</strong> los ácidos grasos es importante en los animales superiores y en las plantas, que<br />
pue<strong>de</strong>n almacenar cantida<strong>de</strong>s gran<strong>de</strong>s <strong>de</strong> grasa neutra como combustible <strong>de</strong><br />
reserva. La grasa neutra posee un valor calorífico elevado (9 Kcal) y pue<strong>de</strong><br />
almacenarse en forma casi anhidra en las gotitas <strong>de</strong> grasa intracelulares, mientras<br />
que el glucógeno o el almidón (valor calórico = 4 Kcal) se hallan <strong>de</strong>masiado<br />
hidratados para po<strong>de</strong>r almacenarse en forma tan concentrada.<br />
Hidrólisis intracelular <strong>de</strong> los lípidos<br />
Los ácidos grasos que experimentan oxidación en los tejidos <strong>de</strong> los animales<br />
superiores provienen <strong>de</strong>l fluido extracelular o bien <strong>de</strong> los lípidos intracelulares<br />
endógenos. La sangre <strong>de</strong> los vertebrados contiene cantida<strong>de</strong>s consi<strong>de</strong>rables <strong>de</strong><br />
triacilgliceroles y <strong>de</strong> fosfoglicéridos, así como cantida<strong>de</strong>s muy pequeñas <strong>de</strong> ácidos<br />
grasos libres unidos a la proteína seroalbúmina, que actúa transportando los ácidos<br />
grasos. Estos últimos son oxidados en tejidos tales como el corazón y el músculo.<br />
La fuente endógena principal <strong>de</strong> ácidos grasos combustibles es grasa <strong>de</strong> <strong>de</strong>pósito,<br />
en foma <strong>de</strong> gotitas <strong>de</strong> grasa <strong>de</strong>l citoplasma, constituido, en su mayor parte por<br />
triacilgliceroles.<br />
Resumiendo lo expuesto:<br />
Ácidos grasos a<br />
oxidarse provienen<br />
A. Hidrólisis intracelular<br />
a. fluido extracelular<br />
b. fuente endógena<br />
<strong>de</strong> la sangre que contiene<br />
triacilgliceroles, fosfoglicéridos,<br />
ácidos grasos<br />
1. grasa <strong>de</strong> <strong>de</strong>pósito constituida<br />
por triacilgliceroles.<br />
2. fosfoglicéridos <strong>de</strong> las<br />
membranas<br />
Los ácidos grasos <strong>de</strong>ben hallarse en forma libre, es <strong>de</strong>cir, no esterificados para que<br />
puedan experimentar el proceso <strong>de</strong> activación y oxidación. Para ello, <strong>de</strong>ben en<br />
primer lugar, hidrolizarse por la acción <strong>de</strong> lipasas intracelulares para rendir ácidos<br />
grasos libres y glicerina. Se sabe relativamente poco acerca <strong>de</strong> la secuencia y<br />
48
<strong>de</strong>talles <strong>de</strong> la hidrólisis intracelular <strong>de</strong> los lípidos. Sin embargo, en general, no tiene<br />
lugar acumulación significativa <strong>de</strong> ácidos grasos o <strong>de</strong> otros productos <strong>de</strong> hidrólisis<br />
que serían tóxicos para la estructura <strong>de</strong> la membrana. Evi<strong>de</strong>ntemente, la velocidad y<br />
la ruta <strong>de</strong> hidrólisis <strong>de</strong> los lípidos intracelulares está ajustada a la velocidad <strong>de</strong><br />
utilización <strong>de</strong> los ácidos grasos.<br />
B. Ciclo <strong>de</strong> los ácidos grasos<br />
Activación y penetración <strong>de</strong> los ácidos grasos en el interior <strong>de</strong> la mitocondria<br />
Existen 3 fases en la entrada <strong>de</strong> los ácidos grasos proce<strong>de</strong>ntes <strong>de</strong>l citoplasma<br />
extramitocondrial, en el interior <strong>de</strong> la mitocondria.<br />
1. Esterificación enzimática <strong>de</strong>l ácido graso libre con la CoA extramitocondrial,<br />
a expensas <strong>de</strong>l ATP, que tiene lugar en la membrana exterior.<br />
2. Transferencia <strong>de</strong>l grupo acilo graso <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la CoA a la molécula<br />
transportadora carnitina, la cual lo conduce a través <strong>de</strong> la membrana interior.<br />
3. Transferencia <strong>de</strong>l grupo acilo graso <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la carnitina a la CoA<br />
intramitocondrial.<br />
Activación <strong>de</strong> los ácidos grasos<br />
Tres enzimas diferentes catalizan la formación <strong>de</strong> ésteres acil-CoA graso; cada una<br />
<strong>de</strong> ellas se específica para un <strong>de</strong>terminado intervalo <strong>de</strong> longitud <strong>de</strong> ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> ácido<br />
graso.<br />
Acetato-tioquinasa<br />
Tioquinasa <strong>de</strong> ácido graso<br />
<strong>de</strong> ca<strong>de</strong>na media<br />
Tioquinasa <strong>de</strong> ácido graso<br />
<strong>de</strong> ca<strong>de</strong>na larga<br />
Activa los ácidos acético, propiónico<br />
y acrílico<br />
Activa los ácidos grasos <strong>de</strong>s<strong>de</strong><br />
cuatro hasta doce átomos <strong>de</strong><br />
carbono<br />
Activa los ácidos grasos <strong>de</strong> 12 a 22<br />
o más; átomos <strong>de</strong> carbono<br />
Las últimas dos tioquinasas activan tanto los ácidos grasos saturados como los no<br />
saturados. Las tres se encuentran en la membrana exterior <strong>de</strong> la mitocondria. Las<br />
propieda<strong>de</strong>s y mecanismos <strong>de</strong> las tres tioquinasas, son más o menos idénticos. La<br />
reacción global catalizada por las tioquinasas ligadas al ATP es la siguiente:<br />
R COOH + ATP + CoA SH R CH<br />
O<br />
SCoA + AMP + PP i<br />
A medida que el enlace tioéster se forma entre el grupo carboxilo <strong>de</strong>l ácido graso y el<br />
grupo tiol <strong>de</strong> la CoA, el ATP experimenta ruptura pirofosfórica y rin<strong>de</strong> AMP PPi<br />
. A<br />
su vez el PP i formado resulta hidrolizado por la pirofosfatasa inorgánica.<br />
49
PP i + H 2 O 2 P i<br />
El efecto neto <strong>de</strong> esta hidrólisis es la utilización <strong>de</strong> dos enlaces fosfato <strong>de</strong> elevada<br />
energía para impulsar el equilibrio global <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> activación a la formación <strong>de</strong><br />
acil CoA graso.<br />
Transferencia <strong>de</strong> carnitina<br />
Los ácidos grasos superiores poseen una capacidad limitada para atravesar la<br />
membrana interior <strong>de</strong> la mitocondria en forma <strong>de</strong> ésteres <strong>de</strong> CoA; pero su entrada es<br />
estimulada por la carnitina. En el proceso actúa una enzima la acil-CoA graso:<br />
carnitin transferasa <strong>de</strong> ácido graso, que cataliza la transferencia <strong>de</strong>l grupo acilo<br />
graso <strong>de</strong>s<strong>de</strong> su enlace tioéster con la CoA, a un enlace éster con la carnitina que es<br />
un enlace <strong>de</strong> elevada energía.<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
N +<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
CH 2 CH CH 2 COOH<br />
CH 3<br />
N +<br />
CH 3<br />
OH<br />
CH 2 CH CH 2 COOH<br />
El compuesto carnitín-O-acilo graso, así formado, atraviesa con facilidad la<br />
membrana interna <strong>de</strong> la mitocondria; no se sabe si el paso se realiza por simple<br />
difusión o con intervención <strong>de</strong> algún mecanismo transportador <strong>de</strong> la membrana<br />
mitocondrial.<br />
Transferencia <strong>de</strong> la CoA intramitocondrial<br />
O<br />
C<br />
R<br />
O<br />
R C S CoA<br />
En la última etapa <strong>de</strong>l proceso <strong>de</strong> penetración, el grupo acilo graso es transferido<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> la carnitina a la CoA intramitocondrial por acción <strong>de</strong> la carnitín-transferasa <strong>de</strong><br />
ácido graso intramitocondrial.<br />
acil-graso-carnitina + CoA SH acil-graso-CoA + carnitina<br />
Este mecanismo <strong>de</strong> entrada ejerce el efecto <strong>de</strong> mantener separada la CoA<br />
extramitocondrial <strong>de</strong> la intramitocondrial. El acil-graso-CoA se emplea entonces<br />
+<br />
O<br />
+<br />
CoA SH<br />
50
como sustrato para el ciclo <strong>de</strong> oxidación <strong>de</strong>l ácido graso, que tiene lugar en el<br />
compartimiento interno <strong>de</strong> la matriz. Las mitocondrias contienen otro tipo <strong>de</strong> aciltioquinasas<br />
que participan en la activación <strong>de</strong>l ácido graso. Esta enzima necesita<br />
GTP en lugar <strong>de</strong> ATP y produce GDP Pi<br />
.<br />
GTP + RCOOH + CoASH C SCoA<br />
R<br />
O<br />
+ GDP + P i<br />
Puesto que la carnitina no es necesaria para su acción, probablemente está<br />
implicada en la activación <strong>de</strong> los ácidos grasos libres formados en el interior <strong>de</strong> las<br />
mitocondrias.<br />
C. Primera etapa <strong>de</strong> <strong>de</strong>shidrogenación<br />
A continuación <strong>de</strong> la etapa <strong>de</strong> activación, las reacciones <strong>de</strong> oxidación <strong>de</strong>l ácido graso<br />
tienen lugar en el compartimiento interior <strong>de</strong> la mitocondria. El éster formado<br />
experimenta la <strong>de</strong>shidrogenación enzimática en los átomos <strong>de</strong> carbono alfa y beta,<br />
es <strong>de</strong>cir, en los átomos <strong>de</strong> carbono 2 y 3, para formar un acil-graso-CoA no<br />
saturado. La posición <strong>de</strong>l doble enlace se <strong>de</strong>signa mediante el símbolo 2 , 3 . Existen<br />
cuatro clases diferentes <strong>de</strong> <strong>de</strong>shidrogenasas <strong>de</strong> acil CoA graso que contienen FAD,<br />
cada una <strong>de</strong> las cuales es específico para un <strong>de</strong>terminado intervalo <strong>de</strong> longitud <strong>de</strong><br />
ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong>l ácido graso.<br />
2<br />
R CH2 3<br />
CH2 El enlace no saturado 2 , 3 formado en esta reacción es el isómero geométrico trans.<br />
Los electrones <strong>de</strong>l FAD red.<br />
son cedidos a la ca<strong>de</strong>na respiratoria.<br />
D. Etapa <strong>de</strong> hidratación<br />
+<br />
O<br />
E FAD oxi.<br />
C SCoA<br />
R C C C SCoA<br />
H<br />
H O<br />
acil-graso CoA<br />
2, 3 trans-enoil CoA + E FAD red.<br />
La hidratación reversible <strong>de</strong>l doble enlace <strong>de</strong> los ésteres 2 , 3 enoílicos <strong>de</strong>l CoA<br />
para formar beta-hidroxiacil-CoA es catalizada por la enzima enoil-hidratasa.<br />
51
R CH 2 C C C S CoA<br />
H<br />
R CH 2 C<br />
OH<br />
H<br />
H O<br />
CH 2 C SCoA<br />
E. Segunda etapa <strong>de</strong> <strong>de</strong>shidrogenación<br />
O<br />
2,<br />
3<br />
trans-enoil CoA<br />
hidroxi-acil-CoA<br />
El compuesto obtenido se <strong>de</strong>shidrogena para formar un 3-oxoacil-graso-CoA,<br />
con intervención <strong>de</strong> la -hidroxiacil-graso-CoA-<strong>de</strong>shidrogenasa siendo el NAD el<br />
aceptor electrónico específico.<br />
OH O<br />
R CH 2 C CH 2 C SCoA<br />
H<br />
O O<br />
+ NAD +<br />
R CH 2 C CH 2 C SCoA<br />
+ NADH + H +<br />
El NADH ce<strong>de</strong> sus electrones a la NADH <strong>de</strong>shidrogenasa <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na respiratoria.<br />
Etapa <strong>de</strong> ruptura tiólica<br />
En la última etapa <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> la oxidación <strong>de</strong>l ácido graso, que es<br />
catalizada por la tiolasa, el 3 oxoacil-graso-CoA experimenta una escisión por<br />
interacción con una molécula <strong>de</strong> CoA libre para producir un fragmento <strong>de</strong> dos<br />
carbonos que contiene el carboxilo terminal en forma <strong>de</strong> acetil-CoA libre, y el éster<br />
<strong>de</strong>l CoA <strong>de</strong> un ácido graso cuya ca<strong>de</strong>na se ha acortado en dos átomos <strong>de</strong> carbono.<br />
O O<br />
R CH 2 C CH 2 C SCoA<br />
O<br />
R CH 2 C<br />
+<br />
CoA SH<br />
O<br />
SCoA + CH3 C SCoA<br />
La reacción es muy exergónica, y el equilibrio favorece por tanto la ruptura.<br />
Balance <strong>de</strong> la oxidación<br />
Con la reacción <strong>de</strong> tiólisis se ha completado una vuelta <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> oxidación<br />
<strong>de</strong>l ácido graso, en la que una molécula <strong>de</strong> acetil-CoA, y dos pares <strong>de</strong> átomos <strong>de</strong><br />
hidrógeno resultan eliminados <strong>de</strong> un acil-CoA graso <strong>de</strong> ca<strong>de</strong>na larga. La ecuación<br />
52
global <strong>de</strong> una vuelta <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> oxidación <strong>de</strong>l ácido graso actuando sobre el<br />
palmitoil-CoA es la siguiente:<br />
palmitoil CoA<br />
+ CoA + FAD + NAD + + H 2 O<br />
miristoil CoA + FADH2 + NADH + H +<br />
+ acetil CoA<br />
Ahora po<strong>de</strong>mos escribir la ecuación para las siete vueltas <strong>de</strong>l espiral necesarias<br />
a fin <strong>de</strong> convertir una molécula <strong>de</strong> palmitoil-CoA en 8 moléculas <strong>de</strong> acetil CoA (el<br />
ácido palmítico tiene 16 átomos <strong>de</strong> carbono). Cada molécula <strong>de</strong> FADH 2 ce<strong>de</strong> un<br />
par <strong>de</strong> equivalentes electrónicos a la ca<strong>de</strong>na respiratoria a nivel <strong>de</strong> la CoA y se<br />
generan 2 moléculas <strong>de</strong> ATP. De modo análogo, la oxidación <strong>de</strong> cada molécula<br />
<strong>de</strong> NADH da por resultado la formación <strong>de</strong> 3 moléculas <strong>de</strong> ATP. Por lo tanto, se<br />
forman un total <strong>de</strong> 5 moléculas <strong>de</strong> ATP por molécula <strong>de</strong> acetil-CoA escindido.<br />
Po<strong>de</strong>mos escribir ahora la ecuación que también compren<strong>de</strong> las fosforilaciones:<br />
(1)<br />
pamitoíl CoA + 7 CoA + 7 O 2 + 35 P i + 35 ADP<br />
8 acetil CoA + 35 ATP + 42 H 2 O<br />
Las 8 moléculas <strong>de</strong> acetil CoA formadas en el ciclo <strong>de</strong>l ácido graso pue<strong>de</strong>n<br />
incorporarse ahora al ciclo <strong>de</strong> Krebs<br />
(2) 8 acetil CoA + 16 O 2 + 96 P i + 96 ADP<br />
8 CoA + 96 ATP + 104 H 2 O + 16 CO 2<br />
Combinando la ecuación (1) y (2) obtenemos la ecuación global:<br />
pamitoíl CoA + 23 O 2 + 131 P i + 131 ADP<br />
CoA + 16 CO 2 + 131 ATP + 146 H 2 O<br />
Puesto que se necesita una molécula <strong>de</strong> ATP ( o <strong>de</strong> GTP) para activar el ácido<br />
palmítico libre al comenzar, po<strong>de</strong>mos suponer que el rendimiento neto <strong>de</strong> ATP es <strong>de</strong><br />
130 moléculas.<br />
Oxidación <strong>de</strong> los acidos grasos no saturados<br />
Los ácidos grasos no saturados, son oxidados por las mismas rutas generales que<br />
los ácidos saturados; pero se plantean dos problemas:<br />
1. Los dobles enlaces <strong>de</strong> los ácidos grasos no saturados existentes en la<br />
naturaleza se hallan en la configuración geométrica cis, mientras que los<br />
ésteres 2 , 3 insaturados <strong>de</strong>l acil CoA que actúan como intermediarios en<br />
la oxidación <strong>de</strong> los ácidos grasos saturados, son trans.<br />
2. Los dobles enlaces <strong>de</strong> la mayor parte <strong>de</strong> los ácidos grasos no saturados<br />
aparecen en posiciones tales que la eliminación sucesiva <strong>de</strong> fragmentos<br />
<strong>de</strong> dos átomos <strong>de</strong> carbono rin<strong>de</strong> un acil-CoA graso 3 , 4 en lugar <strong>de</strong> 2 , 3 .<br />
53
Se ha resuelto este problema con el <strong>de</strong>scubrimiento <strong>de</strong> una enzima auxiliar, la 3, 4 -<br />
cis- 2, 3 -trans-enoil CoA-isomerasa que cataliza el <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong>l doble enlace<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> la configuración 3, 4 -cis a la 2, 3 -trans que es el sustrato normal <strong>de</strong> la<br />
siguiente enzima <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> oxidación <strong>de</strong>l ácido-graso.<br />
Cuerpos cetónicos y su oxidación<br />
En muchos vertebrados el hígado posee la capacidad enzimática a<strong>de</strong>cuada para<br />
<strong>de</strong>sviar algo <strong>de</strong> acetil-CoA, hacia la formación <strong>de</strong> acetoacetato y -hidroxibutirato,<br />
los cuales son transportados por la sangre a los tejidos periféricos, en don<strong>de</strong> pue<strong>de</strong>n<br />
ser oxidados por el ciclo <strong>de</strong>l ácido tricarboxilico. Estos compuestos reciben el<br />
nombre <strong>de</strong> cuerpos cetónicos. El acetoacetato proviene <strong>de</strong> la con<strong>de</strong>nsación <strong>de</strong> dos<br />
moléculas <strong>de</strong> acetil-CoA catalizado por la tiolasa.<br />
acetil CoA + acetil CoA acetoacetil CoA + HSCoA<br />
La acetoacetil CoA experimenta la pérdida <strong>de</strong> la CoA para transformarse en<br />
acetoacetato, proceso conocido como <strong>de</strong>sacilación.<br />
La principal ruta para la <strong>de</strong>sacilación es la formación y escisión enzimática <strong>de</strong>l -<br />
hidroxi- -metil glutaril CoA.<br />
CH 3<br />
HOOC CH 2 C CH 2 C SCoA<br />
OH<br />
acetoacetil CoA + acetil CoA -hidroxi -metil glutaril CoA + CoA<br />
El acetoacetato libre así producido se reduce enzimáticamente a Betahidroxibutirato,<br />
por la Beta-hidroxibutirato <strong>de</strong>shidrogenasa ligada al NAD.<br />
acetoacetato + NADH + H +<br />
O<br />
Beta-hidroxibutirato + NAD +<br />
La mezcla <strong>de</strong> acetoacetato y Beta hidroxibutirato resultante <strong>de</strong> esta reacción pue<strong>de</strong>n<br />
difundir <strong>de</strong>spués, fuera <strong>de</strong> la célula hepática, a la corriente sanguínea y llegar a los<br />
tejidos periféricos. Normalmente la concentración <strong>de</strong> cuerpos cetónicos en la sangre<br />
es muy baja, pero a causa <strong>de</strong>l ayuno o por la diabetes pue<strong>de</strong> alcanzar niveles<br />
elevados.<br />
Esto es <strong>de</strong>bido, a que al no existir glucosa utilizable por la célula, ésta se vale <strong>de</strong> las<br />
grasas, las cuales al <strong>de</strong>gradarse dan como producto acetil CoA en cantida<strong>de</strong>s<br />
elevadas.<br />
Oxidación <strong>de</strong> ácidos grasos <strong>de</strong> número impar <strong>de</strong> carbonos<br />
Estos ácidos grasos raramente se encuentran en la naturaleza. Son oxidados por el<br />
ciclo <strong>de</strong> oxidación <strong>de</strong>l ácido graso. Se separan sucesivamente restos <strong>de</strong> acetil CoA<br />
hasta que se llega a un resto terminal <strong>de</strong> tres átomos <strong>de</strong> carbono: propionil-CoA.<br />
El propionil CoA experimenta una carboxilación enzimática que lo transforma en<br />
metil-malonil CoA que es isomerizado a succinil CoA, que pier<strong>de</strong> la CoA para rendir<br />
succinato que se incorpora al ciclo <strong>de</strong>l ácido tricarboxílico.<br />
54
TEMA XIX: Degradación oxidativa <strong>de</strong> los aminoácidos<br />
Esquema <strong>de</strong> la oxidación <strong>de</strong> los aminoácidos. Transaminación y función <strong>de</strong>l piridoxal<br />
fosfato. Desaminación oxidativa. Vías <strong>de</strong> la acetil CoA y <strong>de</strong>l alfacetoglutorato, <strong>de</strong>l<br />
succinato, <strong>de</strong>l oxalacetato. Formación <strong>de</strong> los productos <strong>de</strong> excreción nitrogenada.<br />
Ciclo <strong>de</strong> la urea. Excreción <strong>de</strong> amoníaco. Formación <strong>de</strong> ácido úrico.<br />
Aunque la función primordial <strong>de</strong> los A.A. es la <strong>de</strong> ser precursores <strong>de</strong> las proteínas y<br />
<strong>de</strong> otras biomoléculas, se emplean con frecuencia como fuente energética. Los<br />
animales superiores oxidan activamente los aminoácidos tanto exógenos como<br />
endógenos. Aún cuando no se haya ingerido cantidad alguna <strong>de</strong> proteínas, los seres<br />
humanos pue<strong>de</strong>n excretar hasta 5 grs. <strong>de</strong> N 2 cada día, que correspon<strong>de</strong>n a la<br />
oxidación neta <strong>de</strong> casi 30 grs. <strong>de</strong> proteína endógena.<br />
El ciclo <strong>de</strong> los ácidos tricarboxílicos es la ruta <strong>de</strong>finitiva para la oxidación <strong>de</strong> los<br />
esqueletos carbonados <strong>de</strong> los aminoácidos.<br />
En este capítulo <strong>de</strong>scribiremos la <strong>de</strong>gradación oxidativa <strong>de</strong> los aminoácidos<br />
normalmente presentes como unida<strong>de</strong>s estructurales <strong>de</strong> las proteínas, lo que<br />
constituye la corriente principal <strong>de</strong>l catabolismo <strong>de</strong> los aminoácidos.<br />
Aunque las reacciones enzimáticas básicas implicadas en el catabolismo aminoácido<br />
son en su mayor parte semejantes en todos los organismos, el ritmo real <strong>de</strong><br />
utilización y la proporción <strong>de</strong> los diferentes aminoácidos empleados en un organismo<br />
<strong>de</strong>terminado <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong> muchos factores que incluyen:<br />
La capacidad genética para metabolizar aminoácidos;<br />
La asequibilidad <strong>de</strong> aminoácidos <strong>de</strong>l entorno;<br />
La <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncia nutritiva <strong>de</strong>l organismo respecto <strong>de</strong> los aminoácidos esenciales;<br />
La disponibilidad <strong>de</strong> otros combustibles caloríficos;<br />
Las necesida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> aminoácidos <strong>de</strong>l organismo para la síntesis proteica;<br />
La necesidad <strong>de</strong> aminoácidos específicos como precursores <strong>de</strong> ciertas<br />
biomoléculas importantes, tales como purinas, pirimidinas, componentes <strong>de</strong> la<br />
pared celular, hormonas y otras moléculas especializadas.<br />
PROTEOLISIS<br />
Antes que las proteínas puedan incorporarse a las rutas catabólicas <strong>de</strong>ben<br />
experimentar hidrólisis completa hasta transformarse en aminoácidos ya que las<br />
moléculas proteicas intactas y la mayoría <strong>de</strong> los péptidos no pue<strong>de</strong>n atravesar la<br />
membrana celular, mientras que los aminoácidos libres son absorbidos fácilmente.<br />
Los péptidos extracelulares y las proteínas con frecuencia son hidrolizados por<br />
acción <strong>de</strong> enzimas segregadas al entorno, por ejemplo muchos microorganismos<br />
forman y segregan peptidasas y enzimas proteolíticas. Sin embargo, la proteólisis<br />
extracelular ha sido estudiada con máximo <strong>de</strong>talle en el tracto digestivo <strong>de</strong> los<br />
vertebrados (ver proceso en página 460 <strong>de</strong> Lehninger). Por acción combinada <strong>de</strong> las<br />
enzimas proteolíticas segregadas por el estómago, el páncreas y el intestino<br />
<strong>de</strong>lgado, las proteínas ingeridas se hidrolizan por completo hasta aminoácidos, los<br />
cuales son absorbidos por las células epiteliales <strong>de</strong>l intestino <strong>de</strong>lgado, mediante un<br />
transporte activo que requiere energía. Los aminoácidos son enviados luego a los<br />
55
tejidos por medio <strong>de</strong> la sangre. Al entrar en las células individuales también por<br />
transporte activo, se incorporan a los canales metabólicos. Se sabe muy poco <strong>de</strong> la<br />
proteólisis intracelular, que en algunos tejidos como el hígado, tiene lugar a un ritmo<br />
elevado.<br />
ESQUEMA DE LA OXIDACION DE LOS AMINOACIDOS<br />
Para la oxidación <strong>de</strong> los 20 aminoácidos diferentes existen 20 secuencias<br />
multienzimáticas distintas. En último término todas convergen en unas pocas rutas<br />
terminales que conducen al ciclo <strong>de</strong> los ácidos tricarboxílicos. Los esqueletos<br />
hidrocarbonados <strong>de</strong> 10 <strong>de</strong> los A.A. son convertidos finalmente en acetil-CoA, ya sea<br />
por la vía <strong>de</strong>l piruvato o por la <strong>de</strong>l acetoacil-CoA, cinco se convierten en<br />
cetoglutarato, tres en succinil-CoA y dos en oxalacetato. La fenilalanina y la tirosina<br />
se <strong>de</strong>gradan <strong>de</strong> modo que una porción <strong>de</strong>l esqueleto hidrocarbonado se incorpora<br />
como acetil-CoA y lo otra como fumarato. Sin embargo no todos los átomos <strong>de</strong> C <strong>de</strong><br />
los 20 A.A. se incorporan al ciclo <strong>de</strong>l ácido tricarboxílico ya que algunos se pier<strong>de</strong>n<br />
por el camino <strong>de</strong> la <strong>de</strong>scarboxilación. Las rutas <strong>de</strong>l catabolismo no son<br />
necesariamente idénticas a las <strong>de</strong> la biosíntesis, pero hay algunas etapas que son<br />
comunes.<br />
Alanina<br />
Cisteína<br />
Glicocola<br />
Serina<br />
Treonina<br />
Isoleucina<br />
Leucina<br />
Triptófano<br />
Acetil-CoA<br />
Acetoacetil-CoA<br />
Fenilalanina<br />
Tirosina<br />
Leucina<br />
Lisina<br />
Triptófano<br />
Piruvato<br />
Citrato<br />
Isocitrato<br />
Oxalacetato<br />
Aspartato<br />
Asparagina<br />
Malato<br />
Glutamato<br />
Oxoglutarato<br />
Succinil-CoA<br />
Fumarato<br />
Succinato<br />
Arginina<br />
Histidina<br />
Glutamina<br />
Prolina<br />
Isoleucina<br />
Metionina<br />
Valina<br />
Tirosina<br />
Fenilalamina<br />
Los grupos -amino <strong>de</strong> los aminoácidos comparten un <strong>de</strong>stino común, al menos en<br />
los vertebrados, los cuales excretan el N 2 amínico en forma <strong>de</strong> Urea, Amoníaco o <strong>de</strong><br />
Ácido Úrico, según la especie. Los mecanismos por los cuales los grupos NH 2 son<br />
eliminados <strong>de</strong> los A.A. y luego convertidos en cualquiera <strong>de</strong> los tres productos <strong>de</strong><br />
excreción, son completamente semejantes. Puesto que la eliminación <strong>de</strong> los grupos<br />
56
NH 2 constituye la primera etapa en la <strong>de</strong>gradación <strong>de</strong> los A.A., examinaremos<br />
ahora los dos procesos principales implicados en esta reacción, ellos son la<br />
Transaminación y la Desaminación Oxidativa.<br />
TRANSAMINACION<br />
Por este proceso el grupo amino <strong>de</strong> por lo menos 11 aminoácidos es separado<br />
enzimáticamente por transaminación y transferido al carbono <strong>de</strong> uno o tres<br />
oxoácidos (piruvato; cetoglutarato o al oxalacetato). Por lo tanto el aminoácido al<br />
per<strong>de</strong>r su grupo NH 2 se transforma en el oxoácido correspondiente y el -oxoácido<br />
que acepta el grupo NH 2 se transforma en el aminoácido correspondiente. Dos<br />
transaminasas importantes son: la ALANIN-TRANSAMINASA; que cataliza la<br />
reacción:<br />
aminoácido<br />
ácido pirúvico<br />
y la GLUTANATO-TRANSAMINASA, que cataliza la reacción:<br />
aminoácido<br />
ácido<br />
Ejemplo <strong>de</strong> transaminación:<br />
H<br />
R'<br />
C<br />
COOH<br />
NH 2<br />
oxoglutárico<br />
+ C COOH<br />
C<br />
R 2<br />
O<br />
R 1<br />
O<br />
oxoácido<br />
oxoácido<br />
COOH<br />
alanina<br />
ácido glutámico<br />
+ R2 C<br />
Cualquiera sea la ruta <strong>de</strong> transaminación, el -cetoglutarato es el aceptor final <strong>de</strong><br />
los grupos NH 2 <strong>de</strong> la mayor parte <strong>de</strong> los A.A. y luego transporta esos grupos NH 2<br />
hasta una secuencia final <strong>de</strong> reacciones mediante las cuales se forman los<br />
productos nitrogenados finales o <strong>de</strong> excreción. Por ejemplo en la reacción anterior la<br />
alanin-transaminasa cataliza la formación <strong>de</strong> alanina a partir <strong>de</strong> un aminoácido<br />
más ácido pirúvico, luego esa alanina le transfiere el grupo NH 2 al cetoglutarato<br />
por acción <strong>de</strong> la alanin-glutamato-transaminasa.<br />
Alanina<br />
ácido<br />
oxoglutári co<br />
(aceptor final)<br />
ácido pirúvico<br />
ácido glutámico<br />
Las transaminasas se encuentran tanto en el citoplasma como en la mitocondria <strong>de</strong><br />
las células eucarióticas; las formas mitocondriales y las extramitocondriales difieren<br />
en sus propieda<strong>de</strong>s físico-químicas. Todas las transaminasas emplean una misma<br />
coenzima y comparten un mecanismo <strong>de</strong> reacción común. La coenzima es el fosfato<br />
<strong>de</strong> piridoxal, un <strong>de</strong>rivado <strong>de</strong> la vitamina B 6 , necesario como factor <strong>de</strong> crecimiento y<br />
esencial en la dieta <strong>de</strong> muchos microorganismos y animales.<br />
HO<br />
C<br />
H 3<br />
C<br />
C<br />
H<br />
C<br />
C<br />
N<br />
O<br />
C<br />
CH<br />
O<br />
CH 2 O P<br />
Fosfato <strong>de</strong> piridoxal<br />
OH<br />
OH<br />
NH 2<br />
El fosfato <strong>de</strong> piridoxal es también el<br />
grupo prostético <strong>de</strong> cierto número <strong>de</strong><br />
otras enzimas que catalizan<br />
H<br />
COOH<br />
57
eacciones en las que intervienen -aminoácidos. En principio el fosfato <strong>de</strong> piridoxal<br />
actúa como un transportador <strong>de</strong> grupos O, en algunos casos <strong>de</strong> aminoácidos. La<br />
clave <strong>de</strong> acción es su grupo al<strong>de</strong>hído que pue<strong>de</strong> formar una base <strong>de</strong> Shiff o<br />
cetimina, con amoníaco o con diversas aminas.<br />
Durante su ciclo catalítico en las transaminasas, la coenzima experimenta<br />
reacciones reversibles entre la forma <strong>de</strong> al<strong>de</strong>hído libre (fosfato <strong>de</strong> piridoxal) y su<br />
forma aminada (el fosfato <strong>de</strong> piridoxamina). Se produce el ciclo en dos etapas:<br />
El complejo enzima-fosfato <strong>de</strong> piridoxal, acepta un grupo amino <strong>de</strong>l dador <strong>de</strong> grupos<br />
NH 2 con formación <strong>de</strong> un complejo enzima-fosfato <strong>de</strong> piridoxamina; ello ocurre<br />
mediante dos bases <strong>de</strong> Shiff intermedias.<br />
El complejo enzima-fosfato <strong>de</strong> piridoxamina forma una base <strong>de</strong> Shiff con el aceptor<br />
entrante <strong>de</strong>l grupo NH 2 , el -oxoácido, al que se ce<strong>de</strong> a continuación el grupo NH 2 .<br />
R 1<br />
NH 2<br />
CH COOH<br />
Dador <strong>de</strong> NH 2<br />
R 1<br />
O<br />
+ E C H<br />
C N<br />
COOH<br />
Base <strong>de</strong> Shiff <strong>II</strong><br />
E CH2 NH2 + R2 C COOH<br />
H<br />
O<br />
R2 C N C<br />
COOH<br />
oxoácido<br />
aceptor <strong>de</strong> NH 2<br />
H<br />
Base <strong>de</strong> Shiff IV<br />
DESAMINACION OXIDATIVA<br />
H<br />
H2 O + R1 C N C<br />
CH2 E R1 C COOH<br />
E<br />
E<br />
R 2<br />
O<br />
O<br />
C H<br />
enzima-fosfato<br />
<strong>de</strong> piridoxal<br />
oxoácido<br />
C N<br />
COOH<br />
COOH<br />
H<br />
Base <strong>de</strong> Shiff I<br />
CH 2<br />
Base <strong>de</strong> Shiff <strong>II</strong>I<br />
E<br />
+ E CH 2 NH 2<br />
NH 2<br />
enzima-fosfato <strong>de</strong><br />
piridoxamina<br />
E<br />
+ R2 CH COOH<br />
aminoácido<br />
Este proceso ocurre en la mitocondria y los grupos 2<br />
NH recogidos <strong>de</strong> los diferentes<br />
aminoácidos por la acción <strong>de</strong> las transaminasas, aparecen en el último término en<br />
forma <strong>de</strong> grupos -aminos <strong>de</strong>l L-glutamato.<br />
En algunas células, particularmente en las bacterias, el glutamato experimenta una<br />
58
<strong>de</strong>saminación oxidativa rápida, catalizada por la glutamato-<strong>de</strong>shidrogenasa ligada a<br />
la piridina.<br />
L-glutamato + NAD + oxoglutarato + NH +<br />
4<br />
+ NADH + H+<br />
Descarga así en forma <strong>de</strong> iones NH 4 , los grupos aminos recogidos <strong>de</strong> los <strong>de</strong>más<br />
aminoácidos. La L-glutamato <strong>de</strong>shidrogenasa pue<strong>de</strong> usar también el NADP como<br />
aceptor <strong>de</strong> electrones, el NADPH así formado, actúa como reductor en las<br />
reacciones biosintéticas. La mayor parte <strong>de</strong> los organismos tien<strong>de</strong>n a reutilizar el<br />
NH 4 formado en el catabolismo <strong>de</strong> los A.A. recuperándolo.<br />
cetoglutarato NH4<br />
NADH H<br />
glutamato NAD<br />
RUTAS QUE CONDUCEN AL ACETIL-CoA<br />
Cistina<br />
Glutamato <strong>de</strong>shidrogenasa<br />
Treonina<br />
Glicocola<br />
Cisteina Serina<br />
Alanina<br />
Ácido Pirúvico<br />
Acetil-CoA<br />
El esquema muestra los portales <strong>de</strong> entrada por los que penetran en el ciclo <strong>de</strong> los<br />
ácidos carboxílicos, los esqueletos carbonados <strong>de</strong> los diferentes aminoácidos. Las<br />
rutas <strong>de</strong> los 20 A.A. <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong>l punto <strong>de</strong> entrada. El punto principal <strong>de</strong> entrada en<br />
el ciclo es por la vía <strong>de</strong>l acetil-CoA, diez aminoácidos penetran por esta ruta, cinco<br />
<strong>de</strong> ellos se <strong>de</strong>gradan al acetil-CoA por la vía <strong>de</strong>l piruvato y los restantes por la <strong>de</strong>l<br />
acetoacetil-CoA.<br />
59
Glicocola<br />
Serina<br />
Ácido Pirúvico<br />
H2N CH2 COOH<br />
CH OH<br />
O<br />
NH 2<br />
CH 2 CH COOH<br />
OH<br />
CH 3 C COOH<br />
Piruvato<br />
<strong>de</strong>shidrogenasa<br />
VIA DEL PIRUVATO<br />
CH 3<br />
Serin-<br />
hidroximetil<br />
tranferasa<br />
Serina<br />
<strong>de</strong>shidrasa<br />
CH CH COOH<br />
OH<br />
NH 2<br />
Treonina<br />
CH 3<br />
O<br />
C<br />
O<br />
H<br />
CH 3 C S CoA<br />
Acetil CoA<br />
NAD +<br />
ATP<br />
CoA<br />
acetal<strong>de</strong>hído<br />
NADH + H +<br />
AMP; P i<br />
Los cinco aminoácidos que penetran por la vía <strong>de</strong>l piruvato son la alanina, la<br />
cisteína, la glicocola, la serina y la treonina (ejemplo anterior). La alanina rin<strong>de</strong><br />
directamente piruvato por transaminación con el -cetoglutarato. En el ejemplo<br />
pue<strong>de</strong> verse como se <strong>de</strong>gradan hasta piruvato, la treonina, la glicocola y serina.<br />
RUTA DEL -OXOGLUTARATO<br />
Los esqueletos carbonados <strong>de</strong> cinco aminoácidos (arginina, histidina, ácido<br />
glutámico, glutamina y prolina) entran en el ciclo <strong>de</strong> los ácidos tricarboxílicos por la<br />
vía <strong>de</strong> -cetoglutarato, cuyo precursor inmediato es el ácido glutámico.<br />
Arginina Prolina<br />
Semial<strong>de</strong>hído<br />
glutámico<br />
Histidina Glutamina<br />
Ácido Glutámico<br />
cetoglutar ato<br />
60
El esquema muestra las rutas que conducen hasta el -cetoglutarato <strong>de</strong> los<br />
distintos A.A. para po<strong>de</strong>r entrar al ciclo <strong>de</strong> Krebs.<br />
RUTA DEL SUCCINATO<br />
Los esqueletos carbonados <strong>de</strong> la metionina, la isoleucina y la valina, se <strong>de</strong>gradan<br />
<strong>de</strong>finitivamente, por la vía <strong>de</strong>l propionil-CoA y <strong>de</strong>l metilmalonil-CoA, a succinil-CoA<br />
que experimenta una <strong>de</strong>sacilación para dar succinato, intermediario <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong><br />
Krebs.<br />
RUTA DEL OXALACETATO<br />
METIONINA<br />
Ácido oxobutírico<br />
Propionil-CoA<br />
Metilmalonil-CoA<br />
Succil-CoA<br />
Isoileucina<br />
Valina<br />
La asparagina y ácido aspártico se incorporan finalmente al ciclo <strong>de</strong> Krebs en forma<br />
<strong>de</strong> oxalacetato. La asparagina en primer lugar se hidroliza a ácido aspártico y<br />
amoníaco por la acción <strong>de</strong> la asparaginasa.<br />
Asparagina +<br />
O<br />
H 2<br />
ácido-aspartico +<br />
El aspartato así formado, experimenta transaminación con el ácido -cetoglutarato<br />
para formar ácido oxalacético.<br />
Ácido aspartico + ácido oxoglutarato ácido oxalacético + ácido glutámico<br />
De esta manera los cuatro átomos <strong>de</strong> carbono <strong>de</strong> estos aminoácidos pue<strong>de</strong>n<br />
incorporarse al ciclo <strong>de</strong> Krebs. En las plantas y en algunos microorganismos el ácido<br />
aspártico experimenta una eliminación directa <strong>de</strong> NH 3 para dar fumarato, catalizada<br />
por la enzima aspartasa, que no se encuentra presente en los tejidos animales.<br />
Ácido aspartico Ácido fumárico + NH 3<br />
NH 3<br />
61
FORMACION DE PRODUCTOS DE EXCRECION NITROGENADOS<br />
La mayoría <strong>de</strong> los vertebrados excretan <strong>de</strong>finitivamente cierta fracción <strong>de</strong>l amoníaco<br />
formado en una <strong>de</strong> estas tres formas: urea, amoníaco, o ácido úrico. El N 2 amínico<br />
es excretado por la mayor parte <strong>de</strong> los vertebrados terrestres en forma <strong>de</strong> urea. Son<br />
organismos <strong>de</strong>signados como ureotélicos. Muchos animales acuáticos, tales como<br />
los peces teleósteos, excretan nitrógeno amínico en forma <strong>de</strong> NH 3 y se les <strong>de</strong>nomina<br />
amonotélicos.<br />
Los pájaros y los reptiles terrestres, cuyo consumo <strong>de</strong> agua es limitado, excretan el<br />
N 2 amínico en forma <strong>de</strong> ácido úrico (en forma semisólida) y a estos organismos se<br />
los llama uricotélicos. Los anfibios ocupan una posición intermedia. El renacuajo,<br />
cuyos hábitos son acuáticos, excreta amoníaco, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la metamorfosis,<br />
durante la cual el hígado adquiere las enzimas necesarias, la rana adulta excreta<br />
urea.<br />
CICLO DE LA UREA<br />
La formación <strong>de</strong> urea tiene lugar casi por completo en el hígado <strong>de</strong> los organismos<br />
ureotélicos, es catalizada por un mecanismo cíclico <strong>de</strong>nominado ciclo <strong>de</strong> la urea.<br />
Penetran en este ciclo dos grupos aminos que proce<strong>de</strong>n inicialmente <strong>de</strong> los -<br />
aminoácidos por <strong>de</strong>saminación, junto con una molécula <strong>de</strong> CO 2 y forman arginina a<br />
partir <strong>de</strong> la ornitina, diaminoácido homólogo <strong>de</strong> la lisina. Esta parte <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> la<br />
urea tiene lugar en casi todos los organismos capaces <strong>de</strong> realizar la biosíntesis <strong>de</strong> la<br />
arginina pero solamente los animales ureotélicos poseen gran<strong>de</strong>s cantida<strong>de</strong>s <strong>de</strong><br />
enzima arginasa, que cataliza la hidrólisis irreversible <strong>de</strong> la arginina para formar urea<br />
regenerando ornitina. La urea molécula neutra soluble en H2 O se excreta con la<br />
orina.<br />
Grupos<br />
-amino<br />
- NH 2<br />
oxoglutarato ácido<br />
glutámico<br />
- NH 2<br />
ácido<br />
aspártico<br />
carbamilfosfato<br />
- NH 2<br />
citrulina<br />
C NH 2<br />
O<br />
arginina<br />
ornitina<br />
arginasa<br />
H2N C NH2 El primer grupo NH 2 que entra al ciclo surge en forma <strong>de</strong> NH 3 libre como<br />
consecuencia <strong>de</strong> la <strong>de</strong>saminación oxidativa ligada al NAD <strong>de</strong>l glutamato en las<br />
mitocondrias.<br />
Ácido glutámico + NAD +<br />
ácido oxoglutárico + NH 3 + NADH + H +<br />
Entonces el NH 3 libre es utilizado junto con el CO 2 para formar fosfato <strong>de</strong> carbamilo<br />
en una reacción compleja, catalizada por la carbamil-fosfato sintetasa.<br />
62<br />
O
CO 2 + NH 3 + 2 ATP + H 2 O<br />
O<br />
O -<br />
H2N C O P O -<br />
O<br />
Fosfato <strong>de</strong> carbamilo<br />
+ ADP + P i<br />
Se necesitan dos moléculas <strong>de</strong> ATP para formar cada molécula <strong>de</strong> fosfato <strong>de</strong><br />
carbamilo que interviene en esta reacción, la cual es irreversible. El fosfato <strong>de</strong><br />
carbamilo es un compuesto rico en energía. El fosfato <strong>de</strong> carbamilo originado en<br />
esta reacción, ce<strong>de</strong> a continuación, su grupo carbamilo a la ornitina para formar<br />
citrulina y fosfato; la reacción es catalizada por la ornitin-transcarbamilasa.<br />
El segundo grupo NH 2 penetra <strong>de</strong>spués en el ciclo <strong>de</strong> la urea, al que llega en<br />
forma <strong>de</strong> aspartato que a su vez lo adquirió <strong>de</strong>l glutamato por acción <strong>de</strong> la aspartatoglutamato-transaminasa.<br />
Ácido glutámico + ácido oxalacético Ácido oxoglutárico + ácido aspártico<br />
A continuación el grupo NH 2 <strong>de</strong>l aspartato se con<strong>de</strong>nsa con el átomo <strong>de</strong> carbono<br />
carbonílico <strong>de</strong> la citrulina en presencia <strong>de</strong> ATP para formar argininosuccinato,<br />
reacción catalizada por la arginosuccinato sintetasa.<br />
El arginosuccinato es escindido en forma irreversible por acción <strong>de</strong> la argininsuccinasa,<br />
con formación <strong>de</strong> arginina y fumarato libre. Hasta este punto la secuencia<br />
<strong>de</strong> la reacción es empleada por la mayoría <strong>de</strong> las células en la biosíntesis <strong>de</strong> la<br />
arginasa.<br />
Los animales ureotélicos sin embargo poseen arginasa, la cual <strong>de</strong>sdobla, la arginina<br />
en urea y ornitina que vuelve al ciclo. La ecuación global <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> la urea es:<br />
2 NH 3 + CO 2 + 2 ATP + H 2 O Urea + 2 ADP + 2 P i + AMP + PP i<br />
EXCRECION DE AMONIACO<br />
Se cree que en los organismos amonotélicos los grupos NH 2 <strong>de</strong>rivados a diversos<br />
-aminoácidos, se transaminan para formar glutamato, que experimenta <strong>de</strong>spués<br />
una <strong>de</strong>saminación oxidativa mediante la glutamato-<strong>de</strong>shidrogenasa. El NH 3 así<br />
formado se convierte <strong>de</strong>spués en N 2 amídico <strong>de</strong> la glutamina, que es la forma <strong>de</strong><br />
transporte <strong>de</strong>l NH 3 en la mayor parte <strong>de</strong> organismos. La glutamina se forma por<br />
acción <strong>de</strong> la glutamina-sintetasa, a partir <strong>de</strong> ácido glutámico.<br />
NH 2<br />
HOOC CH 2 CH 2 CH COOH<br />
+ NH 3 + ATP<br />
Mg ++<br />
O NH 2<br />
H2N C CH2 CH2 CH COOH<br />
Acido Glutámico Glutamina<br />
+ ADP + P i<br />
63
La glutamina rin<strong>de</strong> NH 3 libre en los túbulos renales <strong>de</strong> la mayoría <strong>de</strong> los vertebrados,<br />
pero esta reacción predomina en los organismos amonotélicos. La reacción es:<br />
+<br />
Glutamina + H2O Glutamato + NH4 El NH 4 así formado pasa directamente a la orina. Dado que la glutamina no es tóxica<br />
constituye un medio <strong>de</strong> transporte eficaz <strong>de</strong>l NH 3 .<br />
FORMACION DE ACIDO ÚRICO<br />
En los organismos uricotélicos, el ácido úrico es la forma principal <strong>de</strong> excreción <strong>de</strong><br />
los grupos NH 2 <strong>de</strong> los -aminoácidos. Es también el producto principal <strong>de</strong><br />
excreción <strong>de</strong>l metabolismo purínico en los primates, los pájaros y los reptiles<br />
terrestres. La ruta <strong>de</strong> formación <strong>de</strong> ácido úrico es compleja, puesto que en primer<br />
lugar <strong>de</strong>be formarse el anillo purínico a partir <strong>de</strong> precursores sencillos.<br />
Amino ácidos<br />
NH2<br />
N<br />
C<br />
C<br />
N<br />
C<br />
C<br />
N C<br />
N<br />
H<br />
HO<br />
N<br />
C<br />
OH<br />
Anillo <strong>de</strong> Purina Xantina<br />
H<br />
O<br />
N<br />
C<br />
O<br />
C<br />
N<br />
H<br />
C<br />
C<br />
H<br />
N<br />
N<br />
H<br />
Acido Urico<br />
(forma oxo)<br />
C<br />
C<br />
N<br />
O<br />
C<br />
C<br />
N<br />
N<br />
H<br />
C<br />
H<br />
O 2<br />
Xantin<br />
oxidasa<br />
64
TEMA XX: BIOSINTESIS DE CARBOHIDRATOS<br />
Principales vías <strong>de</strong> la síntesis <strong>de</strong> carbohidratos. Formación <strong>de</strong> fosfoenol-piruvato a<br />
partir <strong>de</strong> piruvato. Conversión <strong>de</strong> fosfoenol-piruvato a glucosa. Gluconeogénesis a<br />
partir <strong>de</strong> los intermediarios <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> Krebs, <strong>de</strong> la acetil CoA y <strong>de</strong> los aminoácidos.<br />
Hemos visto que la transformación <strong>de</strong> la glucosa en piruvato es la senda principal <strong>de</strong>l<br />
metabolismo <strong>de</strong> los carbohidratos en la mayoría <strong>de</strong> las células, tanto en condiciones<br />
aerobias como anaerobias.<br />
El proceso inverso, la conversión <strong>de</strong>l piruvato en glucosa es el camino más<br />
importante. Convergen sobre esta senda central biosintética otras dos sendas las<br />
cuales provienen <strong>de</strong> dos precursores diferentes que no son carbohidratos. Una <strong>de</strong><br />
ellas está dada por productos intermedios <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> Krebs, que se transforman en<br />
piruvato. Este proceso se <strong>de</strong>nomina gluconeogénesis. El otro camino está dado por<br />
las reacciones que provocan la reducción <strong>de</strong>l CO 2 para formar glucosa (es en las<br />
células fotosintéticas).<br />
1.- Formación <strong>de</strong> fosfoenol-piruvato<br />
La conversión <strong>de</strong>l piruvato en fosfoenol-piruvato no pue<strong>de</strong> realizarse en<br />
presencia <strong>de</strong> la piruvato-quinasa ya que el G º 75 kcal . La fosforilación <strong>de</strong>l<br />
piruvato se consigue tanto en el citoplasma como en la mitocondria mediante una<br />
secuencia reaccional <strong>de</strong> ro<strong>de</strong>o que necesita <strong>de</strong> la intervención <strong>de</strong> varias enzimas.<br />
La primera reacción es la catalizada por la piruvato-carboxilasa (<strong>de</strong> la<br />
mitocondria).<br />
H2O piruvato + CO 2 + ATP<br />
Acetil CoA + oxalacetato + ADP + P i<br />
La enzima piruvato carboxilasa que se encuentra en la mitocondria necesita <strong>de</strong> le<br />
acción <strong>de</strong> la acetil CoA para actuar.<br />
2.- El oxalacetato es reducido a malato por el NADH 2<br />
Gº<br />
0.<br />
5<br />
kcal<br />
NADH2 + oxalacetato NAD+ + malato Gº<br />
6.<br />
7 kcal<br />
3.- El malato formado difun<strong>de</strong> al citoplasma don<strong>de</strong> es reoxidado por la forma<br />
citoplasmática <strong>de</strong> la malato-<strong>de</strong>shidrogenasa ligada al NAD para formar<br />
oxalacetato extramitocondrial.<br />
malato + NAD+<br />
oxalacetato + NADH 2<br />
Esta reacción es muy en<strong>de</strong>rgónica, se <strong>de</strong>splaza hacia la <strong>de</strong>recha porque los<br />
productos finales se eliminan rápidamente.<br />
4.- El oxalacetato se transforma en fosfoenol-piruvato por la acción <strong>de</strong> los fosfoenolpiruvato-carboxiquinasa.<br />
En esta reacción el donador <strong>de</strong> fósforo es el GTP (o el<br />
ITP).<br />
Gº<br />
6.<br />
7<br />
kcal<br />
65
oxalacetato + GTP<br />
Mg ++<br />
fosfoenol-piruvato + CO 2 + GDP<br />
Sumando todas las reacciones, escribimos la ecuación global, teniendo en cuenta la<br />
suma algebraica <strong>de</strong> los G º .<br />
Gº<br />
0.<br />
7<br />
kcal<br />
piruvato + ATP + GTP fosfoenol-piruvato + ADP + GDP + P i<br />
Esta reacción global es reversible, puesto que su variación <strong>de</strong> energía libre estándar<br />
es muy pequeña. Ten<strong>de</strong>rá a <strong>de</strong>splazarse a la <strong>de</strong>recha siempre que el cociente (ATP)<br />
/ (ADP) tenga un valor elevado y que haya presente un exceso <strong>de</strong> piruvato. Para<br />
fosforilar una molécula <strong>de</strong> piruvato se consumen dos enlaces <strong>de</strong> alto valor<br />
energético. Practicando le dirección energética <strong>de</strong> la ecuación, se observa que el<br />
proceso en<strong>de</strong>rgónico que requiere energía es:<br />
Gº<br />
0.<br />
2<br />
kcal<br />
piruvato + GTP fosfoenol-piruvato + GDP Gº<br />
7.<br />
5 kcal<br />
Mientras que el proceso que ce<strong>de</strong> energía es:<br />
ATP + H2O ADP + Pi Gº<br />
7.<br />
3 kcal<br />
Conversión en glucosa <strong>de</strong>l fosfoenol-piruvato<br />
El fosfoenol-piruvato se convierte fácilmente en fructuosa 1 - 6 difosfato por<br />
inversión <strong>de</strong> las reacciones <strong>de</strong> la glicólisis que comienzan con la enolasa y terminan<br />
en la aldolasa.<br />
enolasa<br />
fosfoenol-piruvato + H2O 2-fosfoglicerato<br />
(1)<br />
2-fosfoglicerato 3-fosfoglicerato<br />
(2)<br />
ATP + 3-fosfoglicerato ADP + 1,3-difosfoglicerato<br />
1-3 difosfo-glicerato + NADH 2<br />
(3)<br />
(4)<br />
gliceral<strong>de</strong>hído-3-P dihidroxiacetona-P<br />
gliceral<strong>de</strong>hido-3-fosfato + NAD + + P i<br />
(5)<br />
gliceral<strong>de</strong>hído-3-P + dihidroxiacetona-P fructosa-1-6-di P<br />
(1) fosfoglicerometasa - (2) - fosfoglicerato-quinasa - (3) - gliceral<strong>de</strong>hído-3 P-<br />
<strong>de</strong>shidrogenasa - (4) - triosa-fosfato-isomerasa (5) - aldolasa<br />
66
La reacción siguiente no se realiza en dirección a le síntesis catalizada por la<br />
fosfofructoquinasa. Esta reacción es catalizada por la fructosadifosfatasa.<br />
fructosa-1-6-difosfato + H 2 O fructosa-6-P + P i<br />
En la etapa siguiente en camino hacia la glucosa la fructosa 6 P se convierte <strong>de</strong><br />
modo reversible en glucosa 6P por la acción <strong>de</strong> la fosfohexoisomerasa o<br />
fosfoglucoisomerasa.<br />
fructosa 6-P glucosa 6-P<br />
En la mayoría <strong>de</strong> las células la glucosa-6-P formada durante la gluconeogénesis se<br />
emplea como precursor en la producción <strong>de</strong> polímeros <strong>de</strong> reservas como glucógeno,<br />
almidón, <strong>de</strong> otros monosacáridos <strong>de</strong> la glucosa, <strong>de</strong> disacáridos y polímeros<br />
estructurales. Sin embargo en <strong>de</strong>terminadas células como en el hígado, riñón,<br />
epitelio intestinal <strong>de</strong> los vertebrados, la glucosa-6-P pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>sfosforilarse y libera<br />
glucosa. El hígado constituye la fuente más importante <strong>de</strong> la glucosa sanguínea. La<br />
escisión <strong>de</strong> la glucosa-6-P; no pue<strong>de</strong> tener efecto por inversión <strong>de</strong> la reacción <strong>de</strong> la<br />
hexoquinasa, a causa <strong>de</strong>l gran cambio <strong>de</strong> energía libre estándar positiva que hay en<br />
la dirección <strong>de</strong> formación <strong>de</strong> la glucosa libre.<br />
Gº<br />
0.<br />
4<br />
kcal<br />
glucosa-6-P + ADP glucosa + ATP Gº<br />
4.<br />
0 kcal<br />
Sin embargo la producción <strong>de</strong> glucosa libre es inducida por la glucosa -6-fosfatasa,<br />
que cataliza la siguiente reacción exergónica <strong>de</strong> hidrólisis.<br />
glucosa-6-P + H2O glucosa + Pi Gº<br />
3.<br />
3 kcal<br />
Esta enzima se encuentra <strong>de</strong> modo característico en el hígado y riñón <strong>de</strong> los<br />
vertebrados. Su actividad es <strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> los lípidos y <strong>de</strong> la estructura <strong>de</strong> la<br />
membrana. La glucosa-6- fosfatasa no se encuentra en los músculos, ni en el<br />
cerebro, por lo que estos órganos no poseen la capacidad <strong>de</strong> donar glucosa libre.<br />
Resumiendo:<br />
2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH 2 + 6 H 2 O glucosa + 2 NAD + + 4 ADP + 2 GDP + 6 P i<br />
Por cada molécula <strong>de</strong> glucosa que se forma se consumen seis enlaces fosfato <strong>de</strong><br />
alto valor energético y se requiere dos moléculas <strong>de</strong> NADH2 como reductor.<br />
67
La reacción global es exergónica.<br />
glucosa libre<br />
Pi<br />
glucógeno<br />
glucosa-1-P<br />
glucosa-6-P<br />
fructosa-6-P<br />
fructosa-1-6 P<br />
UDP-glucosa<br />
UTP<br />
ATP Pi<br />
gliceral<strong>de</strong>hído-3-P<br />
3-P-glicerato<br />
2-P-glicerato<br />
fosfoenolpiruvato<br />
piruvato<br />
CO 2<br />
oxalacetato<br />
malato<br />
malato<br />
oxalacetato<br />
piruvato<br />
GTP<br />
disacáridos<br />
monosacáridos<br />
68
Gluconeogénesis a partir <strong>de</strong> los intermediarios <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> los ácidos<br />
tricarboxílicos<br />
Dijimos anteriormente que la síntesis <strong>de</strong> glucosa podría tener varios precursores.<br />
Entre ellos los principales son los productos intermedios <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> los ácidos<br />
tricarboxílicos que pue<strong>de</strong>n experimentar oxidación a malato. Entonces el malato<br />
pue<strong>de</strong> abandonar las mitocondrias y experimentar su oxidación a oxalacetato en el<br />
citoplasma extramitocondrial; don<strong>de</strong> tiene lugar la formación <strong>de</strong> fosfoenol-piruvato<br />
por la acción <strong>de</strong> la fosfoenolpiruvato-carboxiquinasa <strong>de</strong>l citoplasma. Tres átomos <strong>de</strong><br />
carbono <strong>de</strong> los distintos intermediarios <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> los ácidos tricarboxílicos se<br />
convierten, finalmente en tres átomos <strong>de</strong> carbono <strong>de</strong>l fosfoenol-piruvato. Estos<br />
carbonos proce<strong>de</strong>n <strong>de</strong> los átomos alfa-carboxílicos (alfa-carboxílicos) y beta <strong>de</strong>l<br />
oxalacetato.<br />
Acido oxalacético.<br />
Gluconeogénesis a partir <strong>de</strong> acetil CoA<br />
COOH<br />
CH 2<br />
C<br />
O<br />
COOH<br />
En los tejidos <strong>de</strong> los animales superiores no hay formación neta <strong>de</strong> nueva glucosa a<br />
partir <strong>de</strong> los dos átomos <strong>de</strong> carbono <strong>de</strong>l grupo acetilo <strong>de</strong>l acetil CoA. Lo que sí<br />
suce<strong>de</strong> es que la con<strong>de</strong>nsación <strong>de</strong> la acetil CoA con el oxalacetato <strong>de</strong> citrato que al<br />
oxidarse para dar fosfoenol-piruvato pier<strong>de</strong> 3 átomos <strong>de</strong> C en forma <strong>de</strong> CO 2 . Se<br />
<strong>de</strong>duce que no pue<strong>de</strong> formar más glucosa que el oxalacetato. En los tejidos<br />
animales la acetil CoA no pue<strong>de</strong> convertirse directamente en piruvato o en succinato.<br />
En los animales superiores no existe senda metabólica alguna por lo que los átomos<br />
<strong>de</strong> carbono <strong>de</strong> los ácidos grasos puedan ser utilizados para producir nueva glucosa.<br />
Gluconeogénesis a partir <strong>de</strong> los aminoácidos<br />
Como se ha visto, algunos o todos los átomos <strong>de</strong> carbono <strong>de</strong> los distintos<br />
aminoácidos <strong>de</strong>rivados <strong>de</strong> proteínas son finalmente convertibles en acetil CoA o en<br />
intermediarios <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> Krebs. Aquellos aminoácidos que pue<strong>de</strong>n servir <strong>de</strong><br />
precursores <strong>de</strong>l fosfoenol-piruvato y por consiguiente <strong>de</strong> la glucosa son aminoácidos<br />
glucogénicos. Ej: alanina, arginina, glicina, histidina, valina, prolina, etc. Los<br />
aminoácidos que por <strong>de</strong>gradación son capaces <strong>de</strong> formar acetoacetato se los<br />
<strong>de</strong>nomina cetógenos. Ej.: leucina. La fenilalanina y la tirosina constituyen ejemplos<br />
<strong>de</strong> aminoácidos que a la vez son glucogénicos y cetogénicos puesto que por<br />
<strong>de</strong>gradación se escin<strong>de</strong>n para formar ácido fumárico (glucogénico) y acetil CoA<br />
(cetogénico).<br />
69
TEMA XXI: BIOSÍNTESIS DE LÍPIDOS<br />
Biosíntesis <strong>de</strong> ácidos grasos saturados. Formación <strong>de</strong> malonil CoA. Pasos en la<br />
síntesis <strong>de</strong> ácidos grasos. Prolongación <strong>de</strong> los ácidos grasos saturados en la<br />
mitocondria y los microsomas. Biosíntesis <strong>de</strong> triacil-gliceroles. Biosíntesis <strong>de</strong><br />
colesterol.<br />
La ruta biosintética que conduce <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la glucosa a los ácidos grasos es importante<br />
en la mayoría <strong>de</strong> los organismos. Puesto que la capacidad <strong>de</strong> los animales<br />
superiores para almacenar polisacáridos es bastantes limitada la glucosa ingerida en<br />
exceso, respecto a las necesida<strong>de</strong>s calóricas inmediatas y a la capacidad <strong>de</strong><br />
almacenaje, se convierte en ácidos grasos, y éstos a su vez, en triacilgliceroles que<br />
pue<strong>de</strong>n almacenarse en gran<strong>de</strong>s cantida<strong>de</strong>s en el tejido adiposo. Constituye otro<br />
proceso importante la biosíntesis <strong>de</strong> fosfoglicéridos <strong>de</strong> las membranas, puesto que la<br />
mayoría <strong>de</strong> las células experimentan un recambio relativamente veloz. También se<br />
verá la biosíntesis <strong>de</strong> colesterol. Aunque <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el punto <strong>de</strong> vista cuantitativo se trata<br />
<strong>de</strong> una vía secundaria, el gran número <strong>de</strong> esteroles, biológicamente activos, que<br />
<strong>de</strong>rivan <strong>de</strong>l colesterol le confiere consi<strong>de</strong>rable importancia.<br />
BIOSINTESIS DE LOS ÁCIDOS GRASOS SATURADOS<br />
La síntesis completa <strong>de</strong> ácidos grasos saturados <strong>de</strong> largas ca<strong>de</strong>nas tiene efecto,<br />
solamente en la fracción soluble <strong>de</strong>l citoplasma. Esta catalizada por un complejo <strong>de</strong><br />
siete enzimas que se <strong>de</strong>nomina complejo sintetasa <strong>de</strong> ácidos grasos. Los acil<strong>de</strong>rivados<br />
intermediarios <strong>de</strong>l proceso no son los tioésteres <strong>de</strong> la CoA, como en el<br />
caso <strong>de</strong> la oxidación <strong>de</strong> los ácidos grasos, sino tioésteres <strong>de</strong> una proteína <strong>de</strong> bajo<br />
peso molecular <strong>de</strong>nominado proteína transportadora <strong>de</strong> ácil os (o ACP). Esta<br />
proteína pue<strong>de</strong> formar complejos con las enzimas sintetasas a manera <strong>de</strong> un racimo.<br />
Palmitil<br />
transferasa<br />
Deshidrogenasa<br />
(2º reducción)<br />
Deshidratasa<br />
Malonil transferasa<br />
SH<br />
(resto SH perteneciente a la proteína<br />
transportadora <strong>de</strong> grupos acilos)<br />
Acil transferasa<br />
Enzima con<strong>de</strong>nsante<br />
( citonil sintetasa)<br />
SH (resto fosfopantotenil<br />
con grupo SH terminal que<br />
enlaza los intermediarios<br />
acílicos)<br />
Deshidrogenasa<br />
(1º reducción)<br />
70
La malonil CoA es el precursor inmediato <strong>de</strong> 14 <strong>de</strong> los 16 átomos <strong>de</strong> carbono <strong>de</strong>l<br />
ácido palmítico; se forma a partir <strong>de</strong> la acetil-CoA citoplasmática (que <strong>de</strong>riva <strong>de</strong> la<br />
acetil-CoA mitocondrial) y <strong>de</strong>l CO 2 por la acción <strong>de</strong> la acetil-CoA-carboxilasa.<br />
O<br />
CH 3 C SCoA<br />
biotina<br />
O<br />
+ CO2 + ATP HOOC CH2 C S CoA<br />
Mn ++<br />
El CO2 se convierte en el carbono carboxílico libre distal <strong>de</strong> la malonil CoA. Los<br />
grupos acilos <strong>de</strong> la acetil-CoA y <strong>de</strong> la malonil CoA son transferidos al grupo tiol <strong>de</strong> la<br />
ACP por acción <strong>de</strong> dos enzimas acil-transferasa y malonil-transferasa.<br />
SH<br />
SH<br />
SH +<br />
O<br />
S C CH 3<br />
O<br />
CH 3 C SCoA<br />
+<br />
acil<br />
transferasa<br />
O<br />
COOH CH 2 C SCoA<br />
SH<br />
malonil<br />
transferasa<br />
O<br />
S C CH 3<br />
S<br />
C<br />
CH 2<br />
O<br />
COO H<br />
O<br />
+ HSCoA<br />
S C CH3 + HSCoA<br />
Acetil-S-ACP y malonil-S-ACP reaccionan entre sí <strong>de</strong> manera que el grupo acetilo<br />
<strong>de</strong>l primero pasa a formar los carbonos 3 y 4 <strong>de</strong>l grupos acetoacetilo, con<br />
<strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong>l CO 2 .<br />
71
S<br />
C<br />
CH 2<br />
C<br />
CH 3<br />
con<strong>de</strong>nsante<br />
S<br />
C<br />
CH 2<br />
C<br />
CH 3<br />
La acetoacetil-S-ACP se reduce por acción <strong>de</strong>l NADPH.<br />
O<br />
O<br />
SH<br />
NADPH + + H +<br />
<strong>de</strong>shidrogenasa<br />
NADP<br />
S<br />
C<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 3<br />
O<br />
H<br />
SH<br />
butiril-S-ACP<br />
S<br />
C<br />
CH 2<br />
C<br />
CH 3<br />
O<br />
OH<br />
SH<br />
O<br />
O<br />
<strong>de</strong>shidratasa<br />
SH + CO 2<br />
H 2 O<br />
Hidroxibutiril - S- ACP<br />
acil<br />
transferasa<br />
SH<br />
S<br />
C<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 3<br />
S<br />
C<br />
CH<br />
CH<br />
CH 3<br />
O<br />
SH<br />
crotonil-S-ACP<br />
O<br />
NADPH + + H +<br />
72<br />
NADP
La formación <strong>de</strong> butiril-S-ACP completa el primer ciclo, el cual se repite seis veces<br />
más en el cual una molécula <strong>de</strong> malonil-S-CoA se incorpora a la ACP para dar<br />
malonil-S-ACP la cual experimenta pérdida <strong>de</strong> CO 2 y con<strong>de</strong>nsación con el acilo<br />
graso que se encuentra en el otro brazo. De ésta manera el producto es el ácido<br />
palmítico <strong>de</strong> 16 átomos <strong>de</strong> carbono. Al final <strong>de</strong>l ciclo se libera la ACP por la acción<br />
<strong>de</strong> una <strong>de</strong>sacilasa hidrolítica.<br />
SH<br />
SH<br />
+<br />
CH 3 (CH 2 ) 14 COOH<br />
ácido palmitico<br />
Las reacciones enzimáticas <strong>de</strong> la síntesis <strong>de</strong> ácidos grasos difieren <strong>de</strong> la oxidación<br />
en:<br />
Su localización <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la célula.<br />
En el portador <strong>de</strong> grupos acilos.<br />
En la forma en que las unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> dos átomos <strong>de</strong> carbono se adicionan<br />
o eliminan.<br />
El NADPH necesario en la reducción proviene <strong>de</strong> la vía <strong>de</strong>l<br />
fosfogluconato.<br />
PROLONGACION DE LOS ACIDOS GRASOS SATURADOS EN LAS<br />
MITOCONDRIAS Y LOS MICROSOMAS<br />
El ácido palmítico que es el producto final normal <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> la sintetasa <strong>de</strong> los<br />
ácidos grasos <strong>de</strong>l citoplasma, pue<strong>de</strong> prolongarse mediante dos tipos diferentes <strong>de</strong><br />
sistema enzimáticos: el <strong>de</strong> las mitocondrias y <strong>de</strong>l retículo endoplasmático.<br />
En las mitocondrias los ácidos grasos saturados <strong>de</strong> 12 a 16 átomos <strong>de</strong> carbono, en<br />
forma <strong>de</strong> ésteres <strong>de</strong> la CoA, se alargan por adiciones sucesivas <strong>de</strong> acetil-CoA. La<br />
ruta mitocondrial se realiza por inversión <strong>de</strong> las mismas etapas implicadas en la<br />
oxidación, con excepción <strong>de</strong> la reducción <strong>de</strong>l doble enlace α β que conduce al ácido<br />
graso saturado, que se verifica a expensas <strong>de</strong>l NADHP como reductor, y no <strong>de</strong> la<br />
flavoproteína. El sistema mitocondrial es capaz <strong>de</strong> alargar también los ácidos grasos<br />
no saturados.<br />
En los microsomas tanto los ésteres <strong>de</strong> ácidos grasos saturados, como los <strong>de</strong> los no<br />
saturados pue<strong>de</strong>n prolongarse, pero en este caso es la malonil-CoA la fuente <strong>de</strong><br />
grupos acetilos.<br />
FORMACION DE ACIDOS MONOENOICOS (con doble enlace)<br />
Los precursores <strong>de</strong> los ácidos grasos monoenoicos son el:<br />
73
Acido palmítico (C 16 )<br />
Acido palmitoleico ( )<br />
Acido Esteárico (C 18 )<br />
Acido oleico ( )<br />
Aunque la mayoría <strong>de</strong> los organismos tienen capacidad para formar ácido<br />
palmitoleico y ácido oleico, la ruta y el mecanismo utilizado <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n si el<br />
organismo es anaerobio o aerobio.<br />
En los organismos aerobios los dobles enlaces son introducidos por una oxigenasa<br />
específica localizada en la fracción microsómica, especialmente <strong>de</strong>l hígado y <strong>de</strong>l<br />
tejido adiposo.<br />
No se conocen <strong>de</strong>talles completos <strong>de</strong>l mecanismo enzimático, pero se sabe que se<br />
utiliza la molécula <strong>de</strong> oxígeno como aceptor <strong>de</strong> dos pares <strong>de</strong> electrones, uno <strong>de</strong> los<br />
cuales proce<strong>de</strong> <strong>de</strong>l sustrato acil-CoA y el otro <strong>de</strong>l NADPH, que se requiere en la<br />
reacción.<br />
palmitoíl-CoA + NADPH + H + + O 2<br />
1 par 1 par<br />
FORMACION DE ACIDOS POLIENOICOS<br />
palmitoleíl-CoA + NADP + + 2 H 2 O<br />
Todos los ácidos polienoicos se forman a partir <strong>de</strong> cuatro precursores:<br />
1.- Acido palmitoleico<br />
2.- Acido oleico<br />
3.- Acido linoleico<br />
4.- Acido linolénico<br />
Los cuales sufren ulterior alargamiento y/o <strong>de</strong>saturización. Los ácidos linoleicos y<br />
linolénicos no pue<strong>de</strong>n ser sintetizados por los mamíferos quienes tienen que<br />
tomarlos <strong>de</strong> fuentes vegetales por esta razón se <strong>de</strong>nominan ácidos grasos<br />
esenciales.<br />
BIOSINTESIS DE TRIACIL GLICEROLES (TAG)<br />
Los TAG, que actúan como lípidos <strong>de</strong> <strong>de</strong>pósito o <strong>de</strong> almacenamiento, son<br />
activamente sintetizados por las células hepáticas y adiposas <strong>de</strong> los mamíferos.<br />
Para la síntesis se requieren dos precursores principales:<br />
1.- Glicerol 3-fosfato<br />
2.- Acil CoA graso<br />
El glicerol 3-fosfato proce<strong>de</strong> <strong>de</strong> dos fuentes:<br />
1.- Dihidroxiacetona-fosfato que se produce en la glicólisis.<br />
Dihidroxiacetona-fosfato + NADH + H+<br />
glicerol-3-fosfato + NAD +<br />
74
2.- También pue<strong>de</strong> formarse por la acción <strong>de</strong> la gliceril-quinasa<br />
ETAPAS DE LA BIOSINTESIS<br />
ATP + glicerina glicerol-3-fosfato + ADP<br />
- Primera etapa: Acilación <strong>de</strong> los grupos oxidrilos libres <strong>de</strong>l glicerol-3-fosfato por<br />
dos moléculas <strong>de</strong> acil-CoA graso, produciendo un ácido fosfatídico.<br />
CH 2<br />
CH OH<br />
CH 2<br />
OH<br />
O PO 3 H 2<br />
O<br />
+ 2 R C S CoA<br />
CH 2<br />
CH<br />
O<br />
O C<br />
O<br />
R<br />
O C R'<br />
CH 2 O PO 3 H 2<br />
+ 2 HSCoA<br />
- Segunda etapa: El ácido fosfatídico experimenta una hidrólisis por acción <strong>de</strong> una<br />
fosfatasa específica formando diacilglicérido.<br />
CH<br />
O<br />
CH 2 O C R<br />
O<br />
O C R'<br />
CH 2 O PO 3 H 2<br />
+ H 2 O CH<br />
CH 2 OH<br />
O<br />
CH 2 O C R<br />
O<br />
O C R'<br />
+ P i<br />
- Tercera etapa: El diacilglicérido reacciona con una molécula <strong>de</strong> acil-graso CoA<br />
dando triacilglicerol.<br />
CH<br />
CH 2 OH<br />
O<br />
CH 2 O C R<br />
O<br />
O C R'<br />
BIOSINTESIS DE FOSFOGLICERIDOS<br />
O<br />
+ R'' C S CoA<br />
CH<br />
CH 2<br />
O<br />
CH 2 O C R'<br />
O<br />
O C R''<br />
O<br />
O C R'''<br />
+ HSCoA<br />
Los principales fosfoglicéridos que sirven como componentes <strong>de</strong> las membranas y<br />
las lipoproteínas <strong>de</strong> transporte se forman por ramificaciones <strong>de</strong> la ruta biosintética a<br />
partir <strong>de</strong>l ácido fosfatídico. A<strong>de</strong>más intervienen los nucleótidos citidínicos. Todas<br />
estas reacciones tienen lugar en el retículo endoplásmico.<br />
1) El ácido fosfatídico con el CTP se convierte en citidín-difosfato-diacilglicérido<br />
que es el precursor común <strong>de</strong> todos los fosfoglicéridos formados por ésta ruta.<br />
Acido fosfatídico + CTP<br />
citidín-difosfato-diacilglicérido + PP i<br />
75
Su porción CMP pue<strong>de</strong> consi<strong>de</strong>rarse la portadora <strong>de</strong>l ácido fosfatídico. En las<br />
reacciones subsiguientes, cada una <strong>de</strong> las cuales es catalizada por una enzima<br />
específica la porción CMP es <strong>de</strong>splazada por los alcoholes: serina, inositol, fosfato<br />
<strong>de</strong> glicerilo.<br />
HO<br />
HO<br />
CH 2<br />
CH<br />
CH 2<br />
O<br />
P<br />
O<br />
P<br />
O<br />
CH 2<br />
H<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O C R<br />
O<br />
O C R'<br />
O<br />
H H<br />
OH OH<br />
citosina<br />
1). CDP - diacilglicérido + serina fosfatidil-serina + CMP<br />
2). CDP - diacilglicérido + inositol fosfatidil inositol + CMP<br />
3). CDP - diacilglicérido + glicerol-fosfato fosfatidil-glicerol-fosfato +<br />
CMP<br />
La <strong>de</strong>scarboxilación enzimática <strong>de</strong>l resto <strong>de</strong> la serina <strong>de</strong> la fosfatidilserina conduce a<br />
la formación <strong>de</strong> la fosfatidil-etanolamina.<br />
La fosfatidil-etanolamina es precursora <strong>de</strong> la fosfatidil-colina, la cual se forma por<br />
transferencia <strong>de</strong> tres grupos metilos.<br />
El fosfatidil-gliceril-fosfato es precursor <strong>de</strong> dos lípidos. Por <strong>de</strong>sfosforilación rin<strong>de</strong><br />
fosfatidil-glicerina que es uno <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong> la membrana celular <strong>de</strong><br />
muchas bacterias. El fosfatidil-gliceril-fosfato con una segunda molécula <strong>de</strong> CDP -<br />
diacilglicérido rin<strong>de</strong> cardiolipina.<br />
76
BIOSINTESIS DE COLESTEROL<br />
Compren<strong>de</strong> tres etapas:<br />
1.- Conversión <strong>de</strong> acetato en ácido mevalónico<br />
2.- Conversión <strong>de</strong> ácido mevalónico en escualeno<br />
3.- Conversión <strong>de</strong> escualeno en colesterol.<br />
1). Conversión <strong>de</strong> acetato en ácido mevalónico:<br />
El ácido mevalónico tiene seis átomos <strong>de</strong> carbono por lo que se forma por<br />
con<strong>de</strong>nsación <strong>de</strong> tres moléculas <strong>de</strong> acetil-CoA.<br />
Acetil CoA + acetoacetil CoA hidroxi - metil - glutaril CoA + CoA<br />
hidroxi - metil - glutaril CoA<br />
NADPH 2<br />
2). Conversión <strong>de</strong> ácido mevalónico en escualeno:<br />
ácido mevalónico + NADP + HSCoA<br />
El ácido mevalónico es fosforilado por el ATP y se convierte en ácido-3-fosfo-5pirofosfomevalónico.<br />
CH 3<br />
COO H CH 2 C CH 2 CH 2 O P O P OH<br />
O<br />
HO P OH<br />
O<br />
Acido fosfatídico<br />
CDP - diacilglicérido<br />
Fosfatidil-serina Fosfatidil-inositol<br />
Fosfatidil-glicerol-fosfato<br />
CO 2<br />
Fosfatidil-etanolamina<br />
-<br />
3 CH3 Fosfatidil-colina<br />
Serina<br />
CTP<br />
Inositol<br />
Cardiolipina<br />
Fosfato <strong>de</strong><br />
glicerilo<br />
OH<br />
O<br />
Fosfatidil-glicerina<br />
OH<br />
O<br />
P i<br />
+ CDP-diacilglicérido<br />
77
El compuesto es muy inestable pier<strong>de</strong> H 3PO 4 y se <strong>de</strong>scarboxila dando<br />
isopentenil-pirofosfato que se isomeriza y dá el 3-3'-dimetil-alil-pirofosfato.<br />
CH 2<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
OH<br />
C CH 2 CH 2 O P O P OH<br />
O<br />
OH<br />
C CH CH 2 O P O P OH<br />
Estos dos compuestos se con<strong>de</strong>nsan con pérdida <strong>de</strong> PP i dando geranilpirofosfato.<br />
geranil-pirofosfato + isopentenil pirofosfato<br />
OH<br />
O<br />
- PP i<br />
O<br />
OH<br />
O<br />
farnesil pirofosfato<br />
El cual experimenta con<strong>de</strong>nsaciones reductoras y conducen al escualeno.<br />
3). Conversión <strong>de</strong> escualeno en colesterol<br />
El escualeno sufre un ataque <strong>de</strong>l oxígeno formando el 2-3 epóxido, el cual sufre<br />
una ciclización a lanosterol en el cual se producen <strong>de</strong>splazamientos electrónicos<br />
con el cierre <strong>de</strong> los cuatro anillos y formación <strong>de</strong> colesterol.-<br />
78
TEMA XX<strong>II</strong>: BIOSÍNTESIS DE LOS AMINOACIDOS<br />
La biosíntesis <strong>de</strong> los aminoácidos a partir <strong>de</strong> precursores sencillos, es vital para<br />
todas las formas <strong>de</strong> vida, puesto que los aminoácidos son los precursores <strong>de</strong> las<br />
proteínas. Sin embargo los organismos vivos difieren consi<strong>de</strong>rablemente en lo que<br />
se refiere a las formas <strong>de</strong> N 2 que son capaces <strong>de</strong> utilizar con dicha finalidad.<br />
Los animales superiores pue<strong>de</strong>n utilizar NH 3 como fuente <strong>de</strong> N 2 para la síntesis <strong>de</strong><br />
aminoácidos no indispensables, pero son incapaces <strong>de</strong> utilizar, nitritos y nitratos o<br />
N 2 . Los rumiantes pue<strong>de</strong>n utilizar los nitritos y nitratos pero solo <strong>de</strong>spués que las<br />
bacterias <strong>de</strong> su panza los reducen a NH 3 .<br />
Las plantas superiores pue<strong>de</strong>n producir todos los aminoácidos requeridos para la<br />
síntesis <strong>de</strong> proteínas, a partir tanto <strong>de</strong> NH 3 como <strong>de</strong> nitratos, como fuentes <strong>de</strong> N 2 .<br />
Pue<strong>de</strong>n utilizar el NH 3 como tal o <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> su oxidación a nitrato por acción <strong>de</strong> las<br />
bacterias <strong>de</strong>l suelo. Las leguminosas son capaces <strong>de</strong> fijar N 2 atmosférico como NH 3<br />
por acción <strong>de</strong> las bacterias que se encuentran en sus nódulos radicícolas.<br />
Los microorganismos difieren ampliamente en cuanto a su capacidad <strong>de</strong> efectuar<br />
síntesis <strong>de</strong> aminoácidos. Algunos no pue<strong>de</strong>n crecer si no se le suministran algunos<br />
aminoácidos ya formados. Otros como E.Coli pue<strong>de</strong>n obtener todos sus aminoácidos<br />
a partir <strong>de</strong> NH 3 .<br />
Los veinte aminoácidos se sintetizan gracias a unas secuencias polienzimáticas,<br />
algunas <strong>de</strong> las cuales son extremadamente complejas como es el caso en las<br />
mayoría <strong>de</strong> las vías biosintéticas, las sendas <strong>de</strong> las síntesis aminoácidas son, en su<br />
mayor parte, diferentes a las seguidas en sus <strong>de</strong>gradaciones.<br />
Por una parte los aminoácidos sirven no sólo como bloques <strong>de</strong> montajes en la<br />
síntesis <strong>de</strong> proteínas sino también como precursores <strong>de</strong> muchas biomoléculas que<br />
poseen gran variedad <strong>de</strong> funciones especializadas. Es frecuente que las rutas <strong>de</strong><br />
síntesis y <strong>de</strong>gradaciones aminoácidas incluyan ciertas ramificaciones o extensiones<br />
conducentes a la formación <strong>de</strong> tales productos especializados.<br />
Ya hemos visto que las formas biológicas <strong>de</strong> N 2 disponibles son relativamente<br />
escasas en los ambientes inanimados, porque el proceso <strong>de</strong> fijación <strong>de</strong> N 2<br />
atmosférico está circunscrito a unos pocos organismos<br />
A<strong>de</strong>más las propias síntesis <strong>de</strong> las enzimas que catalizan la formación <strong>de</strong> los<br />
aminoácidos se hallan también bajo control, tales síntesis pue<strong>de</strong>n resultar<br />
reprimidas, si la célula dispone <strong>de</strong> un suministro exógeno <strong>de</strong> aminoácido. Ambas<br />
formas <strong>de</strong> regulación constituyen el reflejo <strong>de</strong> una intrínseca economía celular que<br />
prevalece en la síntesis y en la utilización <strong>de</strong> los aminoácidos.<br />
BIOSINTESIS DE LOS AMINOACIDOS NO ESENCIALES:<br />
Se <strong>de</strong>finen a éstos como aquellos aminoácidos que pue<strong>de</strong>n ser sintetizados por la<br />
rata albina. Conviene consi<strong>de</strong>rar en primer lugar este grupo <strong>de</strong> aminoácidos, porque<br />
la mayoría <strong>de</strong> los organismos pue<strong>de</strong>n realizar su síntesis. A<strong>de</strong>más este grupo se<br />
distingue porque sus rutas biosintéticas son más bien cortas y muestran variaciones<br />
relativamente pequeñas <strong>de</strong> unas especies a otras.<br />
79
BIOSINTESIS DE ACIDO GLUTAMICO, GLUTAMINA Y PROLINA:<br />
Las rutas biosintéticas <strong>de</strong> estos aminoácidos que están íntimamente relacionados<br />
son idénticas en todas las formas <strong>de</strong> vida. Los tres se <strong>de</strong>gradan por sendas que<br />
conducen al cetoglutarato, y los mismos caminos que se emplean para su<br />
síntesis. El ácido glutámico se forma <strong>de</strong>s<strong>de</strong> luego a partir <strong>de</strong> NH 3 y <strong>de</strong> ácido<br />
cetoglutárico por acción <strong>de</strong> la L-glutamato ~ <strong>de</strong>shidrogenasa.<br />
NH3 + ácido oxoglutárico + NADPH + H+<br />
ácido L-glutámico + NADP +<br />
Esta reacción es <strong>de</strong> importancia fundamental en la biosíntesis <strong>de</strong> cualquier<br />
aminoácido en todas las especies, pues se trata <strong>de</strong> la ruta primaria sino la única <strong>de</strong><br />
formación directa <strong>de</strong> grupos amino a partir <strong>de</strong> NH 3 . La transaminación <strong>de</strong> los<br />
ácidos -ceto con el ácido glutámico como donador <strong>de</strong> grupos NH 2 , constituye la<br />
senda principal <strong>de</strong> introducción <strong>de</strong> grupos -amino en la biosíntesis <strong>de</strong> la mayoría<br />
<strong>de</strong> los aminoácidos.<br />
La Glutamina se forma a partir <strong>de</strong>l ácido glutámico por la acción <strong>de</strong> la glutamina ~<br />
sintetasa.<br />
NH3 + ácido glutámico + ATP Glutamina + ADP + P i<br />
Esta reacción es bastante compleja e implica dos o más etapas intermedias. Se ha<br />
observado que el ~glutamil fosfato actúa como intermediario <strong>de</strong> alta energía ligado<br />
a la enzima.<br />
O<br />
C<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
H C NH2 COOH<br />
O P<br />
OH<br />
O<br />
OH<br />
ácido glutamil-fosfórico<br />
ATP + Acido glutámico ADP + glutamil~fosfato<br />
glutamil~fosfato + NH 3<br />
glutamina + P i<br />
La prolina se sintetiza a partir <strong>de</strong> ácido glutámico por inversión <strong>de</strong> la ruta metabólica,<br />
antes <strong>de</strong>scrita para la oxidación <strong>de</strong> la prolina.<br />
Los restos <strong>de</strong> hidroxiprolina que se encuentran en el colágeno y en otras proteínas<br />
fibrosas, se forman a partir <strong>de</strong> <strong>de</strong>terminados restos <strong>de</strong> prolina <strong>de</strong> esas proteínas por<br />
acción <strong>de</strong> la prolin-hidroxilasa. Esta oxigenasa <strong>de</strong> función mixta utiliza el<br />
cetoglutarato como correductor y el oxígeno corno aceptor electrónico. En la<br />
80
eacción se requieren Fe y ácido ascórbico como cofactores. Sin embargo la<br />
prolin-hidroxilasa no transforma la prolina libre en hidroxiprolina.<br />
BIOSINTESIS DE ALANINA: ACIDOS ASPARTICO Y ASPARAGINA:<br />
En muchos organismos la alanina y el ácido aspártico se forman por transaminación<br />
<strong>de</strong> ácido pirúvico y <strong>de</strong>l ácido oxalacético respectivamente.<br />
ALANINA<br />
O<br />
CH 3 C COOH<br />
NH 2<br />
H<br />
En algunas plantas estos dos compuestos se producen por Aminación reductora. El<br />
81<br />
NH 2<br />
+ HOOC CH2 CH2 C COOH CH3 C COOH +<br />
Acido pirúvico Acido glutámico Alanina<br />
ACIDO ASPARTICO<br />
O<br />
HOOC CH 2 C COOH<br />
Acido oxalacético<br />
i n h i b i c i ó n<br />
H C CH 2 CH 2 CH COOH<br />
O<br />
NADH 2<br />
O<br />
Acido Glutámico<br />
C<br />
H 2<br />
HC<br />
C<br />
H 2<br />
C<br />
H 2<br />
NH 2<br />
OH-C-CH 2 -CH 2 -CH-COOH<br />
N<br />
N<br />
H<br />
Prolina<br />
NADH<br />
NH 2<br />
CH 2<br />
+ Acido glutámico HOOC CH 2 C COOH<br />
C<br />
CH 2<br />
C<br />
H<br />
COOH<br />
H<br />
2<br />
COOH<br />
H<br />
semial<strong>de</strong>hído<br />
glutámico<br />
Acido 1 ~pirrolín<br />
5 carboxílico<br />
NH 2<br />
H<br />
Acido Aspártico<br />
O<br />
HOOC CH 2 CH 2 C COOH<br />
α<br />
cetoglutarato<br />
+ Acido -oxoglutámico
ácido Aspártico es el precursor directo <strong>de</strong> la asparagina. En muchos organismos<br />
ésta se forma por una reacción similar a la catalizada por la glutamin-sintetasa.<br />
HOOC CH 2 C COOH<br />
TIROSINA<br />
NH 2<br />
H<br />
Acido Aspártico<br />
NH2 NH2 + NH3 + ATP C CH2 C COOH<br />
O<br />
H<br />
Asparagina<br />
+ ADP + P i<br />
Aunque la Tirosina es un aminoácido no indispensable, su síntesis requiere el<br />
aminoácido esencial feniIalanina, como precursor. La tirosina se forma a partir <strong>de</strong> la<br />
fenilalanina por una reacción <strong>de</strong> hidroxilación catalizada por la fenil-alaninhidroxilasa.<br />
La cual como hemos visto participa <strong>de</strong> la <strong>de</strong>gradación <strong>de</strong> la fenilalanina.<br />
Fenilalanina + NADPH + H + + O 2 Tirosina + NADP + + H 2 O<br />
BIOSINTESIS DE AMINOACIDOS ESENCIALES<br />
Las sendas <strong>de</strong> la síntesis <strong>de</strong> los aminoácidos esenciales se han <strong>de</strong>ducido en gran<br />
parte, <strong>de</strong> estudios bioquímicos y genéticos practicados con bacterias. En general los<br />
caminos son idénticos en la mayoría <strong>de</strong> las especies bacterianas y plantas<br />
superiores. Sin embargo en algunos casos se observan diferencias <strong>de</strong> especie en<br />
algunas etapas individuales. Las sendas que llevan a la biosíntesis <strong>de</strong> los<br />
aminoácidos esenciales son más largas que las que llevan a la síntesis <strong>de</strong> los no<br />
esenciales. También son más complejas posiblemente porque varios intermediarios<br />
sirven también como precursores <strong>de</strong> muchas otras clases <strong>de</strong> biomoléculas.<br />
BIOSINTESIS DE METIONINA Y TREONINA<br />
Estos dos aminoácidos esenciales tienen un <strong>de</strong>nominador común: sus esqueletos<br />
carbonados proce<strong>de</strong>n <strong>de</strong> la homoserina. Análogo <strong>de</strong> la serina con cuatro átomos <strong>de</strong><br />
carbono. A su vez la ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> carbonos <strong>de</strong> la homoserina <strong>de</strong>riva <strong>de</strong>l esqueleto <strong>de</strong>l<br />
ácido aspártico, luego <strong>de</strong> una serie <strong>de</strong> reacciones que no tienen lugar en los<br />
mamíferos.<br />
El camino metabólico <strong>de</strong> la reducción <strong>de</strong>l grupo -carboxílo <strong>de</strong> ácido aspártico al<br />
correspondiente al<strong>de</strong>hído se parece a la reducción <strong>de</strong> 1-3 difosfoglicerato al 3<br />
gliceral<strong>de</strong>hído-fosfato <strong>de</strong> la ruta <strong>de</strong> la glicólisis.<br />
La homoserina formada en la primera etapa se fosforila a fosfato <strong>de</strong> homoserina<br />
mediante una reacción que requiere ATP.<br />
El fosfato <strong>de</strong> homoserina se convierte en Treonina por acción <strong>de</strong> la Treonínsintetasa,<br />
enzima que requiere fosfato <strong>de</strong> Piridoxal.<br />
En esta reacción se elimina ácido fosfórico <strong>de</strong> los carbonos 3 y 4, se obtiene así un<br />
82
3 , 4<br />
doble enlace que se isomeriza a la posición<br />
formar Treonina.<br />
SINTESIS DE TREONINA<br />
H<br />
COOH<br />
CH 2<br />
C<br />
NH 2<br />
COOH<br />
Acido<br />
aspártico<br />
ATP ADP C<br />
apartil<br />
quinasa<br />
H<br />
O<br />
CH 2<br />
C<br />
O P OH<br />
NH 2<br />
COOH<br />
aspartil<br />
fosfato<br />
OH<br />
O<br />
NADH NAD + H<br />
C<br />
O<br />
CH2 H<br />
2 , 3<br />
y <strong>de</strong>spués se hidrata para<br />
C<br />
COOH<br />
NH 2<br />
NADH NAD +<br />
ATP ADP<br />
CH2 O<br />
OH<br />
P OH<br />
- Pi CH2 CH<br />
H<br />
CH2 O<br />
Complejo enzimático C N CH ENZ.<br />
C N CH ENZ. -homoserin-fosfato<br />
COOH<br />
+<br />
H +<br />
CH 3<br />
CH<br />
C<br />
COOH<br />
COOH<br />
N CH ENZ.<br />
H 2 O<br />
CH 3<br />
H C OH<br />
H<br />
C<br />
COOH<br />
N CH ENZ.<br />
Semial<strong>de</strong>hído<br />
aspártico<br />
H 2 O<br />
CH 3<br />
H C NH2 COOH<br />
H<br />
H C OH +<br />
Treonina<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
COOH<br />
OH<br />
NH 2<br />
Homoserina<br />
O CH ENZ.<br />
Se cree que la secuencia completa tiene lugar con el grupo NH 2 <strong>de</strong>l sustrato<br />
unido al grupo al<strong>de</strong>hído <strong>de</strong>l fosfato <strong>de</strong> piridoxal <strong>de</strong> la enzima como una base <strong>de</strong><br />
Schiff, en éste complejo el átomo <strong>de</strong> H 2 es lábil.<br />
El producto final <strong>de</strong> la secuencia, la treonina, es un inhibidor modulador <strong>de</strong> la<br />
primera enzima <strong>de</strong>l sistema que es la enzima regulador aspartil-quinasa.<br />
METIONINA<br />
La conversión <strong>de</strong> la homoserina en metionina comienza con la formación enzimática<br />
<strong>de</strong> la O~succinil homoserina por transferencia <strong>de</strong> un grupo succinilo <strong>de</strong>l succinil-CoA.<br />
En la reacción siguiente se forma cistationina a partir <strong>de</strong> la O succinil-homoserina y<br />
<strong>de</strong> la Cisteína la cual, a su vez escin<strong>de</strong>, para dar homocisteína ácido pirúvico y NH 3 .<br />
La Cisitationina pue<strong>de</strong> experimentar dos tipos <strong>de</strong> escisión, uno a cada uno <strong>de</strong> los<br />
lados <strong>de</strong>l átomo <strong>de</strong> azufre, así pue<strong>de</strong> servir como intermediario <strong>de</strong> la conversión <strong>de</strong><br />
Metionina en Cisteína en los mamíferos y <strong>de</strong> la transformación <strong>de</strong> Cisteína en<br />
Metionina en las plantas y bacterias.<br />
83
H<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
COOH<br />
OH<br />
NH 2<br />
Succinil CoA<br />
H<br />
SH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
COOH<br />
NH 2<br />
H<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
COOH<br />
O<br />
NH 2<br />
O<br />
C<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
COOH<br />
Cisteína<br />
H<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
COOH<br />
Homoserina O succinil - homoserina Cistationina<br />
Piruvato<br />
+ NH 2<br />
Homocisteina<br />
DA ~ Cobalanina<br />
N 5 ~ Metil<br />
tetrahidroflorato<br />
H<br />
CH 3<br />
S<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
COOH<br />
NH 2<br />
Metionina<br />
La metilación <strong>de</strong> la Homocisteína a Metionina en E. Coli tiene lugar por transferencia<br />
<strong>de</strong>l grupo Metilo <strong>de</strong> N 5 metil tetrahidrofolato.<br />
N 5 metil tetrahidrofolato + homocisteína<br />
D. A. ~ Cobalamina<br />
NH 2<br />
S<br />
H<br />
tetrahidrofolato + metionina<br />
En esta reacción se requiere Desoxia<strong>de</strong>nosilcobalamina, coenzima que contiene<br />
vitamina B 12 , su acción como portador <strong>de</strong> grupo metilo ( CH 3 ) <strong>de</strong>l<br />
CH<br />
C<br />
COOH<br />
5<br />
N metil-<br />
tetrahidrofolato el cual pue<strong>de</strong> provenir originalmente <strong>de</strong> varios donadores <strong>de</strong> grupos (<br />
CH 3 ) metilo, tales como la colina o la 5-a<strong>de</strong>nosil-metionina. A su vez, la<br />
homocisteína es uno <strong>de</strong> los posibles aceptores <strong>de</strong> grupos<br />
( CH 3 ) metilo.<br />
Funciones Precursoras <strong>de</strong> los Aminoácidos: Biosíntesis <strong>de</strong> Porfirinas<br />
Los aminoácidos son precursores <strong>de</strong> muchas biomoléculas (aparte las proteínas)<br />
que ejercen importantes funciones biológicas, tales como hormonas, vitaminas,<br />
coenzimas, alcaloi<strong>de</strong>s, porfirinas, antibióticos, pigmentos y sustancias<br />
neurotransmisoras.<br />
Es digno <strong>de</strong> mención especialmente, el hecho <strong>de</strong> que los aminoácidos cromáticos,<br />
sean los principales precursores <strong>de</strong> buen número <strong>de</strong> alcaloi<strong>de</strong>s entre ellos la<br />
morfina, la co<strong>de</strong>ína, y la papaverina, así como <strong>de</strong> muchas otras sustancias con<br />
intensa actividad biológica, tales como la hormona tiroxina, la hormona <strong>de</strong><br />
crecimiento vegetal: ácido indolacético, el po<strong>de</strong>roso vasocontrictor neurohumoral:<br />
serotonina y las hormonas catecolamínicas: epinefrina y norepinefrina.<br />
Los aminoácidos son precursores <strong>de</strong> pequeños péptidos, como el glutatión y <strong>de</strong> las<br />
hormonas péptidas, como la bradiquinina, oxitocina y la vasopresina.<br />
El péptido glutation se sintetiza según las siguientes reacciones:<br />
84<br />
NH 2
Acido glutámico + Cisteína + ATP<br />
Glutamilcisteína + Glicina + ATP<br />
Mg ++<br />
Glutamilcisteína + ADP +P i<br />
Glutatión + ADP + P i<br />
La biosíntesis <strong>de</strong> las Porfirinas cuyo principal precursor es la Glicina requiere<br />
especial atención por la importancia central <strong>de</strong>l núcleo porfirínico en la función <strong>de</strong> la<br />
hemoglobina, <strong>de</strong> los citocromos y <strong>de</strong> la clorofila. Los tetrapirroles se construyen a<br />
partir <strong>de</strong> cuatro moléculas <strong>de</strong>l <strong>de</strong>rivado monopirrólico Porfobilinógeno, que a su vez<br />
se sintetiza según las siguientes etapas:<br />
COOH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
O<br />
S CoA<br />
Succinil~CoA<br />
+<br />
CH 2<br />
COOH<br />
NH 2<br />
Glicina<br />
HSCoA<br />
H<br />
COOH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
C<br />
O<br />
NH 2<br />
COO H<br />
Acido amino<br />
oxoadípico<br />
COOH<br />
COOH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
CH 2<br />
NH 2<br />
O<br />
Acido amino<br />
levulínico<br />
En la primera reacción la glicina reacciona con el succinil-CoA para dar ácido -<br />
amino oxoadípico quien luego se <strong>de</strong>scarboxila para dar ácido amino-levulínico<br />
reacción que es catalizada por la amino~levulínico~sintetasa; enzima que requiere<br />
fosfato <strong>de</strong> piridoxal y se encuentra en el retículo endoplásmico <strong>de</strong> las células<br />
hepáticas.<br />
Luego dos moléculas <strong>de</strong> amino-levulínico se con<strong>de</strong>nsan para formar porfobilinógeno<br />
bajo la acción <strong>de</strong> la aminolevulínico <strong>de</strong>shidrasa.<br />
COOH<br />
CH 2<br />
H C H +<br />
C<br />
CH 2<br />
NH 2<br />
O<br />
H<br />
COOH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
C<br />
N<br />
H<br />
O<br />
H<br />
H<br />
2 H 2 O<br />
HOOC<br />
CH 2<br />
NH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
C<br />
N<br />
CH 2 COOH<br />
CH 2<br />
C<br />
C<br />
H<br />
Porfobilinógeno<br />
H<br />
85
Como precursores <strong>de</strong> la Protoporfirina actúan cuatro moléculas <strong>de</strong> porfobilinógeno, a<br />
través <strong>de</strong> una serie compleja <strong>de</strong> reacciones, la primera <strong>de</strong> las cuales la cataliza la<br />
porfobilinógeno~<strong>de</strong>saminasa. Algunas <strong>de</strong> las etapas <strong>de</strong> la serie permanecen aún<br />
oscuras.<br />
El hierro no se incorpora hasta que se ha completado la molécula <strong>de</strong> la<br />
protoporfirina. Esta incorporación requiere una enzima, la hemo-sintetasa o<br />
Ferroquelatasa que está localizada en las mitocondrias.<br />
HOOC<br />
CH 2<br />
NH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
C<br />
N<br />
CH 2 COOH<br />
CH 2<br />
C<br />
C<br />
H<br />
Porfobilinógeno<br />
H<br />
CH 3<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
COOH<br />
C<br />
CH<br />
C<br />
C C<br />
N<br />
CH 3 CH CH 2<br />
C<br />
C<br />
H<br />
HC C<br />
C<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
COOH<br />
H<br />
H<br />
C<br />
C<br />
H<br />
C<br />
C<br />
CH 3<br />
Protoporfirina IX<br />
N<br />
CH<br />
C<br />
C C<br />
CH<br />
C<br />
CH 3<br />
CH CH 2<br />
La <strong>de</strong>gradación <strong>de</strong> la protoporfirina IX, conduce a la bilirrubina y a biliverdina, que<br />
son pigmentos segregados en la bilis.<br />
86
TEMA XX<strong>II</strong>I: BIOSINTESIS DE LOS MONONUCLEOTIDOS<br />
Biosíntesis <strong>de</strong> los nucleótidos <strong>de</strong> purina. Vías <strong>de</strong>l ácido inosínico hacia los ácidos<br />
a<strong>de</strong>nílico y guanílico. Biosíntesis <strong>de</strong> los nucleótidos <strong>de</strong> pirimidina.<br />
La biosíntesis <strong>de</strong> ribonucleótidos y <strong>de</strong>soxiribonucleótidos es un proceso vital ya que<br />
estos compuestos son precursores directos <strong>de</strong>l ADN y <strong>de</strong>l ARN así como <strong>de</strong> las<br />
coenzimas nucleotídicas.<br />
Las rutas metabólicas <strong>de</strong> formación <strong>de</strong> sus bases (púricas y pirimidínicas) tienen<br />
una importancia central.<br />
Biosíntesis <strong>de</strong> nucleótidos purínicos: Origen biosintético <strong>de</strong> los átomos <strong>de</strong>l anillo<br />
purínico.<br />
Proviene <strong>de</strong> los experimentos realizados por Bucherer quién administró a animales<br />
precursores marcados y luego <strong>de</strong>terminó los sitios <strong>de</strong>l núcleo purínico a los que se<br />
habían incorporado los átomos marcados. Esta experiencia se realizó en aves, que<br />
excretan el N 2 en forma <strong>de</strong> ácido úrico que es un <strong>de</strong>rivado <strong>de</strong> las purinas.<br />
Ácido úrico:<br />
Aspartato<br />
Formiato<br />
N 1<br />
Construcción <strong>de</strong>l núcleo púrico:<br />
NH 2 <strong>de</strong> la glutamina<br />
P<br />
P<br />
C 2<br />
aminotransferasa<br />
PP ácido glutámico<br />
O<br />
CH 2<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
O<br />
H<br />
CO 2<br />
C 6<br />
N 3<br />
C<br />
5<br />
C 4<br />
7<br />
N<br />
N 9<br />
amida <strong>de</strong> la glutamina<br />
OH<br />
OH<br />
H<br />
fosforibosilpirofosfato (FRPP)<br />
N 9<br />
C 8<br />
NH 2<br />
R P<br />
fosforibosilamina<br />
Glicina<br />
Formiato<br />
glicina<br />
ATP<br />
ADP + P<br />
87
C 4 y C 5 N 7<br />
CH<br />
C<br />
O<br />
NH 2<br />
NH<br />
R P<br />
"CHO"<br />
CoF<br />
CH 2<br />
C<br />
O<br />
C 8<br />
NH<br />
NH<br />
R P<br />
CHO<br />
glicinamida ribótido formil - glicinamida ribótido<br />
NH<br />
CH<br />
NH 2<br />
O<br />
C<br />
N<br />
CH<br />
C<br />
N 3<br />
N<br />
N<br />
C 2<br />
CH<br />
R P<br />
N<br />
N<br />
CH<br />
R P<br />
Inosina 5' - fosfato<br />
Acido Inosínico IMP<br />
N 1<br />
C<br />
CO2 CH<br />
Acido aspártico<br />
NH 2<br />
O<br />
NH 2<br />
C 6<br />
N<br />
N<br />
CH<br />
R P<br />
glutamina<br />
ácido glutamínico<br />
"CHO"<br />
5 aminoimidazol ribótido 5 aminoimidazol 4 carboxamida ribótido<br />
CoF<br />
88
Vías <strong>de</strong>l ácido inosínico hacia los ácidos a<strong>de</strong>nílico y guanílico<br />
H<br />
H<br />
O<br />
NH 2<br />
O<br />
H<br />
N N<br />
N<br />
H<br />
O<br />
N<br />
NAD<br />
[O]<br />
N<br />
R P<br />
N N<br />
N<br />
GMP (H + guanílico)<br />
NADH 2<br />
glutamina H + glutámico H+ Xántico<br />
ATP AMP + PP<br />
R P<br />
O<br />
N N<br />
N<br />
N<br />
R P<br />
GTP<br />
H<br />
IMP (H + inosínico)<br />
H<br />
HOOC C COOH<br />
H<br />
CH 2<br />
aspartato<br />
NH<br />
N N<br />
N<br />
GDP + P i<br />
NH 2<br />
N<br />
N<br />
R P<br />
fumarato<br />
N N<br />
N<br />
R P<br />
AMP (H + a<strong>de</strong>nílico)<br />
aspartato<br />
AMP<br />
89
Vías <strong>de</strong> la biosíntesis <strong>de</strong> nucleótidos purínicos:<br />
Ribosa 5 P<br />
Ribosa 1 P<br />
ATP AMP<br />
base púrica<br />
P i<br />
5 P Ribosil PP<br />
Nucleósido<br />
Biosíntesis <strong>de</strong> GDP, GTP y ADP, ATP:<br />
ATP AMP<br />
base púrica<br />
GMP + ATP GDP + ADP<br />
GDP + ATP GTP + ADP<br />
AMP + GTP ADP + GDP<br />
ADP + GTP ATP + GDP<br />
Regulación <strong>de</strong> la síntesis <strong>de</strong> Nucleótidos Purínicos:<br />
E<br />
PRPP 5 fosforibosilamina H + inosínico<br />
P i<br />
Nucleótido<br />
Nucleótido<br />
AMP ADP ATP<br />
GMP GDP GTP<br />
En este caso el exceso <strong>de</strong> ATP, ADP o AMP o <strong>de</strong> GTP, GDP o GMP producen una<br />
inhibición a nivel <strong>de</strong> la enzima que cataliza la reacción entre el fosforibosilpirofosfato<br />
y la 5 fosforibosilamina, por lo tanto se frena la secuencia metabólica y se inhibe la<br />
biosíntesis. Es un caso <strong>de</strong> retroalimentación negativa.<br />
Biosíntesis <strong>de</strong> Nucleótidos <strong>de</strong> Pirimidina<br />
Es una ruta similar a la <strong>de</strong> los nucleótidos purínicos, pues las bases libres no son<br />
productos intermedios.<br />
Esta ruta es más simple y se diferencia en que la D-Ribosa se acopla <strong>de</strong>spués que<br />
se ha formado el anillo pirimidínico. El precursor es el ácido Orótico.<br />
O<br />
C<br />
H N C H<br />
O<br />
C<br />
N<br />
C<br />
ácido orótico<br />
COOH<br />
90
Acido Aspártico<br />
Acido Dihidrótico<br />
CO 2<br />
OMP<br />
<strong>de</strong>scarboxilasa<br />
carbamil PO4<br />
PO4<br />
NAD<br />
NADH 2<br />
Acido Uridílico<br />
Biosíntesis <strong>de</strong> CTP (citidin trifosfato)<br />
H<br />
O<br />
N<br />
C<br />
O<br />
C<br />
N<br />
C<br />
C<br />
Acido Carbamil Aspártico<br />
Acido Orótico<br />
UMP (uridin monofosfato)<br />
PRPP PP<br />
UMP + ATP UDP + ADP<br />
UDP + ATP UTP + ADP<br />
H<br />
H<br />
R P P P<br />
+ NH 3<br />
ATP ADP + P i<br />
fosforibosil-tr<br />
ansferasa<br />
O<br />
N<br />
C<br />
O<br />
H 2<br />
Dihidrotasa<br />
NH 2<br />
C<br />
N<br />
Acido Orotidílico<br />
OMP<br />
C<br />
C<br />
H<br />
H<br />
R P P P<br />
triofosfato <strong>de</strong> uridina (UTP) triofosfato <strong>de</strong> citidina (CTP)<br />
En Escherichia Coli (bacteria) el que dona el grupo NH 2 es el NH 3 libre. En los<br />
mamíferos es el grupo amino <strong>de</strong> la glutamina.<br />
Regulación <strong>de</strong> la biosíntesis <strong>de</strong> nucleótidos <strong>de</strong> pirimidina<br />
Cuando hay un exceso <strong>de</strong> UTP y <strong>de</strong> CTP este exceso <strong>de</strong>termina la inhibición <strong>de</strong> la<br />
aspartato carbamil transferasa, enzima que inicia la ruta <strong>de</strong> biosíntesis, por lo tanto<br />
se produce el fenómeno <strong>de</strong> retroalimentación negativa o feed-back.<br />
91
Acido Aspártico<br />
Acido carbamil Aspártico<br />
aspartato carbamil transferasa<br />
UMP<br />
UTP<br />
CTP<br />
Biosíntesis <strong>de</strong> <strong>de</strong>soxi-TMP (timidín-monofosfato)<br />
H<br />
O<br />
N<br />
C<br />
O<br />
C<br />
N<br />
CH<br />
CH<br />
H<br />
H<br />
<strong>de</strong>soxi R P (dUMP)<br />
N5; N10.Metilen<br />
Tetrahidrofolato<br />
Reacciones fosfotransferásicas:<br />
FH 2<br />
Dihidrofolato<br />
ATP + d ADP ADP + d ATP<br />
ATP + d CDP ADP + d CTP<br />
ATP + d TDP ADP + d TTP<br />
ATP + d GDP ADP + d GTP<br />
H<br />
O<br />
N<br />
C<br />
O<br />
C<br />
N<br />
C<br />
C<br />
CH 3<br />
H<br />
<strong>de</strong>soxi R P (d-TUMP)<br />
Los precursores <strong>de</strong>l ADN (ácido <strong>de</strong>soxiribonucléico) son <strong>de</strong>soxi-ribonucleótidos. Los<br />
precursores <strong>de</strong>l ARN (ácido ribonucléico) son ribonucléotidos.<br />
92
TEMA XXIV: NATURALEZA, ESTRUCTURA Y REPLICACION DEL MATERIAL<br />
GENETICO<br />
Evi<strong>de</strong>ncias <strong>de</strong> que el ADN es el material genético. Estructura <strong>de</strong>l ADN: Ley <strong>de</strong><br />
Chargaff, estudios <strong>de</strong> difracción con rayos X. Mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> Watson y Crick. El dogma<br />
central <strong>de</strong> la Biología Molecular. Replicación <strong>de</strong>l ADN: replicación semiconservativa.<br />
La genética estudia la transmisión hereditaria y la variabilidad <strong>de</strong> los caracteres <strong>de</strong><br />
los organismos.<br />
En este capítulo veremos las bases bioquímicas <strong>de</strong> algunas cuestiones centrales,<br />
que plantea la continuidad genética y la evolución <strong>de</strong> los organismos vivos.<br />
¿Cuál es la naturaleza molecular <strong>de</strong>l material genético y <strong>de</strong> sus unida<strong>de</strong>s<br />
fundamentales, los cromosomas, los genes, los símbolos <strong>de</strong> código?<br />
¿Cómo se replica la información genética para pasar <strong>de</strong> una generación a otra?<br />
¿Cómo se transcribe la información en la célula?<br />
¿Cómo se traslada la información genética a la secuencia <strong>de</strong> aminoácidos <strong>de</strong> las<br />
moléculas proteicas?<br />
Los extraordinarios avances en el conocimiento <strong>de</strong> la base molecular <strong>de</strong> la genética<br />
han provocado una revolución intelectual en biología, que se consi<strong>de</strong>ra comparable<br />
a la que comenzó con la teoría <strong>de</strong> Darwin sobre el origen <strong>de</strong> las especies. Todos los<br />
campos <strong>de</strong> la biología han resultado profundamente influídas por tales avances, <strong>de</strong><br />
tal modo que en la actualidad no se pue<strong>de</strong> estudiar problema bioquímico alguno<br />
prescindiendo <strong>de</strong> su fondo genético. El conocimiento actual <strong>de</strong> la base molecular <strong>de</strong><br />
la genética <strong>de</strong>riva <strong>de</strong> los avances realizadas en tres campos científicos diferentes: la<br />
genética, la bioquímica y la física molecular.<br />
A. En el campo <strong>de</strong> la genética, ¿qué progresos hubieron?<br />
Al principio el único medio <strong>de</strong> llevar a cabo análisis genéticos consistía en realizar<br />
experiencias con apareamientos <strong>de</strong>bidamente orientados, es <strong>de</strong>cir ya teniendo un<br />
conocimiento <strong>de</strong> los resultados <strong>de</strong> la reproducción sexual. Experiencias <strong>de</strong> esta<br />
clase presenta gran<strong>de</strong>s limitaciones en cuanto al tiempo <strong>de</strong> generación que es<br />
relativamente gran<strong>de</strong> y el número <strong>de</strong> <strong>de</strong>scendientes que es relativamente<br />
pequeño.<br />
Supongamos por ejemplo, que se investigan fenómenos genéticos utilizando<br />
cobayos como animales <strong>de</strong> experimentación. Se eligen progenitores apropiados y<br />
se i<strong>de</strong>ntifican por anticipado los caracteres <strong>de</strong> la <strong>de</strong>scen<strong>de</strong>ncia. El período <strong>de</strong><br />
gestación es <strong>de</strong> 10 semanas y el número <strong>de</strong> <strong>de</strong>scendientes es <strong>de</strong> 2 a 4. Con este<br />
número <strong>de</strong> <strong>de</strong>scendientes se revela una pequeña parte <strong>de</strong> los rasgos potenciales<br />
capaces <strong>de</strong> ser transmitidos por los padres y para estudiar la reproducción <strong>de</strong> los<br />
<strong>de</strong>scendientes hay que esperar que los cobayos alcancen la madurez sexual.<br />
El <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> la genética microbiana ha aportado un gran avance. Los<br />
microorganismos y particularmente las bacterias se multiplican rápidamente<br />
(algunos a intervalos <strong>de</strong> 15').<br />
Otro progreso experimental que es el uso <strong>de</strong> rayos X y otros agentes<br />
mutagénicos, que incrementan la velocidad <strong>de</strong> mutaciones espontáneas.<br />
MUTACION: alteración <strong>de</strong> un gen que pue<strong>de</strong> ser espontánea o inducida (rayos X,<br />
radiación U.V., etc.<br />
93
Como las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la célula están controladas por genes los caracteres<br />
pue<strong>de</strong>n cambiar por mutación. De esta manera se pudo conocer la secuencia <strong>de</strong><br />
los genes en los cromosomas y saber que los genes poseen un gran número <strong>de</strong><br />
locus que pue<strong>de</strong>n experimentar mutación; y que químicamente están constituidos<br />
por ácido <strong>de</strong>soxiribonucléico.<br />
Pero el <strong>de</strong>sarrollo más importante en el campo <strong>de</strong> le genética fue:<br />
La enunciación <strong>de</strong> la hipótesis <strong>de</strong> "un gen - una enzima", por Beadle y<br />
Tatum que dice que los genes se expresan a través <strong>de</strong> proteínas, por lo<br />
tanto, las mutaciones darán origen a proteínas alteradas.<br />
El <strong>de</strong>scubrimiento <strong>de</strong> Avery y Col, que <strong>de</strong>mostraron que el ADN contiene<br />
la información genética.<br />
B. En el campo <strong>de</strong> la bioquímica, muchos avances experimentales importantes se<br />
hicieron posibles gracias a la mejora <strong>de</strong> métodos cromatográficos, que hicieron<br />
posible el análisis cuantitativo <strong>de</strong> la composición aminoácida y <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong><br />
las proteínas y mostraron que le secuencia varía según función <strong>de</strong> la proteína.<br />
También se llegó a establecer la composición y estructura covalente <strong>de</strong> los<br />
ácidos nucleicos.Uno <strong>de</strong> los <strong>de</strong>sarrollos más significativos consistió en el<br />
<strong>de</strong>scubrimiento <strong>de</strong> la equivalencia <strong>de</strong> ciertas bases <strong>de</strong>l ADN que se convirtió en<br />
un elemento importante para <strong>de</strong>ducir su estructura tridimensional.<br />
C. En el campo <strong>de</strong> la física molecular la aplicación <strong>de</strong> difracción <strong>de</strong> rayos X a la<br />
conformación <strong>de</strong> moléculas <strong>de</strong> proteínas fibrosas y globulares llevó al concepto<br />
<strong>de</strong> que cada tipo <strong>de</strong> molécula proteica posee una conformación específica, que<br />
<strong>de</strong>termina su función biológica. Pero el hecho fundamental fue la aplicación <strong>de</strong><br />
los rayos X al análisis <strong>de</strong> la estructura tridimensional <strong>de</strong>l ADN. En 1953 Watson y<br />
Crick postularon una estructura <strong>de</strong> doble hélice para el ADN que sugirió un<br />
mecanismo sencillo por medio <strong>de</strong>l cual la información genética pue<strong>de</strong> transferirse<br />
<strong>de</strong> la célula progenitora a la célula hija. La hipótesis <strong>de</strong> Watson y Crick fue pronto<br />
ampliada y extendida hasta llegar a lo que Crick <strong>de</strong>nominó el dogma central <strong>de</strong> la<br />
genética molecular, el cual establece que la información genética fluye <strong>de</strong>l ADN<br />
al ARN y <strong>de</strong> éste a las proteínas; relación frecuentemente simbolizada así:<br />
ADN ARN proteínas<br />
El dogma central <strong>de</strong>finió tres procesos principales <strong>de</strong> la preservación y<br />
transmisión <strong>de</strong> la información genética.<br />
1. Réplica, es <strong>de</strong>cir, la copia <strong>de</strong>l ADN con formación <strong>de</strong> moléculas hijas idénticas.<br />
2. Transcripción, por el cual el mensaje genético <strong>de</strong>l ADN es transcripto en<br />
forma <strong>de</strong> ARN para ser llevado a los ribosomas.<br />
3. Traducción, por la cual el mensaje genético es <strong>de</strong>scifrado y convertido en<br />
el alfabeto <strong>de</strong> 20 letras <strong>de</strong> la estructura proteica.<br />
Evi<strong>de</strong>ncias <strong>de</strong> que el ADN es el material genético<br />
Aunque el ADN se <strong>de</strong>scubrió en los núcleos celulares en 1.869, no se i<strong>de</strong>ntificó<br />
como portador directo <strong>de</strong> la información genética hasta 1.943.<br />
Avery y Col hallaron que una cepa no virulenta <strong>de</strong> la bacteria Pneumococcus pue<strong>de</strong><br />
transformarse <strong>de</strong> modo hereditario, en una cepa virulenta por simple adición <strong>de</strong> un<br />
94
ADN extraído <strong>de</strong> un neumococo virulento. Lo que suce<strong>de</strong> es que el ADN se<br />
incorpora covalentemente al ADN <strong>de</strong> la célula receptora don<strong>de</strong> se replica con la<br />
célula huésped.<br />
De especial significación son los experimentos <strong>de</strong> Hershey y Chase. Marcaron el<br />
ADN <strong>de</strong> las partículas vírales e incubaron con la célula huésped mientras que la<br />
proteína viral no.<br />
En 1955 Pauling mostró que en la anemia falciforme los glóbulos rojos se presentan<br />
en forma <strong>de</strong> hoz <strong>de</strong>bido a una alteración <strong>de</strong> la molécula <strong>de</strong> hemoglobina. Lo que<br />
ocurría es que en la hemoglobina normal su ca<strong>de</strong>na tiene un ácido glutámico en<br />
posición G, mientras que en la anemia falciforme tiene valina. Este hallazgo <strong>de</strong>ja en<br />
claro algo fundamental: una mutación puntual en el ADN pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar el cambio<br />
<strong>de</strong> un aminoácido <strong>de</strong> la secuencia polipeptídica <strong>de</strong> una proteína.<br />
ESTRUCTURA DEL ADN<br />
Se hicieron numerosos estudios tendientes a conocer la Estructura <strong>de</strong>l ADN. En<br />
1.938 Astbury observó que sometiendo al ADN al análisis <strong>de</strong> difracción <strong>de</strong> rayos X<br />
presentaba reflexiones que correspon<strong>de</strong>n a un espaciado regular <strong>de</strong> 3,4 Å a lo largo<br />
<strong>de</strong>l eje <strong>de</strong> la fibras. Si bien el significado <strong>de</strong> ésta observación no estaba bien clara,<br />
porque se sabía que el ADN utilizado era impuro.<br />
Sin embargo, más tar<strong>de</strong> Franklin y Wilkins obtuvieron datos más precisos operando<br />
con fibras <strong>de</strong> ADN altamente purificadas y encontraron dos periodicida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> 3,4 Å y<br />
<strong>de</strong> 34 Å. En el periodo 1.949 – 1.953 Chargaff y Col explicaron métodos<br />
cromatográficos cuantitativos para la <strong>de</strong>terminación analítica <strong>de</strong> las 4 bases <strong>de</strong>l<br />
ADN. De dichos estudios se obtuvieron las siguientes conclusiones:<br />
Las muestras <strong>de</strong> ADN aisladas <strong>de</strong> diferentes tejidos <strong>de</strong> una misma especie<br />
poseen igual composición <strong>de</strong> bases.<br />
La composición <strong>de</strong> bases <strong>de</strong>l ADN varía <strong>de</strong> una especie a otra.<br />
La composición <strong>de</strong> bases <strong>de</strong>l ADN <strong>de</strong> una <strong>de</strong>terminada especie no cambia con<br />
la edad, con el estado <strong>de</strong> nutrición, ni con los cambios ambientales.<br />
En todos los ADN examinados el número <strong>de</strong> restos <strong>de</strong> a<strong>de</strong>nina es igual al <strong>de</strong><br />
restos <strong>de</strong> timina (es <strong>de</strong>cir: A = T); el número <strong>de</strong> restos guanínicos es igual al <strong>de</strong><br />
los citosínicos (G = C ).<br />
La equivalencia <strong>de</strong> bases observadas en el ADN plantearon la posibilidad <strong>de</strong> que<br />
existe un nivel <strong>de</strong> organización estructural <strong>de</strong> las moléculas <strong>de</strong>l ADN que sea<br />
compatible con ciertas equivalencias <strong>de</strong> bases, pero incompatibles con otras.<br />
A<strong>de</strong>más ya se pensó en una conformación tridimensional para el ADN. De esta<br />
manera el escenario ya estaba dispuesto para proponer la conformación<br />
tridimensional <strong>de</strong>l ADN. Es <strong>de</strong>cir se contaba con tres elementos.<br />
1. Tamaño <strong>de</strong> las bases;<br />
2. Periodicida<strong>de</strong>s observadas;<br />
3. Equivalencia <strong>de</strong> ciertas bases.<br />
El interés en el problema se acrecentó ante la difícil interrogación <strong>de</strong> como podía<br />
replicarse el ADN con tanta fi<strong>de</strong>lidad.<br />
En 1.953 Watson y Crick postularon un mo<strong>de</strong>lo tridimensional preciso para la<br />
estructura <strong>de</strong>l ADN, basado en los datos <strong>de</strong> rayos X <strong>de</strong> Franklin y Wilkins y en las<br />
95
equivalencias <strong>de</strong> bases observadas por Chargaff. Este mo<strong>de</strong>lo no solo explicaba las<br />
propieda<strong>de</strong>s físicas y químicas <strong>de</strong>l ADN, sino que sugería un mecanismo por medio<br />
<strong>de</strong>l cual la información genética podía replicarse con exactitud. El mo<strong>de</strong>lo estructural<br />
<strong>de</strong>l ADN <strong>de</strong> Watson y Crick consiste en dos ca<strong>de</strong>nas polinucleotídicas <strong>de</strong>xtrohelicoidales,<br />
arrolladas a un mismo eje y constituyendo una doble hélice. Las bases<br />
púricas y pirimídicas <strong>de</strong> cada hebra se encuentran en el interior <strong>de</strong> la doble hélice.<br />
El aparejamiento <strong>de</strong> las bases apartadas por ambas hebras es tal que solamente<br />
ciertas bases encajan en el interior <strong>de</strong> la estructura <strong>de</strong> manera que puedan unirse<br />
unas a otras por puentes hidrógeno. Las bases son:<br />
A - T y G - C<br />
Que son las parejas que muestran exacta equivalencia:<br />
núcleo <strong>de</strong><br />
A y G<br />
N<br />
N<br />
N<br />
núcleo <strong>de</strong><br />
T y C<br />
Si el par sería A - G serían <strong>de</strong>masiado gran<strong>de</strong>s para po<strong>de</strong>r encajar <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la<br />
doble hélice <strong>de</strong> estas dimensiones.<br />
Si la pareja fuera G - T las bases se encontrarían muy distanciadas para po<strong>de</strong>r<br />
formar enlaces hidrógeno estables.<br />
A T<br />
A T<br />
G C<br />
A T<br />
T A<br />
C G<br />
A T<br />
G C<br />
A<strong>de</strong>más los enlaces hidrógeno entre A – G y C – T son más débiles que A – T y G –<br />
C, o sea que la doble hélice implica aquellas parejas que poseen el máximo <strong>de</strong><br />
estabilidad. ¿Por qué las dos periodicida<strong>de</strong>s observadas con los rayos X?. Se<br />
postuló que la periodicidad <strong>de</strong> 3,4 Å se <strong>de</strong>be a que las bases están apretadamente<br />
apiladas al eje y mantienen una distancia <strong>de</strong> 3,4 Å <strong>de</strong> centro a centro. En cada<br />
espira <strong>de</strong> la hélice hay 10 nucleótidos y <strong>de</strong> una espira a otra hay 34 Å.<br />
Las bases hidrófobas están en el interior <strong>de</strong> la hélice, los restos carbohidratos y los<br />
fosfatos que poseen carga eléctrica están expuestas al H2 O . Así resulta que la doble<br />
hélice está estabilizada no sólo por los puentes hidrógeno entre les bases<br />
complementarias sino también por interacciones hidrofóbicas entre dichas bases<br />
apiladas. Las dos ca<strong>de</strong>nas polinucleótidas <strong>de</strong> la doble hélice no son idénticas ni en la<br />
composición ni en la secuencia <strong>de</strong> bases. Ambas ca<strong>de</strong>nas son complementarias una<br />
<strong>de</strong> la otra. Esta estructura conduce a un mecanismo por medio <strong>de</strong>l cual la<br />
información genética pue<strong>de</strong> replicarse con precisión. Dado que las dos hebras son<br />
complementarias una <strong>de</strong> la otra, y contienen información genética complementaria,<br />
se postuló que durante la división celular la réplica <strong>de</strong>l ADN podría ocurrir por<br />
separación <strong>de</strong> las dos hebras, con lo que cada una haría <strong>de</strong> patrón especificador <strong>de</strong><br />
la secuencia <strong>de</strong> bases <strong>de</strong> una nueva hebra complementaria sintetizada. EI resultado<br />
96<br />
N<br />
N
final <strong>de</strong> este proceso consistiría en la formación <strong>de</strong> dos moléculas hijas <strong>de</strong> un ADN<br />
<strong>de</strong> doble hélice, cada una <strong>de</strong> las cuales contendría una <strong>de</strong> las hebras <strong>de</strong>l progenitor.<br />
REPLICACION DEL ADN<br />
De acuerdo al dogma central <strong>de</strong> la genética molecular, quedó establecido que:<br />
ADN ARN proteínas<br />
O sea que éste dogma <strong>de</strong>finió tres procesos fundamentales <strong>de</strong> los cuales el primero<br />
es el <strong>de</strong> REPLICA, es <strong>de</strong>cir la "copia" <strong>de</strong>l ADN con formación <strong>de</strong> moléculas hijas.<br />
Veremos como suce<strong>de</strong> éste proceso a nivel molecular. La característica más<br />
sorpren<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> la hipótesis <strong>de</strong> Watson y Crick, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el punto <strong>de</strong> vista genético, en<br />
su postulado <strong>de</strong> que las dos hebras <strong>de</strong>l ADN duplohelicoidales son complementarias.<br />
La réplica <strong>de</strong> cada una <strong>de</strong> ellas conduce a dos moléculas hijas <strong>de</strong> ADN; cada una<br />
contiene una hebra <strong>de</strong>l ADN progenitor. Este proceso se <strong>de</strong>nomina réplica<br />
semiconservadora.<br />
Pero ¿Cómo pue<strong>de</strong>n replicarse simultáneamente las dos hebras <strong>de</strong>l ADN <strong>de</strong> modo<br />
que se formen al mismo tiempo.<br />
Éste mecanismo requiere tres enzimas:<br />
ADN – polimerasa<br />
ADN - polimerasa <strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong>l ADN<br />
ADN - ligasa<br />
Endo<strong>de</strong>soxiribonucleasa<br />
Cataliza la síntesis <strong>de</strong> enlaces internucleótidos. Posee los siguientes requerimientos:<br />
1). Presencia da ADN preformado<br />
2). Presencia <strong>de</strong> los cuatro <strong>de</strong>soxiribonucleótidos trifosforados, los mono y<br />
difosforados son inactivos.<br />
3). Mg++<br />
¿Qué papel <strong>de</strong>sempeña el ADN preformado? Se han propuesto dos alternativas:<br />
1. Que actúa como cebador, es <strong>de</strong>cir, que al proporcionar un extremo o puntos<br />
<strong>de</strong> crecimiento, se pue<strong>de</strong>n adicionar nuevos mononucleótidos.<br />
97
OH<br />
HO P H2C O<br />
H H<br />
O<br />
O<br />
H<br />
H<br />
HO P O<br />
OH 2 C<br />
O<br />
H H<br />
H 2 C<br />
H H<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
O<br />
Base<br />
O<br />
P<br />
H<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
hebra patrón hebra cebadora<br />
2. O bien podría ser utilizado como patrón sobre el cual la enzima podría<br />
construir una hebra complementaria al ADN preformado.<br />
nd ATP<br />
nd GTP<br />
nd CTP<br />
nd TTP<br />
H OH<br />
Base<br />
Base<br />
O<br />
O P<br />
ADN preformado<br />
Teniendo en cuenta estos requerimientos la reacción global sería así.<br />
Mecanismo <strong>de</strong> acción <strong>de</strong> la ADN – Polimerasa<br />
Si partimos <strong>de</strong> una hebra cebadora <strong>de</strong> ADN o sea <strong>de</strong> un ADN preformado:<br />
OH<br />
Mg ++<br />
PP i<br />
O<br />
P<br />
P<br />
OH<br />
ADN<br />
|<br />
d AMP<br />
|<br />
d GMP<br />
|<br />
d CMP<br />
|<br />
d TMP<br />
OH<br />
+ 4 PP i<br />
H H<br />
O<br />
O<br />
H<br />
H<br />
O P OH<br />
OH 2 C<br />
H H<br />
OH<br />
O<br />
Base<br />
H<br />
H<br />
Base<br />
+ PP i<br />
98
Hay un ataque al átomo <strong>de</strong> fósforo alfa <strong>de</strong>l nucleótido trifosforado entrante y provoca<br />
el <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> su grupo pirofosfato, con formación <strong>de</strong> enlace internucleótido.<br />
El PP i formado es rápidamente hidrolizado por una pirofosfatasa por lo cual la<br />
reacción es muy exergónica. La dirección <strong>de</strong> la síntesis es por lo tanto 5’ --- 3'.<br />
ADN ligasa<br />
1. Enlaza extremos <strong>de</strong> moléculas <strong>de</strong> ADN produciendo formas circulares. Ej.:<br />
bacterias.<br />
2. Cataliza la reparación <strong>de</strong> roturas <strong>de</strong> una ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> ADN.<br />
Requerimientos <strong>de</strong> la ADN ligasa<br />
1. Presencia <strong>de</strong> NAD que actúa como fuente <strong>de</strong> grupos a<strong>de</strong>nilo.<br />
2. Una hebra intacta <strong>de</strong> ADN.<br />
Mecanismo <strong>de</strong> acción <strong>de</strong> la ADN ligasa<br />
5'<br />
3'<br />
Base CH2 O P<br />
H<br />
H<br />
Base<br />
O<br />
OH<br />
O<br />
OH<br />
OH NAD<br />
NMN<br />
AMP<br />
Dinucleótido<br />
constituído<br />
NMN y AMP<br />
1. Enzima + NAD --------------- En - AMP + NMN.<br />
Se forma un complejo entre En y AMP y se forma NMN como producto<br />
secundario.<br />
2. El grupo a<strong>de</strong>nilo es transferido por la Enzima al extremo 5’ fosfato.<br />
3. El extremo 3' OH <strong>de</strong>splaza al grupo a<strong>de</strong>nilo y forma el enlace fosfodiéster.<br />
99
O<br />
Base O CH2 O P<br />
Base<br />
O<br />
OH<br />
Mecanismo <strong>de</strong> replicación<br />
OH<br />
O<br />
O P<br />
OH<br />
H 2 C<br />
A<strong>de</strong>nina<br />
Base<br />
O<br />
OH<br />
CH 2<br />
O<br />
HO P<br />
Antes <strong>de</strong> hablar <strong>de</strong> la replicación es importante acotar que la ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> ADN<br />
recién sintetizada se prolonga en dirección opuesta a la ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> ADN patrón, es<br />
<strong>de</strong>cir, tiene una polaridad opuesta o antiparalela.<br />
cebadora<br />
Kornberg: postuló que la réplica comienza con la producción <strong>de</strong> una mella o una<br />
rotura en una hebra por acción <strong>de</strong> una endonucleasa. Unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> MN adicionadas<br />
por la ADN polimerasa:<br />
5'<br />
3'<br />
P<br />
P<br />
P<br />
5'<br />
3'<br />
3'<br />
TA<br />
T<br />
ó<br />
Base<br />
5'<br />
3' 3'<br />
La ADN polimerasa se fija a dicha rotura y comienza a prolongar el extremo 3'<br />
unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> mononucléotidos.<br />
El extremo 5' se <strong>de</strong>splaza <strong>de</strong> la estructura duplex. Se sugiere que el extremo 5'<br />
T<br />
AT<br />
3'<br />
3'<br />
5'<br />
P<br />
P<br />
O<br />
3'<br />
O<br />
5'<br />
O<br />
5'<br />
3'<br />
5'<br />
100
pue<strong>de</strong> estar sujeto por adherencia a la membrana celular. La réplica continua<br />
durante cierto trecho mientras que el extremo 5' se va "pelando". La ADN polimerasa<br />
se <strong>de</strong>splaza <strong>de</strong> lugar, o salta, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la hebra patrón intacta a la hebra mellada en el<br />
sitio don<strong>de</strong> se separan ambas hebras y comienza a adicionar unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong><br />
mononucleótidos utilizando como patrón la fibra mellada. La replicación continúa<br />
hasta que el extremo se ha replicado por completo y entonces la enzima se retira.<br />
La endonucleasa rompe en la horquilla la hebra formada y el proceso vuelve a<br />
repetirse con la ADN polimerasa, que adiciona nuevas unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> mononucleótidos.<br />
Los dos nuevos segmentos formados sobre la hebra patrón son unidos por<br />
la ADN ligasa y comienza un nuevo ciclo.<br />
3' 5' 3' 5' 3'<br />
5'<br />
endonucleasa ADN polimerasa ADN ligasa<br />
101
TEMA XXV: LA TRASCRIPCION DE LA INFORMACION GENÉTICA<br />
ARN mensajero: teoría y propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l mensajero. La polimerasa <strong>de</strong>l ARN<br />
<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong>l ADN. Mecanismo <strong>de</strong> acción: unión, iniciación, elongación y<br />
terminación <strong>de</strong> la trascripción. La réplica <strong>de</strong>l ARN.<br />
Evi<strong>de</strong>ncias <strong>de</strong> que el ARN transporta la información genética:<br />
El ARN m es un buen candidato para transportar la información por una serie <strong>de</strong><br />
evi<strong>de</strong>ncias:<br />
1. El ARN tiene una estructura semejante a las ca<strong>de</strong>nas <strong>de</strong>l ADN y sus bases<br />
nucleotídicas pue<strong>de</strong>n formar puentes hidrogeno con las bases <strong>de</strong>l ADN<br />
siguiendo las reglas <strong>de</strong> complementariedad <strong>de</strong> Watson y Crick.<br />
2. El ARN pue<strong>de</strong> contener y transmitir información genética; ésto lo <strong>de</strong>muestra el<br />
hecho <strong>de</strong> que algunos virus no contienen ADN y su ARN pue<strong>de</strong> actuar como<br />
agente infeccioso. Ej., el virus <strong>de</strong>l mosaico <strong>de</strong>l tabaco que causa infecciones<br />
virales en las hojas <strong>de</strong> las plantas.<br />
3. El ARN se sintetiza en el núcleo, pero los ribosomas que están en el<br />
citoplasma, don<strong>de</strong> se realiza la síntesis proteica, contienen más <strong>de</strong>l 70% <strong>de</strong>l<br />
ARN celular.<br />
PROPIEDADES DEL ARN MENSAJERO<br />
1. Recambio. En bacterias el ARN m tiene un activo metabolismo, se sintetiza y<br />
<strong>de</strong>grada rápidamente. Esta propiedad fue la clave <strong>de</strong> su aislamiento e<br />
i<strong>de</strong>ntificación. Sin embargo existen ARN muy estables Ej.: el ARN m <strong>de</strong> los<br />
reticulocitos.<br />
2. Relación entre la secuencia <strong>de</strong> bases <strong>de</strong>l ADN y el ARN celular. El ARN m<br />
se sintetiza sobre una matriz <strong>de</strong> ADN o sea que el ARN m es el portador <strong>de</strong> la<br />
información. La enzima que cataliza esta síntesis es la ARN polimerasa<br />
<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong>l ADN.<br />
Mecanismo <strong>de</strong> acción <strong>de</strong> la ARN polimerasa<br />
Para obtener esta enzima en forma pura, Richard Burgen realizaron una<br />
electroforesis en gel <strong>de</strong> poliacrilamida. Así se pudo <strong>de</strong>tectar 4 bandas por tinción <strong>de</strong><br />
los polipéptidos.<br />
Lo que interesaba saber era si los 4 polipéptidos intervenían en la actividad <strong>de</strong> la<br />
enzima. Para ello eliminaron uno <strong>de</strong> los polipéptidos que <strong>de</strong>nominaron factor<br />
(sigma).<br />
La eliminación <strong>de</strong> este factor cambió las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la enzima ya que perdió su<br />
capacidad <strong>de</strong> usar como matriz al ADN. La adición <strong>de</strong> factor restauraba la<br />
propiedad <strong>de</strong> la enzima <strong>de</strong> usar ADN como matriz.<br />
102
Mecanismo <strong>de</strong> acción <strong>de</strong> la ARN polimerasa<br />
A. Unión <strong>de</strong> la ARN polimerasa al ADN:<br />
unión reversible unión estable: reconoce al promotor<br />
las hebras <strong>de</strong>l ADN se separan<br />
La ARN polimerasa se une reversiblemente al ADN en varios sitios <strong>de</strong> éste. Sin<br />
embargo cuando esta unión se hace en una región específica que es el gen<br />
promotor el factor reconoce la secuencia nucleotídica y estabiliza el complejo<br />
ADN-ARN polimerasa.<br />
Esta estabilización permite que la enzima inicie la separación <strong>de</strong> las hebras <strong>de</strong> la<br />
doble hélice <strong>de</strong>l ADN permitiendo la iniciación <strong>de</strong> la trascripción.<br />
B. Iniciación <strong>de</strong> la trascripción<br />
A T C T G A G A C T<br />
T A<br />
P<br />
P<br />
G<br />
A<br />
P<br />
C T C<br />
G<br />
OH<br />
T<br />
G A<br />
A T C T G A G A C T<br />
T A<br />
G<br />
A<br />
C T C<br />
G<br />
3'<br />
P P P OH<br />
5'<br />
A<br />
P<br />
P<br />
P<br />
OH<br />
T<br />
G A<br />
103
Se forma el primer enlace<br />
internucleótido<br />
A T C T G A G A C T<br />
T A<br />
G<br />
A<br />
C T C<br />
G<br />
A<br />
P P P P OH<br />
5'<br />
T<br />
G A<br />
+ P P<br />
Una vez unida la enzima a un promotor en el ADN, se inicia la transcripción por<br />
unión <strong>de</strong> dos nucleótidos trifosforados a la enzima. En general todos los ARN<br />
comienzan a sintetizarse por ATP y GTP. Al tomar posición los dos primeros<br />
sustratos, el OH 3' <strong>de</strong>l nucleótido trifosforado iniciador ataca el enlace fosfodiéster<br />
entre los fosfatos alfa y beta <strong>de</strong>l segundo nucleótido y se forma el primer enlace<br />
internucléotido.<br />
Elongación <strong>de</strong> las ca<strong>de</strong>nas nucleotídicas:<br />
A T C T G A G A C T<br />
T A<br />
G<br />
A<br />
C T C<br />
G<br />
P P P P P P OH<br />
A<br />
T<br />
G A<br />
G A<br />
La enzima se <strong>de</strong>splaza<br />
por la hebra <strong>de</strong>l ADN<br />
104
Cuando el producto <strong>de</strong> la elongación llega a un tamaño crítico el factor se libera.<br />
Las ca<strong>de</strong>nas nucleotídicas crecen por adición secuencial <strong>de</strong> ribonucleótidos al<br />
extremo 3' <strong>de</strong>l dinucleótido iniciador.<br />
La entrada <strong>de</strong> los diferentes sustratos <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la complementariedad con las<br />
bases <strong>de</strong> la hebra <strong>de</strong>l ADN que sirve <strong>de</strong> matriz.<br />
Terminación <strong>de</strong> la transcripción:<br />
1.<br />
2.<br />
Ro<br />
Ocurre por medio <strong>de</strong> dos mecanismos:<br />
secuencia terminadora<br />
reconocida por la enzima<br />
factor <strong>de</strong> terminación<br />
ADN<br />
ARN enzima<br />
Terminación codificada por una secuencia <strong>de</strong> ADN que es reconocido por la<br />
enzima.<br />
Por medio <strong>de</strong> un factor proteico adicional el cual tiene la propiedad <strong>de</strong> causar<br />
la terminación <strong>de</strong> la trascripción en sitios don<strong>de</strong> no funciona el primer<br />
mecanismo.<br />
Conclusión: la célula resuelve el "problema geográfico" transcribiendo la<br />
información genética contenida en el ADN <strong>de</strong>l núcleo en un ARN que actúa como<br />
mensajero, pues lleva la información a los ribosomas citoplasmáticos don<strong>de</strong> se<br />
realiza la síntesis proteica.<br />
105
TEMA XXVI: EL CODIGO GENETICO<br />
El codón: unidad <strong>de</strong> información, primeras i<strong>de</strong>as sobre la clave genética. Universalidad<br />
<strong>de</strong> la clave genética.<br />
Vamos a consi<strong>de</strong>rar dos cuestiones:<br />
1. ¿Cómo se traslada el lenguaje <strong>de</strong> cuatro letras <strong>de</strong> los ácidos nucleicos al <strong>de</strong><br />
veinte letras <strong>de</strong> las proteínas?<br />
2. ¿Cuál es la correspon<strong>de</strong>ncia entre la secuencia nucleotídica y la secuencia <strong>de</strong><br />
aminoácidos?<br />
Mediante consi<strong>de</strong>raciones matemáticas, parecía probable que cada aminoácido<br />
fuera codificado por un número pequeño <strong>de</strong> nucleótidos consecutivos <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na<br />
ADN. Puesto que el ADN contiene sólo cuatro bases y las proteínas contienen veinte<br />
aminoácidos, es obvio que se requiere más <strong>de</strong> un nucleótido para codificar cada<br />
aminoácido. Si se disponen los nucleótidos en grupos <strong>de</strong> dos, rin<strong>de</strong>n 4 16<br />
2<br />
combinaciones. Las 4 bases en combinaciones <strong>de</strong> 3, pue<strong>de</strong>n codificar 4 64<br />
3<br />
aminoácidos distintos. O sea que un código <strong>de</strong> tripletes es utilizado para codificar<br />
aminoácidos.<br />
Composición <strong>de</strong> los Tripletes<br />
Los experimentos que se realizaron para conocer la composición <strong>de</strong> los<br />
tripletes fueron utilizando polirribonucleótidos sintéticos como mensajeros <strong>de</strong><br />
ribosomas aislados <strong>de</strong> E. Coli. Incubaron ácido uridílico (poli - U) en una serie <strong>de</strong><br />
tubos que contenían ribosomas <strong>de</strong> E. Coli privados <strong>de</strong> mensajero, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> todo lo<br />
necesario para la síntesis proteica, incluyendo todos los aminoácidos. Este estudio<br />
<strong>de</strong>mostró que la ca<strong>de</strong>na polipeptídica recién formada contenía solamente<br />
fenilalanina. En consecuencia, sugirieron que el vocablo <strong>de</strong>l código para la<br />
fenilalanina era el triplete UUU.<br />
Por experimentos similares hallaron que el poli C codifica prolina, el poli A<br />
lisina, etc. Posteriormente prepararon polímeros <strong>de</strong> nucleótidos variando la relación<br />
cuantitativa <strong>de</strong> los distintos mononucleótidos que permitió i<strong>de</strong>ntificar la composición<br />
<strong>de</strong> 50 vocablos <strong>de</strong>l código para los distintos aminoácidos. Estos experimentos no<br />
sólo permitieron establecer como se "<strong>de</strong>letrea" el vocablo <strong>de</strong>l código <strong>de</strong> cada<br />
aminoácido, sino que permitieron comprobar que algunos aminoácidos eran<br />
codificados por más <strong>de</strong> un triplete.<br />
Por ejemplo:<br />
fenilalanina es cofificada por<br />
serina es cofificada por<br />
UUU UUC<br />
UCU UCC UCA UCG<br />
El triplete <strong>de</strong> bases nucleotídicas que se encuentran en el m<br />
ARN y que codifica un<br />
aminoácido <strong>de</strong> <strong>de</strong>nomina “codón”.<br />
106
Características generales <strong>de</strong>l código<br />
El código aminoácido es un código <strong>de</strong>generado, es <strong>de</strong>cir que hay más <strong>de</strong> un<br />
vocablo <strong>de</strong> codificación para la mayoría <strong>de</strong> los aminoácidos.<br />
Otra característica <strong>de</strong>l código genético consiste en que no requiere señal<br />
indicadora <strong>de</strong>l final <strong>de</strong> un codón y comienzo <strong>de</strong>l siguiente.<br />
3 <strong>de</strong> los 64 tripletes no codifican ninguno <strong>de</strong> los aminoácidos y son: UAG -<br />
UAA - UGA. Estos tripletes constituyen una señal <strong>de</strong> terminación <strong>de</strong> las<br />
ca<strong>de</strong>nas polipeptídicas.<br />
Universalidad <strong>de</strong>l código<br />
Los vocablos <strong>de</strong>l código aminoácido son idénticos en el hombre, en virus y en<br />
bacterias, es <strong>de</strong>cir, es universal. A esta conclusión se llegó luego <strong>de</strong> una serie <strong>de</strong><br />
ensayos. Se comparó 50 aminoacil - ARN t diferentes proce<strong>de</strong>ntes <strong>de</strong> especies muy<br />
distantes, y observaron sus respectivas capacida<strong>de</strong>s para ser reconocidos por los<br />
codones aminoácidos previamente establecidos <strong>de</strong> E. Coli. Para ello se ensayó la<br />
capacidad <strong>de</strong> tales aminoacil - ARN t para unirse a ribosomas <strong>de</strong> E. Coli empleando<br />
sintéticos y se halló que en todos los casos los aminoacil - ARN t respondían<br />
perfectamente a los codones <strong>de</strong> E. Coli unidos a los ribosomas <strong>de</strong> este<br />
microorganismo. Consi<strong>de</strong>rando conjuntamente este hallazgo sugieren que el<br />
lenguaje genético es idéntico en todas las especies.<br />
107
TEMA XXV<strong>II</strong>: LA TRADUCCION DE LA INFORMACION GENETICA<br />
Necesidad <strong>de</strong> una molécula adaptadora: el ARN <strong>de</strong> transferencia. El anticodón.<br />
Función <strong>de</strong> los ribosomas. El mecanismo <strong>de</strong> traducción: iniciación, elongación,<br />
translocación y terminación.<br />
Vamos a consi<strong>de</strong>rar ahora la tercera gran cuestión que plantea la continuidad<br />
genética <strong>de</strong> los organismos vivos.<br />
¿Cómo se traslada la información genética contenida en la secuencia nucleótida <strong>de</strong>l<br />
ARN m , <strong>de</strong> tal suerte que los aminoácidos se engarcen formando una ca<strong>de</strong>na<br />
polipeptídica con una secuencia aminoácida específica?<br />
Trataremos los mecanismos enzimáticos por medio <strong>de</strong> los cuales se constituye la<br />
ca<strong>de</strong>na polipeptídica, es <strong>de</strong>cir, como se realiza la síntesis proteica. A<strong>de</strong>más veremos<br />
el funcionamiento <strong>de</strong> los ribosomas asegurando la a<strong>de</strong>cuada transferencia <strong>de</strong> la<br />
información <strong>de</strong>l ARN m , y el papel adaptador <strong>de</strong>l ARN t .<br />
Estructura ribosómica<br />
Los ribosomas sometidos a condiciones especiales se disocian en dos subunida<strong>de</strong>s<br />
50 S y 30 S cada uno <strong>de</strong> los cuales contiene ARN y varias proteínas.<br />
50 S<br />
30 S<br />
contiene dos componentes<br />
ARN y 30 proteinas diferentes<br />
contiene una molécula <strong>de</strong> ARN<br />
ribosomático y 20 proteínas diferentes<br />
Estructura <strong>de</strong>l ARN <strong>de</strong> transferencia ( ARN t)<br />
El ARN t , posee una conformación tridimensional similar a una hoja <strong>de</strong> trébol <strong>de</strong><br />
manera que presentan sus ca<strong>de</strong>nas el máximo <strong>de</strong> aparejamiento intracatenario.<br />
G<br />
A<br />
|<br />
C<br />
|<br />
C<br />
Locus <strong>de</strong> enlace aminoácido<br />
Anticodón (unión al ARN m )<br />
108
Todas las moléculas <strong>de</strong> ARN t tienen en un extremo la misma secuencia terminal<br />
C C A . El último resto, el ácido a<strong>de</strong>nílico, es el locus que se esterifica al resto<br />
aminoácido. A<strong>de</strong>más existe un triplete <strong>de</strong> bases que es distinto en todos los ARN t y<br />
representa el anticodón es <strong>de</strong>cir, el triplete nucleótido especifico complementario <strong>de</strong><br />
los tripletes <strong>de</strong>l codón <strong>de</strong>l ARN m .<br />
La molécula <strong>de</strong> ARN t contiene otro locus <strong>de</strong> unión para la enzima activadora. Una<br />
característica <strong>de</strong> la estructura es la presencia <strong>de</strong> bases secundarias a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> las<br />
normales A – U – G y C. La mayoría son formas metiladas <strong>de</strong> las bases principales.<br />
El ARN t es solamente un "adaptador" <strong>de</strong> manera que pue<strong>de</strong> ser adaptado al<br />
lenguaje <strong>de</strong> tripletes nucleótidos <strong>de</strong>l código genético.<br />
Estadíos <strong>de</strong> la síntesis proteica<br />
Primer estadio: activación<br />
Los 20 AA se eterifican al ARN t correspondiente. Las enzimas que participan<br />
son: aminoacil- ARN t -sintetasas que tienen:<br />
a. tres locus <strong>de</strong> unión:<br />
o para el AA<br />
o para el ARN t<br />
o para el ATP<br />
b. son específicos:<br />
o para cada AA<br />
o para el correspondiente<br />
La reacción tiene lugar en el citoplasma.<br />
Primera fase <strong>de</strong> activación<br />
ARN t<br />
Se forma un producto intermedio unido a la enzima:<br />
H<br />
R C C OH<br />
NH 2<br />
O<br />
Mg ++<br />
ATP + AA ácido amino acil a<strong>de</strong>nílico + PP i<br />
+<br />
H<br />
R C C O<br />
NH 2<br />
P O P O P O CH 2<br />
O<br />
O<br />
O<br />
OH<br />
P O CH 2<br />
OH<br />
O<br />
O A<strong>de</strong>nina<br />
+ PP i<br />
A<strong>de</strong>nina<br />
109
Segunda fase <strong>de</strong> activación<br />
Consiste en la transferencia <strong>de</strong>l grupo aminoacilo <strong>de</strong>l AMP al<br />
ácido-aminoacil.a<strong>de</strong>nílico + ARN t<br />
O sea que la reacción global sería<br />
ARN t :<br />
aminoacil - ARN t + ácido a<strong>de</strong>nílico<br />
AA + ARN t + ATP aminoacil - ARN t + AMP + PP i<br />
Tenemos entonces cada AA con su correspondiente<br />
Segundo estadío: ribosomal<br />
ARN t .<br />
En ribosomas. Los ribosomas tienen que captar al ARN m y al ARN t AA .<br />
Los ribosomas tienen dos locus <strong>de</strong> unión.<br />
30 S<br />
LP LA<br />
50 S<br />
1. El locus peptidílico: (LP) para el ARNm que tiene unido el AA iniciador <strong>de</strong><br />
la síntesis que es la metionina, la cual tiene su grupo amino bloqueado por<br />
un grupo formilo con el objeto <strong>de</strong>:<br />
a. que el grupo amino no forme enlace peptídico.<br />
b. que el locus peptidílico sólo acepte al ARN<br />
que tiene metionina.<br />
2. El locus aminoacílico: que permite la entrada secuencial <strong>de</strong> los<br />
AA .<br />
ARN t<br />
El ribosoma para que puedan unirse el ARN m y el ARN t AA <strong>de</strong>be disociarse en sus<br />
dos subunida<strong>de</strong>s. Participan en este proceso factores proteicos F 1 F2<br />
F3<br />
(llamados<br />
también disociasaribosomal) y GTP. Estos factores permiten la disociación <strong>de</strong> los<br />
ribosomas y a<strong>de</strong>más la unión <strong>de</strong>l ARN m en el lugar don<strong>de</strong> se inicia el mensaje.<br />
t<br />
110
30 S 30 S<br />
50 S<br />
Tercer Estadío: Elongación<br />
AA<br />
50 S<br />
La prolongación <strong>de</strong> una ca<strong>de</strong>na tiene efecto en tres fases principales:<br />
1.- Los ribosomas con su ARN m , tienen unido en el LP el ARN t AA iniciador <strong>de</strong><br />
la síntesis (metionina). En el estadío <strong>de</strong> elongación, al locus aminoácido se<br />
une por su anticodón el ARN t AA <strong>de</strong> acuerdo al triplete <strong>de</strong> bases <strong>de</strong>l<br />
codón. Este proceso requiere GTP y un factor T que es una proteína que<br />
cataliza este proceso <strong>de</strong> elongación.<br />
LP LA<br />
(metionina) AA AA<br />
2.- En la segunda fase se forma el enlace peptídico por reacción entre el grupo<br />
amino <strong>de</strong>l nuevo aminoacil - ARN t captado con el grupo carboxilo <strong>de</strong>l AA ya<br />
existente en el LP.<br />
30 S<br />
AA<br />
111
R<br />
R<br />
NH<br />
CH<br />
C<br />
O<br />
NH 2<br />
CH<br />
C<br />
O<br />
O<br />
O<br />
LP<br />
LA<br />
ARN m<br />
R<br />
O<br />
NH<br />
CH<br />
C<br />
NH<br />
R C H<br />
C O<br />
O<br />
HO LP <strong>de</strong>scargado<br />
Para la formación <strong>de</strong>l nuevo enlace peptídico es necesario una enzima<br />
<strong>de</strong>nominada peptidil-transferasa. El ARN t "<strong>de</strong>scargado" que ya no lleva su<br />
AA, continúa unido al LP. El peptidil ARN t recién alargado está unido al LA.<br />
3.- En la tercera fase <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> alargamiento el peptidil - ARN t se <strong>de</strong>splaza<br />
físicamente <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el LA al LP y <strong>de</strong>saloja <strong>de</strong> este último al sitio <strong>de</strong>l ARN t<br />
“<strong>de</strong>scargado”. Esta compleja reacción <strong>de</strong> translocación se cree que es<br />
resultado <strong>de</strong> un cambio <strong>de</strong> conformación en el ribosoma, que tiene lugar a<br />
costa <strong>de</strong> la hidrólisis <strong>de</strong>l GTP. Para esta fase se requiere una proteína<br />
especifica <strong>de</strong>nominada factor G. Simultáneamente con la translocación <strong>de</strong>l<br />
peptidil - ARN t tiene lugar la <strong>de</strong>l ARN m que <strong>de</strong>splaza un codón a lo largo <strong>de</strong>l<br />
ribosoma.<br />
O<br />
R<br />
CH<br />
NH<br />
C H<br />
C O<br />
O<br />
El proceso se repite, es <strong>de</strong>cir entrando AA<br />
ARN t al LA hasta que el m<br />
ARN<br />
codifica la terminación.<br />
LP<br />
LA<br />
LA<br />
112
Cuarto Estadío: Terminación <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na polipeptídica<br />
La terminación <strong>de</strong> una ca<strong>de</strong>na polipeptídica completa y su <strong>de</strong>spegue <strong>de</strong>l<br />
ribosoma está señalada en el ARN m por tres codones especiales <strong>de</strong> terminación. La<br />
liberación <strong>de</strong>l polipeptidil- ARN t <strong>de</strong>l ribosoma, es inducido por un factor <strong>de</strong> liberación<br />
protéico que está unido al ribosoma y provoca la hidrólisis <strong>de</strong>l enlace éster entre el<br />
polipéptido y el ARN t . El ribosoma 70 S se aparta <strong>de</strong>l ARN m y queda libre. Cuando<br />
experimenta disociación en sus subunida<strong>de</strong>s 50 S y 30 S pue<strong>de</strong> recomenzar un<br />
nuevo ciclo.-<br />
113
TEMA XXV<strong>II</strong>I: REGULACION DE LA SÍNTESIS PROTEICA<br />
Teoría <strong>de</strong> Jacob y Monod: Regulación transcripcional. Inducción. Represión.<br />
Las células vivas disponen <strong>de</strong> mecanismos que regulan la cantidad <strong>de</strong> proteínas que<br />
se sintetizan.<br />
Estos mecanismos <strong>de</strong> regulación fueron estudiados en células bacterianas y se<br />
observó que la cantidad <strong>de</strong> enzimas que se acumula en el medio <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la<br />
naturaleza <strong>de</strong> los nutrientes. En base a todos estos estudios se distinguió dos tipos<br />
<strong>de</strong> respuestas:<br />
INDUCCION<br />
De inducción enzimática<br />
De represión enzimática<br />
Si estamos en presencia <strong>de</strong> una inducción a la enzima que se induce a que se<br />
sintetice se <strong>de</strong>nomina enzima inducible. Esta enzima inducible se encuentra en<br />
pequeña cantidad en el medio, pero cuando se agrega un sustrato sobre el cual<br />
<strong>de</strong>be actuar su concentración aumenta para transformar a ese sustrato en un<br />
metabolito que pue<strong>de</strong> ser utilizado por la célula. Ej.: un tipo <strong>de</strong> E. coli usa como<br />
fuente <strong>de</strong> carbono a la glucosa. Si en el medio en lugar <strong>de</strong> colocar glucosa<br />
colocamos lactosa, la célula inmediatamente comienza a sintetizar β -galactosidasa<br />
que <strong>de</strong>sdobla la lactosa en galactosa y glucosa. Si volvemos a colocar glucosa, la<br />
enzima β -galactosidasa <strong>de</strong>ja <strong>de</strong> sintetizarse y alcanza un nivel bajo. La mayoría <strong>de</strong><br />
las enzimas inducibles catalizan las reacciones <strong>de</strong>l catabolismo. Estas enzimas<br />
inducibles son diferentes a las enzimas constitutivas que se forman a velocida<strong>de</strong>s<br />
constantes in<strong>de</strong>pendientemente <strong>de</strong> la presencia <strong>de</strong>l sustrato (por ej. las enzimas <strong>de</strong><br />
la glicólisis).<br />
REPRESIÓN ENZIMATICA<br />
La célula tiene enzimas requeridas para la síntesis <strong>de</strong> los 20 aminoácidos. Si<br />
agregamos al medio un aminoácido, por ej. histidina, la enzima que le sintetizaba es<br />
reprimida y <strong>de</strong>saparece <strong>de</strong> la célula. Todas las enzimas inducibles están codificadas<br />
por genes. En los genes hay locus que <strong>de</strong>terminan la formación <strong>de</strong> las enzimas. Un<br />
locus se <strong>de</strong>nomina gen estructural, que es el que <strong>de</strong>termina la secuencia <strong>de</strong><br />
aminoácidos <strong>de</strong> la enzima. El otro locus, llamado gen regulador, es interruptor, es<br />
<strong>de</strong>cir, que está <strong>de</strong>terminando si el gen estructural se transcribe o no. O sea que el<br />
gen estructural codifica una enzima que se sintetiza normalmente siempre que el<br />
gen regulador no reprima su síntesis.<br />
Regulador<br />
Estructural<br />
114
¿Cómo funciona el gen regulador tanto en la represión como en la inducción?<br />
Jacob y Monod formularon una hipótesis general respecto a la función <strong>de</strong> los genes<br />
estructural y regulador) en los 2 procesos.<br />
Inducción<br />
El gen regulador transcribe un ARN mensajero que codifica una proteína<br />
<strong>de</strong>nominada represor.<br />
regulador<br />
operador<br />
estructural<br />
ARN m<br />
represor<br />
Este represor tiene un locus <strong>de</strong> unión específico próximo al gen estructural. Este<br />
locus se <strong>de</strong>nomina operador.<br />
¿Qué suce<strong>de</strong> en una inducción, es <strong>de</strong>cir, cuando se agrega al medio un sustrato que<br />
<strong>de</strong>be <strong>de</strong>gradarse? El sustrato, que sería el inductor, se combina con el represor<br />
formando un complejo inductor-represor inactivo, que no pue<strong>de</strong> unirse al operador.<br />
represor<br />
inductor<br />
El gen estructural queda libre y comienza a transcribirse y por lo tanto se sintetiza la<br />
enzima. La unión represor-inductor es reversible, o sea que cuando se elimina el<br />
inductor la síntesis <strong>de</strong> la enzima que lo <strong>de</strong>grada es reprimida.<br />
Represión<br />
Si agregamos al medio un aminoácido por ej. histidina, la célula no necesita utilizar<br />
las enzimas que lo sintetizan.<br />
regulador<br />
operador<br />
estructural<br />
ARN m<br />
represor<br />
115
En este caso, la histidina se une al represor y forma un complejo represorcorrepresor<br />
que se combina al operador; el gen estructural no se transcribe y por lo<br />
tanto no se sintetiza histidina.<br />
Regulación coordinada<br />
También existe un mecanismo <strong>de</strong> regulación coordinada por el cual un grupo <strong>de</strong><br />
enzimas pue<strong>de</strong> ser reprimida o inducida por un sólo represor o por un sólo inductor.<br />
Por ejemplo, para sintetizar histidina se necesita un grupo <strong>de</strong> enzimas. Todas se<br />
encuentran codificadas en los genes ocupando locus vecinos.<br />
operador<br />
z x a b<br />
codifican las síntesis <strong>de</strong> histidina<br />
Este grupo <strong>de</strong> genes relacionados constituyen un operón; o sea que el operón se<br />
encuentra codificando todas las enzimas que participan en la biosíntesis <strong>de</strong> histidina.<br />
¿Cómo se reprime un operón completo actuando un represor?<br />
Cuando el represor se une al operador no se sintetiza ninguna <strong>de</strong> las enzimas <strong>de</strong>l<br />
operón. Si se elimina el represar se sintetizan todas las enzimas que codifica el<br />
operón.<br />
116
BIBLIOGRAFIA<br />
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