Bioquimica (2ed)

breve (segundos a minutos) vía fosforilación, sino que también afecta la síntesis proteínica, un proceso que puede requerir varias horas o más tiempo. La actividad señalizadora de Ras cesa por la acción de proteínas que fomentan la actividad de GTPasa de Ras, de modo que vuelva a su forma inactiva unida a GDP. Además, las fosfatasas revierten los efectos de las diversas cinasas. Como las otras vías de señalización que se han examinado, las vías de tirosincinasa receptora no son li- neales y son capaces de experimentar comunicación cruzada. Por ejemplo, algunas tirosincinasas receptoras activan de manera directa o indirecta (vía Ras) la cinasa que fosforila lípidos fosfatidilinositol, con lo que promueven la señalización por la vía de fosfoinosítido. Los defectos en estas vías de señalización pueden promover el crecimiento tumoral (recuadro 10-B). REPASO DE CONCEPTOS • Trace un diagrama simple para mostrar la vía de señalización por insulina, incluidas las tirosincinasas y las cinasas dependientes de Ras. • ¿Cómo se emplea la energía libre de los trifosfatos de nucleósido (ATP y GTP) para inducir respuestas celulares a señales extracelulares? • Explique el modo en que cinasas y factores de transcripción median respuestas celulares en diferentes escalas de tiempo. RECUADRO 10-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA Señalización celular y cáncer El avance de una célula a tráves del ciclo celular , desde la duplicación leucemia (un cáncer de los leucocitos) son inducidas por un del DNA a través de las fases de la mitosis, depende de la actividad reordenamiento cromosómico que genera una cinasa con actividad ordenada de vías de señalización. El cáncer, que es la proliferación señalizadora constitutiva, llamada Bcr-Abl. El fármaco imatinib descontrolada de células, puede resultar de diversos factores, como la inhibe de manera específica esta cinasa sin afectar ninguna de las activación excesiva de las vías de señalización que estimulan la otras cinasas de la célula. El resultado es un tratamiento anticance- proliferación celular. De hecho, la mayoría de los cánceres incluyen roso eficaz con pocos efectos secundarios. mutaciones en los genes para proteínas que participan en la señaliza- ción vía Ras y las vías de fosfoinosítido. Estos genes alterados se H H N denominan oncogenes (del griego onkos, “tumor”). NN N N Los oncogenes se descubrieron en determinados virus cancerí- N C CH3 genos. Se supone que los virus captaron el gen normal de una H3C O célula hospedera y luego mutaron. En algunos casos, un oncogén codifica un receptor de factor de crecimiento que ha perdido su N dominio de unión a ligando, pero retiene su dominio tirosincinasa. Como resultado, la cinasa es activa de manera constitutiva Imatinib (constante), y promueve el crecimiento y división celulares aun en ausencia del factor de crecimiento. Algunos oncogenes RAS El anticuerpo modificado por ingeniería genética llamado generan formas mutantes de Ras que hidrolizan GTP con extrema trastuzumab se une como antagonista a un receptor de factor de lentitud, lo que mantiene la vía de señalización en el estado crecimiento que se sobreexpresa en muchos cánceres mamarios. “encendido”. Debe hacerse notar que las mutaciones oncogénicas Otros fármacos basados en anticuerpos se dirigen contra receptores pueden fortalecer un proceso activador o debilitar un proceso similares en otros tipos de cánceres. Es claro que para el desarrollo inhibidor; en cualquier caso, el resultado es una excesiva actividad actual de tratamientos anticancerosos eficaces resulta esencial de señalización. comprender el funcionamiento de las vías de señalización de crecimiento, tanto normales como mutantes. La importancia de diversas cinasas en la inducción o manteni- miento del crecimiento tumoral ha hecho de esas enzimas blancos atractivos para los fármacos anticancerosos. Algunas formas de 10-3 Tirosincinasas receptoras | 271

10-4. Señalización por hormonas lipídicas CONCEPTOS CLAVE Algunas hormonas no necesitan unirse a receptores de la superficie celular, porque • Las hormonas lipídicas se unen son lípidos y pueden cruzar la membrana para interactuar con receptores intracelu- lares. Por ejemplo, el ácido retinoico y las hormonas tiroideas tiroxina (T4) y triyo- a receptores intracelulares que dotironina (T3) pertenecen a esta clase de hormonas (figura 10-12). El ácido regulan la expresión génica. retinoico (retinoato), un compuesto que regula el crecimiento y diferenciación celu- • Los eicosanoides son mediadores lares, en particular en el sistema inmunitario, se sintetiza a partir de retinol, un de- locales que actúan a través de rivado del β-caroteno (véase recuadro 8-A). Las hormonas tiroideas, que en general receptores acoplados a proteína G. estimulan el metabolismo, derivan de una proteína precursora grande llamada tiro- globulina: las cadenas laterales Tyr se yodan de manera enzimática, y luego dos de estos residuos experimentan condensación, y las hormonas se liberan de la tiroglo- bulina por proteólisis. El colesterol (de 27 carbonos), véase sección 8-1, es el precursor de gran número de hormonas que regulan el metabolismo, el equilibrio de sales y agua, y las funcio- nes reproductivas. Los andrógenos (en su mayoría hormonas masculinas) tienen 19 carbonos; y los estrógenos (principalmente hormonas femeninas) contienen 18 car- bonos. El cortisol, una hormona glucocorticoidea C21, afecta las actividades metabó- licas de una amplia variedad de tejidos. O OH HO CH3 OH CH3 O Cortisol H3C CH3 CH3 CH3 O El ácido retinoico, hormonas tiroideas y esteroides son todos moléculas OϪ hidrófobas llevadas en el torrente sanguíneo por proteínas portadoras específicas o por albúmina, una especie de proteína de unión multiusos. CH3 Los receptores a los cuales se unen las hormonas lipídicas se localizan Retinoato dentro de la célula blanco apropiada, ya sea en el citoplasma o núcleo. Con frecuencia, la unión a ligando hace que el receptor forme dímeros. IO Cada subunidad del receptor se construye a partir de varios módulos, que incluyen un dominio de unión a ligando y un dominio de unión a HO I OϪ DNA. Los dominios de unión a ligando son tan variados como sus li- IO NHϩ3 gandos hormonales, pero los dominios de unión a DNA exhiben una estructura en común que incluye dos dedos de cinc, que son enlaces I cruzados formados por la interacción de cuatro cadenas laterales de Cys con un ion Zn2+ (véase sección 4-3). En ausencia de un ligando, el re- Tiroxina (T4) ceptor no puede unirse a DNA. IO Después de la unión a ligando y dimerización, el receptor pasa al núcleo (si ya no está ahí) y se une a secuencias de DNA específicas lla- HO I OϪ madas elementos de respuesta a hormona. Aunque estos elementos O NH3ϩ varían para cada complejo receptor-ligando, todos están formados por dos secuencias idénticas de 6 pb separadas por unos pocos pares de ba- I ses. La unión simultánea de las dos secuencias de elementos de respues- ta a hormona explica por qué muchos receptores de hormonas lipídicas Triyodotironina (T3) son dímeros (figura 10-13). Figura 10-12. Algunas hormonas lipídicas. Los receptores funcionan como factores de transcripción, de modo que los genes cercanos a los elementos de respuesta a hormona pueden experimentar niveles mayores o menores de expresión. Por ejemplo, tan- to glucocorticoides como cortisol estimulan la producción de fosfatasas, 272 | CAPÍTUO 10 Señalización

que amortiguan los efectos estimulatorios de las cinasas. Esta propiedad hace del cortisol y sus derivados fármacos útiles para tratar afecciones como inflamación crónica o asma. Sin embar- go, dado que muchos tejidos reaccionan a los glucocorticoides, los efectos secundarios de estos medicamentos pueden ser signi- ficativos y tienden a limitar su uso a largo plazo. Los cambios en la expresión génica inducidos por esteroides y otras hormonas lipídicas requieren de muchas horas para actuar. Sin embargo, las respuestas celulares a algunas hormonas lipídi- cas son evidentes en segundos o minutos, lo cual sugiere que ta- les hormonas también participan en vías de señalización con temporalidad más breve, como las centradas en proteínas G, ci- nasas o ambas. Existen pruebas de que algunas hormonas lipídi- Figura 10-13. Complejo receptor de cas se unen a proteínas distintas de las que interactúan con elementos de respuesta a hormonas para modificar la expresión génica. No es claro si estos receptores son in- glucocorticoide-DNA. Los dos tracelulares o están en la superficie celular. dominios dedos de cinc de unión a DNA del receptor de glucocorticoide son azul y verde. Los iones Zn2+ se Los eicosanoides son señales de corto alcance muestran como esferas grises. Las secuencias de elementos de respuesta a Muchas de las hormonas consideradas en este capítulo se sintetizan y almacenan en al- hormona del DNA (abajo) se muestran guna medida antes de liberarse, pero algunas hormonas lipídicas se sintetizan en res- en rojo. Dos hélices proteínicas forman puesta a otros procesos de señalización (la esfingosina 1-fosfato es un ejemplo; sección contactos específicos de secuencia con 10-2). Las hormonas lipídicas llamadas eicosanoides se producen cuando la enzima nucleótidos. (Estructura [pdb 1GLU)] fosfolipasa A2 es activada por fosforilación y por la presencia de Ca2+. Un sustrato de la fosfolipasa es el lípido de membrana fosfatidilinositol. En este lípido, la escisión de la determinada por B.F. Luisi, W.X. Xu, Z. cadena acilo unida al segundo carbono del glicerol a menudo libera araquidonato, un Otwinowski, L.P. Freedman, K.R. Yamamoto y P.B. Sigler). ácido graso C20 (el término eicosanoide proviene del griego eicosi, “veinte”). El araquidonato, un ácido graso poliinsaturado con cuatro dobles enlaces, es modificado aún más por la acción de enzimas que catalizan reacciones de cicliza- ción y oxidación (figura 10-14). Puede producirse una amplia variedad de eicosanoides de una manera depen- COOϪ diente de tejido, y de modo similar sus funciones son variadas. Los eicosanoides regulan aspectos como pre- sión arterial, coagulación sanguínea, inflamación, dolor y fiebre. Por ejemplo, el eicosanoide tromboxano ayuda Araquidonato a activar plaquetas (fragmentos celulares que participan Ciclooxigenasa en la coagulación sanguínea) e induce vasoconstricción. Otros eicosanoides tienen los efectos opuestos: impiden O COOϪ la activación plaquetaria y promueven la vasodilatación. El uso de ácido acetilsalicílico como “adelgazante sanguí- neo” deriva de su capacidad de inhibir la enzima que ini- O cia la conversión de araquidonato en tromboxano (figura OH 10-14). Algunos fármacos interfieren en la producción de eicosanoides al bloquear el mismo paso enzimático Prostaglandina H2 (recuadro 10-C). Los receptores de eicosanoides son receptores acopla- OH COOϪ Otros lípidos con dos a proteína G que inducen respuestas dependientes de actividad biológica cAMP y dependientes de fosfoinosítido. Sin embargo, los eicosanoides se degradan con relativa rapidez. Esta inesta- bilidad, junto con su hidrofobicidad, significa que sus efectos son relativamente limitados en tiempo y espacio. HO O Los eicosanoides tienden a inducir respuestas sólo en las OH células que los producen y otras vecinas. En contraste, otras hormonas viajan por todo el cuerpo, induciendo Tromboxano efectos en cualquier tejido que exhiba los receptores apro- Figura 10-14. Conversión del araquidonato a moléculas señal piados. Por esta razón, a veces se llama a los eicosanoides eicosanoides. El primer paso es catalizado por ciclooxigenasa. Sólo mediadores locales en vez de hormonas. se muestran dos de las muchas docenas de eicosanoides. 10-4 Señalización por hormonas lipídicas | 273

REPASO DE CONCEPTOS • Explique el modo en que las hormonas lipídicas pueden evitar receptores acoplados a proteína G y tirosincinasas receptoras para modificar la expresión génica. • ¿Por qué se llama mediadores locales a los eicosanoides? • Haga una lista de los fármacos mencionados en este capítulo, e indique el modo en que interfieren en la señalización. RECUADRO 10-C UN VISTAZO MÁS DE CERCA Ácido acetilsalicílico y otros inhibidores de la ciclooxigenasa La corteza del sauce Salix alba se ha usado desde tiempos antiguos Una desventaja del ácido acetilsalicílico es que inhibe más que para aliviar dolor y fiebre. El principio activo es el acetilsalicilato una isozima COX. La COX-1 es una enzima expresada constituti- (ácido acetilsalicílico) vamente que es responsable de generar diversos eicosanoides, incluidos los que mantienen la capa de moco que protege el O estómago. La expresión de COX-2 aumenta en caso de lesión tisular o infección y genera eicosanoides que participan en la C OH inflamación. El uso de ácido acetilsalicílico a largo plazo suprime la actividad de ambas isozimas, lo que puede causar efectos secunda- O C CH3 rios como úlceras gástricas. O El diseño racional de fármacos (véase recuadro 7-A) basado en las estructuras ligeramente distintas de COX-1 y COX-2 condujo Ácido acetilsalicílico al desarrollo de los medicamentos celecoxib y rofecoxib. Estos compuestos se unen sólo al sitio activo de COX-2 (son demasiado El ácido acetilsalicílico fue producido por primera vez en 1853, grandes para caber en el sitio activo de COX-1) y por ello pueden pero no se usó en clínica sino hasta después de 50 años. La bloquear de manera selectiva la producción de eicosanoides promoción eficaz del ácido acetilsalicílico por la compañía química proinflamatorios sin dañar el tejido gástrico. Por desgracia, entre Bayer a principios del siglo XX marcó el inicio de la industria los efectos secundarios de estos fármacos se incluyen aumento del farmacéutica moderna. riesgo de ataques cardiacos a través de un mecanismo que no se comprende del todo, por lo cual el rofecoxib fue retirado del A pesar de su popularidad universal, el mecanismo de acción mercado y el uso de celecoxib es limitado. Entre otras cosas, esta del ácido acetilsalicílico no se descubrió sino hasta 1971. Inhibe la explicación ilustra la complejidad de las vías de señalización producción de prostaglandinas (las cuales inducen dolor y fiebre, biológicas y la dificultad de comprender el modo de manipularlas entre otras cosas) al inhibir la actividad de la ciclooxigenasa con fines terapéuticos. (COX), la enzima que actúa en el araquidonato (figura 10-14). La inhibición de COX resulta de la acetilación de un residuo Ser Una tercera isoenzima de COX, COX-3, se expresa en altas localizado cerca del sitio activo en una cavidad que recibe el concentraciones en el sistema nervioso central. Es el blanco del sustrato araquidonato. Otros analgésicos (agentes contra el dolor) fármaco ampliamente usado paracetamol, que reduce el dolor y la como el ibuprofeno fiebre y al parecer no tiene los efectos adversos de los inhibidores específicos de COX-2. H3C CH2 CH3 CH CH COOH O Ibuprofeno H3C HO NH C CH3 Paracetamol también se unen a COX para prevenir la síntesis de prostaglan- dinas, aunque este fármaco no acetila la enzima. 274 | CAPÍTUO 10 Señalización

RESUMEN • Los receptores acoplados a proteína G que causan la activa- ción de fosfolipasa C generan los segundos mensajeros tri- 10-1. Características generales de las vías fosfato de inositol y diacilglicerol, que activan proteincinasa de señalización B y C, respectivamente. • La unión de un agonista o antagonista a un receptor puede • Vías de señalización que se originan con diferentes recep- cuantificarse mediante una constante de disociación. tores acoplados a proteína G y tirosincinasas receptoras se superponen a través de activación o inhibición de los mis- • Los receptores acoplados a proteína G (RAPG) y tirosinci- mos componentes intracelulares, como cinasas, fosfatasas y nasas receptoras son los tipos más comunes de receptores. fosfolipasas. • Al tiempo que los sistemas de señalización amplifican se- 10-3. Tirosincinasas receptoras ñales extracelulares, también son reguladas de modo que la señalización puede desactivarse, y el receptor puede quedar • Las tirosincinasas receptoras son moléculas diméricas con desensibilizado. un solo sitio de unión a ligando. La unión a ligando acerca entre sí los monómeros de manera tal que los dominios ti- 10-2. Vías de señalización por proteína G rosincinasa citoplásmicos pueden fosforilarse entre sí. • Un ligando como la adrenalina se une a un RAPG. Una • Además de actuar como cinasas, las tirosincinasas recepto- proteína G reacciona al complejo receptor-ligando libe- ras inician otras cascadas de cinasa al activar la proteína G rando GDP, uniéndose a GTP y dividiéndose en una subu- monomérica pequeña Ras. nidad α y un dímero βγ. 10-4. Señalización por hormonas lipídicas • La subunidad α de la proteína G activa adenilato ciclasa, que convierte el ATP en cAMP. El cAMP es un segundo • Esteroides y otras hormonas lipídicas se unen principal- mensajero que induce un cambio conformacional en la mente a receptores intracelulares que se dimerizan y enla- proteincinasa A, que reposiciona su asa de activación para zan a elementos de respuesta a hormona en el DNA para alcanzar su actividad catalítica plena. inducir o reprimir la expresión de genes cercanos. • La actividad de señalización dependiente de cAMP es li- • Los eicosanoides, que se sintetizan a partir de lípidos de mitada por el decremento de la producción del segundo membrana, funcionan como señales a cortas distancias y mensajero a través de la actividad de GTPasa de las proteí- por tiempo limitado. nas G y la acción de fosfodiesterasas, y por la actividad de fosfatasas que revierten los efectos de la proteincinasa A. La disociación de ligando y desensibilización del receptor por fosforilación y unión de arrestina también limitan la señali- zación vía receptores acoplados a proteína G. GLOSARIO Agonista Eicosanoide RAPG Antagonista Elemento de respuesta a hormona Receptor Autofosforilación Factor de transcripción Segundo mensajero cAMP Fosfatasa Sistema de señalización por Cinasa Hormona Comunicación cruzada Ligando fosfoinosítido Desensibilización Oncogén Tirosincinasa receptora Detección de quorum Proteína G Transducción de señales PROBLEMAS OH O 10-1. Características generales de las vías de señalización CH3 O OH 1. ¿Cuál de las moléculas señal enumeradas en el cuadro 10-1 no CH3 requeriría un receptor de superficie celular? O 2. Se muestra la estructura del fármaco prednisona. ¿Qué tipo de molécula se trata y por cuál vía es probable que ejerza sus efectos? Problemas | 275 3. La definición de Kd se da en la ecuación 10-1, que muestra la rela- ción entre [R], la concentración de receptor libre; [L], la concentración de ligando; y [RL], la concentración de complejos receptor-ligando. El

valor de [R], como el de [RL], es difícil de evaluar, pero mediante diversas 10-2. Vías de señalización por proteína G técnicas experimentales puede determinarse [R]T, el número total de re- ceptores. [R]T es la suma de [R] y [RL]. Usando estos datos, y con base 13. Como se describió, los receptores acoplados a proteína G a en la ecuación 10-1 deduzca una expresión para el cociente [RL]/[R]T. menudo se palmitoilan en un residuo Cys. Trace la estructura del (Observe que la expresión que dedujo es similar a la ecuación de Michae- residuo palmitato (16:0) unido de manera covalente a la cadena la- lis-Menten, y que las ecuaciones 7-9 a 7-17 pueden darle una idea de teral de un residuo Cys. cómo proceder). 14. ¿En qué difieren adrenalina y noradrenalina de tirosina, su 4. Del cociente [RL]:[R]T se obtiene la fracción de receptores que aminoácido precursor? tienen ligando unido. Utilice la expresión que dedujo en el proble- ma 3 a fin de expresar [RL] como una fracción de [R]T para las si- 15. ¿Por qué los antagonistas conocidos como β-bloqueadores guientes situaciones: son eficaces para tratar la hipertensión arterial? (a) Kd = 5[L] 16. Una toxina secretada por la bacteria Vibrio cholerae cataliza la (b) Kd = [L] unión covalente de un grupo ADP-ribosa a la subunidad α de la (c) 5Kd = [L] proteína G. Esto da por resultado la inhibición de la actividad in- trínseca de GTPasa de la proteína G. ¿Cómo afecta esto la actividad 5. Si una célula tiene 1000 receptores de superficie para eritropo- de la adenilato ciclasa? ¿Cómo resultan afectados los niveles intrace- yetina, y si sólo es necesario que 10% de esos receptores se unan a lulares de cAMP? ligando para alcanzar la respuesta máxima, ¿qué concentración de ligando se requiere para la respuesta máxima? Utilice la ecuación que 17. Algunos receptores acoplados a proteína G se asocian a una se dedujo en el problema 3. La Kd para la eritropoyetina es de 1.0 ϫ proteína llamada RGS (regulador de la señalización por proteína G). 10–10 M. El RGS estimula la actividad de GTPasa de la proteína G asociada al receptor. ¿Qué efecto tiene el RGS sobre el proceso de señalización? 6. Suponga que el número de receptores de superficie en la célula descrita en el problema 5 disminuye a 150. ¿Qué concentración de 18. La adición del análogo no hidrolizable GTPγS a células cultiva- ligando se requiere para alcanzar una respuesta máxima? das es una práctica común en experimentos de transducción de señales. ¿Qué efecto tiene GTPγS en las concentraciones celulares de cAMP? 7. ¿Por qué podría ser difícil purificar receptores de superficie ce- lular usando las técnicas descritas en la sección 4-5? O N NH 8. A menudo se emplea cromatografía de afinidad como una téc- nica para purificar receptores de superficie celular. Describa los pasos OO O N N NH2 que daría para purificar un receptor de superficie celular mediante esta técnica. ϪO P S P O P O CH2 O 9. La adrenalina puede unirse a distintos tipos de receptores aco- OϪ OϪ OϪ HH plados a proteína G. Cada uno de estos receptores induce una res- puesta celular distinta. Explique cómo es posible eso. HH 10. En el hígado, tanto glucagon como adrenalina se unen a dife- GTP␥S OH OH rentes miembros de la familia de receptores acoplados a proteína G, aunque la unión a cada uno de esos ligandos genera la misma res- 19. a) Trace la reacción para la fosforilación catalizada por prote- puesta: degradación de glucógeno. ¿Cómo es posible que dos ligan- incinasa A de un residuo treonina en una proteína blanco. dos distintos puedan inducir la misma respuesta celular? b) Trace la reacción que muestra la hidrólisis catalizada por 11. Muchos receptores se desensibilizan en presencia de altas con- fosfatasa de la treonina fosforilada. centraciones de ligando señalizador. Esto puede ocurrir de diversas maneras. A veces los receptores se eliminan de la superficie celular 20. Algunos sistemas de señalización bacterianos implican cinasas por endocitosis; en otros casos el receptor puede fosforilarse. ¿Por que transfieren un grupo fosforilo a la cadena lateral de His. Trace la qué son eficaces estas estrategias de desensibilización? estructura de la cadena lateral de fosfo-His. 12. ¿Cuál es la ventaja de activar D usando la estrategia mostrada 21. Los ésteres de forbol, que son compuestos aislados de plantas, en la figura? ¿Por qué la estrategia mostrada es más eficaz que la son similares en estructura al diacilglicerol. ¿De qué manera la adición simple activación de D en un paso? de ésteres de forbol afecta las vías de señalización de células en cultivo? Ainactiva Aactiva 22. Como se describió, la unión de ligando a determinadas tiro- sincinasas receptoras da por resultado la activación de una enzima Binactiva Bactiva esfingomielinasa. Escriba la reacción que muestra la hidrólisis catali- zada por esfingomielinasa de la esfingomielina a ceramida. Cinactiva Cactiva 23. En linfocitos T no estimulados, un factor de transcripción lla- Dinactiva Dactiva mado factor nuclear de linfocitos T activados (FNTA) reside en el ci- tosol en forma fosforilada. Cuando la célula se estimula, la concentra- ción citosólica de Ca2+ aumenta y activa una fosfatasa llamada calcineurina. La calcineurina activada cataliza la hidrólisis del grupo fosfato del FNTA, lo que expone una señal de localización nuclear que permite al FNTA entrar en el núcleo y estimular la expresión de genes esenciales para la activación de linfocitos T. Describa los sucesos de señalización celular que dan por resultado la activación del FNTA. 276 | CAPÍTUO 10 Señalización

24. El fármaco inmunosupresor ciclosporina A es un inhibidor 32. El viagra, un medicamento utilizado para tratar la disfunción de la calcineurina (problema 23). ¿Por qué la ciclosporina A es un eréctil, es un inhibidor de la fosfodiesterasa cGMP. Proponga un inmunosupresor eficaz? mecanismo que explique por qué el medicamento es eficaz en el tratamiento de esta condición. 25. Las vías que llevan a la activación de proteincinasa B (Akt) se consideran antiapoptósicas (la apoptosis es la muerte celular progra- 10-3. Tirosincinasas receptoras mada). En otras palabras, la proteincinasa B estimula a una célula a crecer y proliferar. Como todos los procesos biológicos, las vías de 33. La acividad de Ras es regulada en parte por dos proteínas, un señalización que se activan también deben desactivarse. Una fosfata- factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) y una pro- sa llamada PTEN interviene en la eliminación de grupos fosfato de teína activadora de GTPasa (GAP). La proteína GEF se une a Ras · las proteínas, pero es altamente específica para eliminar un grupo GAP y promueve la disociación del GDP unido. La proteína GAP fosfato de trisfosfato de inositol. Si la PTEN se sobreexpresa en cé- se une a Ras · GTP y estimula la actividad de GTPasa intrínseca de lulas de mamífero, ¿estas células crecen o sufren apoptosis? Ras. ¿Cómo es afectada la actividad corriente abajo de una vía de señalización en presencia de GEF? ¿Y en presencia de GAP? 26. ¿Esperaría encontrar mutaciones en el gen para PTEN (proble- ma 25) en cánceres del humano? Explique por qué sí o por qué no. 34. Se han encontrado proteínas Ras mutantes asociadas con di- versos tipos de cáncer. ¿Cuál es el efecto en una célula si la Ras mu- 27. El óxido nítrico (NO) es una molécula de señalización de ori- tante es capaz de unirse a GTP, pero incapaz de hidrolizarlo? gen natural (cuadro 10-1) que se produce en la descomposición de arginina a NO y citrulina en las células endoteliales. La enzima que 35. La estimulación del receptor de insulina por unión a ligando y cataliza esta reacción, el NO sintasa, es estimulada por Ca2+ citosólico, autofosforilación con el tiempo activa tanto proteincinasa B (Akt) que aumenta cuando la acetilcolina se une a células endoteliales. como C. La proteincinasa B fosforila glucógeno sintasa cinasa 3 (GSC3) y la desactiva. (El GSC3 activado desactiva glucógeno sintasa a) ¿Cuál es la fuente del ligando acetilcolina? fosforilándola). El glucógeno sintasa cataliza la síntesis de glucógeno a b) Proponga un mecanismo que describa el modo en que la partir de glucosa. En presencia de insulina, el GSC3 se desactiva, de unión a acetilcolina causa la activación del NO sintasa. modo que el glucógeno sintasa no se fosforila y es activa. La protein- c) El NO formado en las células endoteliales se difunde con cinasa C estimula la transposición de transportadores de glucosa hacia rapidez a las células de músculo liso cercanas y se une a un recep- la membrana plasmática por un mecanismo que no se comprende en tor citosólico que cataliza la formación del segundo mensajero la actualidad. Una estrategia para tratar la diabetes es desarrollar fár- GMP cíclico. Escriba la reacción para la formación de cGMP, y macos que actúen como inhibidores de las enzimas fosfatasa que eli- proponga un nombre para la enzima que la cataliza. minan grupos fosfato de las tirosinas fosforiladas en el receptor de in- d) A continuación el GMP cíclico activa la proteincinasa G, sulina. ¿Por qué podría ser éste un tratamiento eficaz para la diabetes? que entonces actúa en proteínas musculares, de lo que resulta la relajación de las células de músculo liso. Proponga un mecanis- 36. Cuando la insulina se une a su receptor, ocurre un cambio mo para este proceso. conformacional que da por resultado la autofosforilación del recep- tor en residuos Tyr específicos. En el siguiente paso de la vía de seña- 28. Como se mencionó, cualquier proceso de transducción de lización, una proteína que se adapta llamada sustrato 1 del receptor señales que se activa debe ser desactivado después. Haga referencia a de insulina (IRS-1, por sus siglas en inglés) se fija al receptor fosfori- su respuesta al problema 27 y describa los acontecimientos que lle- lado (en la figura 10-11 se presenta la participación de proteínas varían al cese de cada paso de la vía de señalización que describió. adaptadoras en la señalización celular). Este paso es esencial para la activación corriente abajo de las proteincinasas B y C (problema 35). 29. Los ratones con desactivación del gen que produce el NO Si el IRS-1 se sobreexpresa en células musculares en cultivo, ¿qué sintasa (y que por tanto carecen de la enzima NO sintasa) tienen efectos, en su caso, esperaría ver en la transposición de transportado- hipertensión, frecuencia cardiaca elevada e hipertrofia del ventrículo res de glucosa y en la síntesis de glucosa? izquierdo. Explique las razones de estos síntomas. 37. Como se muestra en la figura 10-11, Ras puede activar una 30. El clotrimazol es un antagonista de la calmodulina (solución cascada de cinasas. La cascada más común es la vía de la cinasa MAP, 27b). ¿Qué efecto tiene la adición de clotrimazol sobre las células que se activa cuando factores de crecimiento se unen a receptores de endoteliales en cultivo? la superficie celular y activan Ras. Esto conduce a la anterior activa- ción de factores de transcripción y otras proteínas reguladoras géni- 31. Desde el siglo XIX se ha usado nitroglicerina colocada bajo la cas así da por resultado el crecimiento, proliferación y diferencia- lengua para tratar la angina de pecho (dolor precordial que resulta de ción. Utilice estos datos para explicar por qué los ésteres de forbol la reducción del riego sanguíneo al corazón). Sin embargo, reciente- (problema 21) promueven el desarrollo de tumores. mente los científicos dilucidaron su mecanismo de acción. Proponga una hipótesis que explique por qué la nitroglicerina sublingual alivia Ras Proteincinasa C el dolor anginoso. Raf OϪ N O ϩ O MEK OϩO N O OϪ Cinasa MAP N Proteínas Factores de Proteínas del OϪ ϩ O reguladoras génicas transcripción ciclo celular Nitroglicerina Problemas | 277

38. ¿Cómo podría una molécula señalizadora activar la cascada de Se ha demostrado que el ceramida 1-fosfato (C1P) promueve la cinasa MAP (problema 37) vía un receptor acoplado a proteína G en liberación de ácido araquidónico desde la membrana, y que el es- vez de una tirosincinasa receptora? fingosina 1-fosfato (S1P) estimula la actividad de COX-2. ¿Son estas observaciones consistentes con las propiedades inflamato- 10-4. Señalización por hormonas lipídicas rias atribuidas a C1P y S1P? 39. Los receptores de hormonas esteroideas tienen diferentes 42. Se ha demostrado que el S1P (problema 41) estimula la acti- ubicaciones celulares. El receptor de progesterona se localiza en el vación de la proteincinasa B (Akt) (problema 25). ¿Qué efecto ten- núcleo e interactúa con DNA una vez que la progesterona se ha dría esto en la célula? unido. Pero el receptor de glucocorticoide se localiza en el citosol y no se mueve al núcleo a menos que su ligando se haya unido. ¿Qué 43. Es probable que los efectos prosupervivencia del esfingosina característica estructural debe ser diferente en estas dos moléculas 1-fosfato resulten de la interacción de S1P con múltiples vías celula- receptoras? res. Además de la capacidad de S1P de inhibir la activación de Akt (problema 42), ¿de qué otra manera podría actuar S1P para promo- 40. Se observan cambios anormales en las concentraciones de ver la supervivencia celular? hormonas esteroideas en mamas, útero, ovarios, próstata y testículos en casos de cáncer de esos tejidos reactivos a esteroides. 44. Existe una fuerte relación entre inflamación y cáncer. Utili- zando la información que se presenta en el problema 41, proponga a) Utilizando lo que sabe acerca del mecanismo de estimulación productos farmacológicos que pudieran ser útiles como medicamen- inducida por hormonas esteroideas en estos tejidos, ¿qué estrate- tos anticancerosos. gias podría usar en el diseño de fármacos contra los cánceres de esos tejidos? 45. El ácido acetilsalicílico inhibe la COX al acetilar un residuo b) Dado lo que sabe acerca de señalización celular y cáncer Ser en la enzima (recuadro 10-C). Escriba la reacción por la cual el (recuadro 10-B), ¿es razonable sospechar que una vía “no clásica” ácido acetilsalicílico acetila la cadena lateral de la serina. Proponga puede estar implicada en el desarrollo de cánceres en esos tejidos? una hipótesis que explique por qué la acetilación del residuo Ser in- hibe la enzima. 41. En el siguiente diagrama se muestra la producción de esfingo- sina 1-fosfato y de ceramida 1-fosfato. Estas moléculas de señaliza- 46. La ciclooxigenasa utiliza ácido araquidónico como sustrato ción pueden actuar en la célula en que se producen (intracelular- para la síntesis de prostaglandinas (recuadro 10-C). En las plaquetas, mente) o pueden salir de la célula y actuar en células vecinas, como una vía similar genera tromboxanos, compuestos que estimulan la se describió en la sección 10-2. Ocurre algo de comunicación cruza- vasoconstrición y agregación plaquetaria (figura 10-14). ¿Por qué da entre la vía que se muestra en el diagrama y otras vías considera- algunas personas toman una tableta de ácido acetilsalicílico al día das en este capítulo. como protección contra los ataques cardiacos? Apoptosis Esfingomielina Esfingosina Esfingomielinasa Ceramida Esfingosina cinasa Ceramida cinasa Esfingosina 1-fosfato Ceramida 1-fosfato Supervivencia y proliferación celulares, inflamación BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA Milligan G, Kostenis E: Heterotrimeric G-proteins: a short history, Br. J. Pharmacol. 2006;147:S46-S55. Cherezov V, Rosenbaum DM, Hanson MA et al.: High-reso- lution crystal structure of an engineered human b2-adrenergic G Newton AC: Regulation of the ABC kinases by phosphoryla- proteincoupled receptor, Science 2007;318:1258-1265. tion: protein kinase C as a paradigm, Biochem. J. 2003;370:361- 371. [Revisa las estructuras y actividades de las cinasas.] De Meyts P: The insulin receptor: a prototype of dimeric, allos- teric membrane receptors? Trends Biochem. Sci. 2008;33:376-384. Rosenbaum DM, Rasmussen SGF, Kobilka BK: The struc- ture and function of G protein-coupled receptors, Nature Eyster KM: The membrane and lipids as integral participants 2009;459:356-363. [Revisa y compara las estructuras y los me- in signal transduction: lipid signal transduction for the non-li- canismos de cuatro GPCR.] pid biocchemist, Adv. Physiol. Educ. 2007;31:5-16. [Resume las funciones de fosfolipasas, lípido cinasas y fosfatasas, así como de hormonas lipídicas y segundos mensajeros.] 278 | CAPÍTUO 10 Señalización

CARBOHIDRATOS capítulo 11 Muchos organismos, incluida la planta del desierto Selaginella lepidophylla, se adaptan a condiciones deshidratantes sintetizando grandes cantidades del disacárido trehalosa, que forma enlaces de hidrógeno con componentes celulares y actúa como un vidrio orgánico para estabilizar proteínas y membranas celulares en ausencia de agua. Cuando vuelve a disponerse de agua, la planta reasume con rapidez su metabolismo normal, lo que le da su nombre común de “planta de la resurrección”. ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO EEl capítulo 11 completa la parte I del libro, la cual describe los componentes macro- moleculares de las células. Se explicó la estructura y funciones de los ácidos nucleicos; se examinaron las proteínas, incluyendo sus funciones como portadoras de oxígeno, proteínas citoesqueléticas y motoras, y enzimas; se analizaron los lípidos, la estructura de las membranas, procesos de transporte y mecanismos de transducción de señales a través de las membranas. Los carbohidratos constituyen la cuarta clase principal de moléculas biológicas, y al igual que en los capítulos anteriores, se considerarán sus formas monoméricas, poliméricas y sus diversas funciones. La química de los carbohi- dratos también sirve como una introducción al metabolismo, dado que la vía básica de cosecha de energía en todas las células depende de carbohidratos. ■ | 279

De los principales bloques de construcción moleculares de las células –nucleótidos, aminoácidos, lípidos y carbohidratos–, los últimos son los más abundantes. Aunque su composición atómica en gran medida se limita a C, H y O, los carbohidratos asumen una variedad de funciones biológicas que van desde el metabolismo energé- tico hasta la estructura celular. Los carbohidratos, también llamados azúcares o sa- cáridos, existen como monosacáridos (azúcares simples), polímeros pequeños (disacáridos, trisacáridos, etc.) y polisacáridos, más grandes (a veces llamados car- bohidratos complejos). Los monosacáridos cumplen la fórmula molecular (CH2O)n, donde n ≥ 3 (de aquí el nombre carbohidrato). Pero incluso los derivados de sacá- rido –muchos de los cuales presentan grupos que contienen nitrógeno, fósforo u otros elementos– son fáciles de reconocer por su gran cantidad de grupos hidroxilo (–OH). En este capítulo se exploran los monosacáridos y sus derivados, algunos di- sacáridos y polisacáridos comunes, y los carbohidratos unidos a proteínas. 11-1. Monosacáridos CONCEPTOS CLAVE Los azúcares más simples son los compuestos de tres carbonos gliceraldehído y • Los monosacáridos contienen dihidroxiacetona: diferente número de átomos de OH CH2OH carbono y pueden ser aldosas C o cetosas, con múltiples formas enantioméricas y epiméricas. HCOH CO • Los anómeros α y β pueden interconvertirse libremente a CH2OH CH2OH menos que el carbono anomérico participe en un enlace glucosídico. Gliceraldehído Dihidroxiacetona • Los grupos funcionales de un monosacárido pueden modificarse Un azúcar como el gliceraldehído, en el cual el grupo carbonilo es un aldehído, se para formar diversos derivados. denomina aldosa, y un carbohidrato como la dihidroxiacetona, en la cual el grupo carbonilo es una cetona, se conoce como cetosa. En la mayoría de las cetosas, el grupo carbonilo se encuentra en el segundo carbono (C2). Los monosacáridos también pueden describirse conforme al número de átomos de carbono que contienen; por ejemplo, los compuestos de tres carbonos mostrados antes son triosas. Las tetrosas contienen cuatro carbonos, las pentosas cinco, las hexosas seis, etc. La aldopentosa conocida como ribosa (abajo) es un componente del ácido ribonucleico (RNA; su derivado 2´-desoxirribosa se encuentra en el ácido des- oxirribonucleico, DNA). El monosacárido más abundante es la glucosa, una aldo- hexosa. Una cetohexosa común es la fructosa: OH OH 1 1C 1C CH2OH 2 2 2 HCOH HCOH CO 3 3 3 HCOH HOCH HOCH 4 4 4 HCOH HCOH HCOH 5 5 5 CH2OH HCOH HCOH Ribosa 6 6 CH2OH CH2OH Glucosa Fructosa La mayoría de los carbohidratos son compuestos quirales Obsérvese que la glucosa, mostrada antes, es un compuesto quiral porque varios de sus átomos de carbono (excepto C1 y C6) tienen cuatro sustituyentes distintos (véase una exposición de la quiralidad en el recuadro 4-A). Como resultado, la glucosa tiene va- rios estereoisómeros, como casi todos los monosacáridos (la dihidroxiacetona, simé- trica, es una excepción). Los carbohidratos presentan varios tipos de estereoisomería. 280 | CAPÍTULO 11 Carbohidratos

Como los aminoácidos (véase sección 4-1), el gliceraldehído tiene dos estructuras distintas que exhiben simetría especular. Tales pares de estructuras, conocidas como enantiómeros, no pueden superponerse por rotación. Por convención, esas estruc- turas reciben las designaciones l y d, del griego levo “izquierdo” y dextro “derecho”. CHO CHO HO C H H C OH CH2OH CH2OH L-Gliceraldehído D-Gliceraldehído Las formas enantioméricas de monosacáridos más grandes reciben la designación d o l por comparación de sus estructuras con el d-gliceraldehído y l-gliceraldehído. En un azúcar D, el carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo (que sería C5 en la glucosa) tiene la misma configuración espacial que el carbono quiral del d-gliceralde- hído. En un azúcar L, el carbono tiene la misma configuración que en el l-gliceral- dehído. Así, cada azúcar d es la imagen especular (en el espejo) de un azúcar l. Aunque los enantiómeros se comportan de modo idéntico en un sentido estricta- mente químico, no son equivalentes biológicos. Esto se debe a que los sistemas biológicos, formados por otros compuestos quirales, como los aminoácidos l, pue- den distinguir entre los azúcares d y l. La mayoría de los azúcares naturales tienen la configuración d, así que en sus nombres a menudo se omiten los prefijos d y l. La glucosa, además de su carbono enantiomérico (C1), tiene otros cuatro carbo- nos asimétricos, por lo que hay estereoisómeros para la configuración en cada una de estas posiciones. Los carbohidratos que difieren en configuración en uno de estos carbonos se conocen como epímeros. Por ejemplo, el monosacárido común galac- tosa es un epímero de la glucosa en la posición 4: CHO CHO HCOH HCOH HOCH HOCH HCOH HOCH HCOH HCOH CH2OH CH2OH D-Glucosa D-Galactosa Tanto cetosas como aldosas tienen formas epiméricas. Y como los enantiómeros, los epímeros no son intercambiables en los sistemas biológicos: una enzima cuyo sitio activo recibe glucosa puede no reconocer en absoluto la galactosa. La ciclización genera anómeros α y β Los numerosos grupos hidroxilo que caracterizan la estructura de los carbohidratos también proporcionan múltiples puntos para que ocurran las reacciones químicas. Una de tales reacciones es un reordenamiento intramolecular en el cual el grupo car- bonilo del azúcar reacciona con uno de sus grupos –OH para formar una estructura cíclica (figura 11-1). Los azúcares cíclicos se representan como proyecciones de Haworth, en las cuales las líneas horizontales más oscuras corresponden a enlaces arriba del plano del papel, y las líneas más claras corresponden a enlaces atrás del plano del papel. Una regla simple facilita convertir una estructura de su proyección de Fis- cher, lineal (en la que los enlaces horizontales están arriba del plano del papel y los enlaces verticales están abajo) a una proyección de Haworth: los grupos que se proyec- tan a la derecha en una proyección de Fischer apuntarán hacia abajo en una proyección de Haworth, y los grupos que se proyectan a la izquierda apuntarán hacia arriba. 11-1 Monosacáridos | 281

Proyección de Fischer Proyecciones de Haworth H O 6CH2OH 6CH2OH 6CH2OH 1C OH H 5C OH H 5O 5O H 2C H C HH HH 4 OH H 4 OH H HO 3C H 4C OH H 1 HO H HO OH 1o H 4C OH HO C C O 1 OH 32 H H 5C OH 32 32 6CH2OH H OH H OH H OH Anómero ␣ Anómero ␤ Figura 11-1. Representación de la glucosa. En una proyección lienal de Fischer, los enlaces horizontales apuntan hacia fuera de la página y los enlaces verticales apuntan hacia dentro de la página. La glucosa se cicliza para formar un anillo de seis miembros representado por una proyección de Haworth, en la cual los enlaces de trazo más grueso salen del plano de la página. Los anómeros α y β se interconvierten libremente. Como resultado de la reacción de ciclización, el grupo hidroxilo unido a lo que era el carbono carbonilo (C1 en el caso de la glucosa) puede apuntar hacia arriba o abajo. En el anómero α, este grupo hidroxilo yace en el lado del anillo opuesto al grupo CH2OH del carbono quiral que determina la configuración d o l (en el anó- mero α de la glucosa, el grupo hidroxilo apunta hacia abajo; figura 11-1). En el anómero β, el grupo hidroxilo yace en el mismo lado del anillo que el grupo CH2OH del carbono quiral que determina la configuración d o l (en el anómero β de la glucosa, el grupo hidroxilo apunta hacia arriba; figura 11-1). A diferencia de anómeros y epímeros, que no son intercambiables, los anómeros en solución acuosa se interconvierten libremente entre las formas α y β, a menos que el gru- po hidroxilo unido al carbono anomérico esté enlazado a otra molécula. De hecho, una solución de moléculas de glucosa consta de alrededor de 64% de anómero β, alrededor de 36% de anómero α, y cantidades vestigiales de la forma lineal o de cadena abierta. Las hexosas y pentosas, que también sufren ciclización, no forman estructuras planas, como podría sugerir una proyección de Haworth. En cambio, el anillo del azúcar se distorsiona de modo que cada átomo de C pueda retener su geometría de enlace tetraédrica. Los sustituyentes de cada carbono pueden apuntar hacia arriba del anillo (posiciones axiales) o hacia fuera (posiciones ecuatoriales). La glucosa puede adoptar una conformación de silla en la cual todos sus sustituyentes anulares volu- minosos (los grupos –OH y –CH2OH) ocupan posiciones ecuatoriales. H CH2OH O HO H H OH OH HO HH Glucosa En las demás hexosas, algunos de estos grupos deben ocupar las posiciones axiales, más hacinadas y por tanto menos estables. La alta estabilidad de la glucosa puede ser una razón de su abundancia entre los monosacáridos. Los monosacáridos pueden derivarse de muchas maneras distintas El carbono anomérico de un monosacárido es fácil de reconocer: es el carbono car- bonilo en la forma de cadena recta del azúcar, y es el carbono unido tanto al oxígeno anular como a un grupo hidroxilo en la forma cíclica del azúcar. El carbono anomé- 282 | CAPÍTULO 11 Carbohidratos

Enlaces glucosídicos CH2OH CH2OH CH2OH O H O H Hϩ H OH H OCH3 H ϩ CH3OH H ϩ H2O H H ϩ OH H OH OH H H HO OH HO OCH3 HO H OH H OH H OH Glucosa α-Glucosidasa β-Glucosidasa Figura 11-2. Reacción de glucosa con metanol. La adición de metanol al carbono anomérico bloquea la capacidad de la glucosa de funcionar como un azúcar reductor. El enlace glucosídico que se forma entre el carbono anomérico y el oxígeno del metanol pueden tener la configuración α o β. rico puede experimentar oxidación, por lo que puede reducir sustancias como Cu(II) (a) CH2OH H a Cu(I). Esta reactividad química, que a menudo se prueba usando una solución con O OH cobre llamada reactivo de Benedict, puede distinguir un monosacárido libre, lla- H mado azúcar reductor, de un monosacárido en el cual el carbono anomérico ya ha HO H reaccionado con otra molécula. Por ejemplo, cuando una molécula de glucosa (un OH H azúcar reductor) reacciona con metanol (CH3OH), el resultado es un azúcar no reductor (figura 11-2). Dado que el carbono anomérico participa en la reacción, el H NH2 grupo metilo puede terminar en la posición α o β. El enlace que une el carbono anomérico al otro grupo es un enlace glucosídico, y una molécula que consiste en Glucosamina un azúcar unido a otra molécula recibe el nombre de glucósido. Los enlaces gluco- sídicos unen los monómeros en los oligosacáridos y polisacáridos (sección 11-2) y (b) O H también unen los grupos ribosa a las bases purínicas y pirimidínicas de los nucleóti- C dos (véase sección 3-1). H C OH Los azúcares fosforilados, incluidos gliceraldehído 3-fosfato y fructosa 6-fosfato, HO C H actúan como intermediarios en las vías metabólicas para degradar glucosa (glucólisis; véase sección 13-1) y sintetizarla (fotosíntesis; véase sección 16-3). H C OH H C OH OH Ϫ2O3POH2C6 O 1 C COOH CH2OH 1 Ácido glucurónico 5H HO 2 H C OH H OH 2 4 3 C3 H2OPO32Ϫ HO H Gliceraldehído 3-fosfato Fructosa 6-fosfato Otros procesos metabólicos sustituyen un grupo hidroxilo por un grupo amino para (c) CH2OH producir un aminoazúcar, como la glucosamina (figura 11-3A). La oxidación de los grupos carbonilo e hidroxilo de un azúcar puede generar ácidos urónicos (azúcares H C OH que contienen grupos ácido carboxílico; figura 11-3B), y la reducción puede dar por resultado moléculas como el xilitol, un edulcorante empleado en alimentos “sin azú- HO C H car” (figura 11-3C). Una reacción de modificación de carbohidratos esencial para el metabolismo es la catalizada por ribonucleótido reductasa, que reduce el grupo 2´- H C OH OH de la ribosa para convertir un ribonucleótido en un desoxirribonucleótido para la síntesis de DNA (véase sección 18-3): CH2OH 5Ј Base 5Ј Base Xilitol HOCH2 O HOCH2 O Figura 11-3. Algunos derivados de monosacáridos. a) En un aminoazúcar, Ribosa 4Ј H H1Ј 2´-Desoxirribosa 4Ј H H 1Ј –NH2 sustituye a un grupo –OH. H 3Ј 2Ј H H 3Ј 2Ј H b) Las reacciones de oxidación y reducción generan azúcares con grupos OH OH OH H carboxilato o c) con grupos hidroxilo adicionales. 11-1 Monosacáridos | 283

REPASO DE CONCEPTOS • Trace la forma de cadena recta de D-glucosa, un isómero cetosa de la glucosa, el enantiómero L de la glucosa, y uno de sus epímeros. • Explique por qué los anómeros α y β de un monosacárido pueden interconvertirse. • Enumere algunos tipos de derivados de monosacárido. 11-2. Polisacáridos CONCEPTOS CLAVE Los monosacáridos son los bloques de construcción de los polisacáridos, en los cuales • Los monosacáridos pueden unirse enlaces glucosídicos unen residuos sucesivos. A diferencia de aminoácidos y nucleóti- dos – las otras moléculas biológicas formadoras de polímeros– que pueden unirse en mediante enlaces glucosídicos en una única configuración, los monosacáridos pueden “engancharse” entre sí en diver- diversas configuraciones. sas formas para producir una enorme variedad de cadenas. Cada monosacárido con- • Lactosa y sacarosa son tiene varios grupos –OH libres capaces de participar en una reacción de condensación, disacáridos que se emplean como lo que permite diferentes disposiciones de enlace y hace posible la ramificación. Si combustible metabólico. bien esto expande el repertorio estructural de los carbohidratos, dificulta su estudio. • Entre los polímeros de la glucosa se incluyen los polisacáridos de En el laboratorio, las cadenas de carbohidratos o glucanos pueden secuenciarse almacenamiento de combustible por espectrometría de masa (véase sección 4-5), aunque a veces los resultados son almidón y glucógeno y el ambiguos debido a la imposibilidad de distinguir entre isómeros, que tienen la mis- polisacárido estructural celulosa. ma masa. Las estructuras tridimensionales de los glucanos suelen estudiarse median- • Otros polisacáridos estructurales te técnicas de RMN (véase sección 4-5), dado que indican una conformación son quitina y algunos promedio de las moléculas, que tienden a ser altamente flexibles en solución. Debi- componentes de las biopelículas do a las dificultades para definir secuencias y estructuras de carbohidratos, la glucó- bacterianas. mica –estudio sistemático de los carbohidratos– no está tan desarrollada como la genómica o proteómica. 284 | CAPÍTULO 11 Carbohidratos Los glucanos más complejos son los oligosacáridos que suelen estar unidos a otras moléculas, por ejemplo en las glucoproteínas. Los polisacáridos, algunos de los cua- les son moléculas realmente enormes, por lo general no exhiben la heterogeneidad y complejidad de los oligosacáridos. En cambio, tienden a consistir en 1 o 2 monosa- cáridos que se unen una y otra vez de la misma manera. Esta suerte de homogenei- dad estructural es apropiada para las funciones de los polisacáridos como moléculas de almacenamiento de combustible y elementos arquitectónicos. Se comenzará el estu- dio con los más simples de los polisacáridos, los disacáridos. Lactosa y sacarosa son los disacáridos más comunes Un enlace glucosídico une dos monosacáridos para generar un disacárido. En la naturaleza, los disacáridos existen como intermediarios en la digestión de polisacári- dos y como una fuente de combustible metabólico. Por ejemplo la lactosa, secretada en la leche de los mamíferos lactantes, consiste en galactosa y glucosa: 6CH2OH 6CH2OH 5 O H5 O OH H H HO H 1(β) O 4 H 1(β) 4 OH OH HH H 32 32 H OH H OH Galactosa Glucosa Lactosa Nótese que el carbono anomérico (C1) de la galactosa está unido a C4 de la glucosa por un enlace β-glucosídico. Si los dos azúcares estuvieran unidos por un enlace α- glucosídico, o si el carbono anomérico de la galactosa estuviera unido a un carbono distinto de la glucosa, el resultado sería un disacárido del todo distinto. La lactosa es

una fuente importante de alimento para los mamíferos neonatos. La mayoría de los mamíferos adultos, incluido el humano, producen muy poca lactasa (también llama- da β-galactosidasa), la enzima que rompe el enlace glucosídico de la lactosa, y por tanto no pueden digerir de manera eficiente este disacárido. La sacarosa, o azúcar de mesa, es el disacárido más abundante en la naturaleza: 6CH2OH 5 O 1 O H HH H HOCH2 5 4 OH H 1(α) 2 (β) H HO C6 H2OH HO O 32 34 H OH OH H Glucosa Fructosa Sacarosa En esta molécula, el carbono anomérico de la glucosa (en la configuración α) está unido al carbono anomérico de la glucosa (en la configuración β). La sacarosa es la principal forma en que los carbohidratos recién sintetizados se transportan desde las hojas de las plantas, donde ocurre la mayor parte de la fotosíntesis, hasta otros tejidos vegetales para su uso como combustible o su almacenamiento como almidón para uso posterior. Almidón y glucógeno son moléculas de almacenamiento de combustible Almidón y glucógeno son polímeros de residuos glucosa unidos por enlaces glucosídi- cos designados α(1 4); en otras palabras, el carbono anomérico (carbono 1) de un residuo se une mediante un enlace α-glucosídico al carbono 4 del siguiente residuo: CH2OH CH2OH H OH H OH H H H OH H 1 4 OH OO H OH H OH n Las plantas fabrican una forma lineal de almidón, llamada amilosa, que puede con- sistir en varios miles de residuos glucosa. La amilopectina, una molécula aún más grande, presenta enlaces glucosídicos α(1 6) cada 24 a 30 residuos glucosa para generar un polímero ramificado: H CH2OH H ... O O 1 H OH H O H OH 6CH2 HH OH ... O OH H O ... H OH 11-2 Polisacáridos | 285

Figura 11-4. Estructura de la El reunir varios residuos monosacárido en un solo polisacárido es una manera efi- ciente de almacenar glucosa, el principal combustible metabólico de las plantas. Las amilosa. Este polisacárido no cadenas unidas por enlaces α se curvan formando hélices, de modo que la molécula ramificado, consistente en residuos completa es una partícula relativamente compacta (figura 11-4). glucosa con enlace α(1 4) (hexágonos), forma una gran hélice Los animales almacenan glucosa en forma de glucógeno, un polímero parecido a la izquierda. amilopectina, pero que se ramifica cada 12 residuos más o menos. Debido a su estruc- tura muy ramificada, una molécula de glucógeno puede ensamblarse o desensamblarse con rapidez según las necesidades metabólicas de la célula, debido a que las enzimas que agregan o retiran residuos glucosa trabajan desde los extremos de las ramas. Celulosa y quitina dan soporte estructural La celulosa, como la amilosa, es un polímero lineal que contiene cientos de residuos glucosa. Sin embargo, los residuos están unidos por enlaces glucosídicos β(1 4) en vez de α(1 4): CH2OH CH2OH HO 1 O H H O O OH H H 4 OH H HH H OH H OH n Esta sencilla diferencia en el enlace tiene profundas consecuencias estructurales: mientras que las moléculas de almidón forman gránulos compactos dentro de la célula, la celulosa forma fibras extendidas que dan rigidez y resistencia a las paredes celulares vegetales. Los polímeros de celulosa individuales forman haces con cuan- tiosos enlaces de hidrógeno dentro de las cadenas y entre cadenas adyacentes (figura 11-5). Las paredes celulares de las plantas incluyen otros polímeros que, junto con la celulosa, constituyen estructuras fuertes, pero elásticas (recuadro 11-A). Los animales no sintetizan la celulosa, y la mayoría no pueden digerirla para usar sus residuos glucosa como fuente de energía. Organismos como termitas y rumiantes, Figura 11-5. Estructura de la celulosa. Los residuos glucosa se representan como hexágonos, con los átomos de C en gris y los átomos de O en rojo. No se muestran todos los átomos de H (círculos pequeños). Enlaces de hidrógeno (líneas de trazo discontinuo) unen residuos en la misma cadena y otras adyacentes, de modo que un haz de polímeros de celulosa forma una fibra rígida extendida. 286 | CAPÍTULO 11 Carbohidratos

RECUADRO 11-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA Polisacáridos vegetales La celulosa es con mucho el polisacárido más abundante en la COOϪ H naturaleza, con cadenas que contienen miles de residuos monosacá- rido. La siguiente micrografía electrónica muestra fibras de celulosa HO H O HO O H en una pared celular vegetal. Se han eliminado otras sustancias H CH3 poliméricas para revelar la celulosa y algunas moléculas formadoras de enlaces cruzados. Además de celulosa, las paredes celulares OH H HH vegetales contienen los polímeros hemicelulosa, pectina y lignina. H OH H OH (Dr. Jeremy Burgess/SPL/Photo Researchers.) H OH HO OH Hemicelulosa es el nombre dado a una clase de polisacáridos Galacturonato Ramnosa heterogéneos que pueden eliminarse del material leñoso en condiciones relativamente suaves que dejan las fibras de celulosa Los Iones Ca2+ forman enlaces cruzados entre grupos carboxilato intactas. Las cadenas de hemicelulosa son más cortas que las de con carga negativa de los residuos galacturonato. El gran número celulosa (500 a 3 000 residuos) y pueden ser ramificadas. Son de grupos hidroxilo hace a la pectina altamente hidrófila, de modo heteropolímeros, lo cual indica que contienen una variedad de que retiene gran cantidad de agua y tiene las propiedades físicas de unidades monoméricas, en este caso azúcares de 5 y 6 carbonos. La un gel; por tanto este material puede funcionar como una especie xilosa es el más abundante de éstos: de amortiguador de impactos. CHO La lignina –en contraste con celulosa, hemicelulosa y pectina– no HCOH es en absoluto un polisacárido. Se trata de un polímero altamente HOCH heterogéneo difícil de caracterizar que se forma a partir de compues- HCOH tos aromáticos (fenólicos). Se une de modo covalente a cadenas de hemicelulosa, de modo que contribuye a la resistencia mecánica de las CH2OH paredes celulares. La lignina, con pocos grupos hidroxilo, es relativa- mente hidrófoba, de modo que también constituye un componente Xilosa importante del sistema vascular de las plantas (por lo cual el agua puede transportarse de modo eficiente por estas estructuras en vez de Debido a su heterogeneidad estructural y no linealidad, la ser absorbida). La lignina representa hasta un tercio de la masa seca de hemicelulosa no forma fibras rígidas como la celulosa, y en cambio la madera, pero es indigerible para los mamíferos, y debido a su forma una red. actividad formadora de enlaces cruzados, puede limitar el acceso de celulosa y hemicelulosa a las enzimas digestivas. La pectina sirve a un fin similar, al llenar los espacios entre otras fibras. La pectina es un heteropolímero que contiene residuos Todos los componentes de la madera, incluida la lignina, galacturonato y ramnosa, entre otros: representan gran cantidad de energía libre almacenada, que puede liberarse por combustión (p. ej., cuando la madera se quema). La conversión industrial de esta energía almacenada en otros tipos de combustibles se conoce como bioconversión. Uno de los desafíos de la conversión de masa vegetal en biocombustibles como el etanol consiste en identificar enzimas, en mayor medida de fuentes microbianas, capaces de digerir los diversos polímeros a sus unidades monoméricas, de modo que se evite el uso de ácidos fuertes lo cual es dañino para el ambiente. Un segundo desafío es identificar o modificar microorganismos que entonces puedan convertir con eficiencia los azúcares u otros productos en etanol y otra sustancia susceptible de almacenarse y transportarse de modo conveniente. que sí obtienen energía de alimentos ricos en celulosa, albergan microorganismos que producen celulasas capaces de hidrolizar los enlaces β(1 4) entre residuos glucosa. El humano carece de estos microorganismos, por lo que, si bien hasta 80% del peso seco de las plantas consiste en glucosa, gran parte de ella no está disponible para el metabolismo humano (aunque se requiere su ingesta para el funcionamiento normal del aparato digestivo). Los exoesqueletos de insectos y crustáceos y las paredes celulares de muchos hon- gos contienen un polímero parecido a la celulosa llamado quitina, en la cual los 11-2 Polisacáridos | 287

residuos –unidos por enlaces β(1 4)– son el derivado de glucosa denominado N-acetilglucosamina (glucosamina con un grupo acetilo unido a su grupo amino): CH2OH CH2OH HO HO H 1 O4 H O OH H OH H H H H NHCCH3 H NHCCH3 OO n Figura 11-6. Una biopelícula de Los polisacáridos bacterianos forman una biopelícula Pseudomonas aeruginosa. Esta Las procariotas no sintetizan paredes celulares celulósicas (sección 11-3) ni almacenan bacteria patógena cultivada en la combustible en la forma de almidón o glucógeno, pero en cambio producen polisacá- superficie de una placa de agar produce ridos extracelulares que forman una matriz protectora para su desarrollo. Una biope- una biopelícula con forma lícula se fija a una superficie y alberga una comunidad de bacterias embebidas que tridimensional compleja. (Cortesía de contribuyen a la producción y mantenimiento de la biopelícula (figura 11-6). El ma- terial extracelular de la biopelícula incluye una variedad de polisacáridos muy hidra- Roberto Kolter, Harvard Medical School.) tados, que contienen glucuronato y N-acetilglucosamina. Una biopelícula puede ser difícil de caracterizar, debido a que aloja una mezcla de especies y las proporciones de los polisacáridos que la componen dependen de muchos factores ambientales. La consistencia de gel de una biopelícula, como la placa que se forma en los dien- tes, impide que las células bacterianas sean arrastradas por fuerzas mecánicas y las protege de la desecación. Las biopelículas que se forman en dispositivos médicos, como sondas y catéteres, constituyen un problema porque ofrecen un punto de apoyo a los organismos patógenos y crean una barrera contra antibióticos y células del sistema inmunitario. REPASO DE CONCEPTOS • Explique por qué es posible que dos monosacáridos formen más de un tipo de disacárido. • Resuma las funciones fisiológicas de lactosa, sacarosa, almidón, glucógeno, celulosa y quitina. • ¿Cómo se relacionan las propiedades físicas de los polisacáridos –como tamaño global, forma, ramificación y composición– con sus funciones biológicas? 11-3. Glucoproteínas CONCEPTOS CLAVE Dada la variedad de monosacáridos y de modos en que se unen, el número de posi- • Los carbohidratos se fijan a bles estructuras de los oligosacáridos incluso de algunos residuos es enorme. Los organismos aprovechan estas complejidades para marcar diversas estructuras –prin- proteínas como oligosacáridos con cipalmente proteínas y lípidos– con oligosacáridos únicos. La mayoría de las proteí- enlace N o con O. nas que las células eucarióticas secretan o mantienen en su superficie son • Las largas cadenas de glucoproteínas en las cuales una o más cadenas de oligosacárido se unen de manera glucosaminoglucano de los covalente a la cadena polipeptídica poco después de su síntesis. proteoglucanos están muy hidratadas. Los oligosacáridos con enlace N experimentan • Las bacterias forman procesamiento paredes celulares a partir de peptidoglucano, una red En las eucariotas, los oligosacáridos unidos a glucoproteínas suelen enlazarse a una tridimensional de cadenas de cadena lateral de Asn (oligosacáridos con enlace N) o a una cadena lateral de Ser o carbohidratos y péptidos cortos. Thr (oligosacáridos con enlace O). 288 | CAPÍTULO 11 Carbohidratos

CH2OH O NH O HH NH C CH2 CH Asn OH H CO HO H H NH CO Oligosacárido con enlace N CH3 CH2OH HO H O NH H OH H Ser H O CH2 CH H NH CO CO CH3 Oligosacárido con enlace O La N-glucosilación comienza mientras una proteína es sintetizada por un ribosoma conectado al retículo endoplasmático (RE) rugoso. Cuando la proteína se transpo- ne a la luz del RE (el espacio interno), una cadena de oligosacárido de 14 residuos se fija a un residuo Asn (figura 11-7). Cuando la proteína recién sintetizada sale del RE y atraviesa el aparato de Golgi (una serie de compartimentos membranosos), enzimas conocidas como glucosidasas retiran diversos residuos monosacárido, y otras enzimas, llamadas glucosiltransferasas, agregan nuevos monosacáridos. Estas enzimas de procesamiento son altamente específicas para las identidades de los mo- nosacáridos y las posiciones de los enlaces glucosídicos. Al parecer la secuencia de aminoácidos o la estructura local de la proteína, así como el conjunto de enzimas de procesamiento presentes en la célula, determinan de manera aproximada qué azúcares se añaden y cuáles se eliminan. El resultado neto es una gran heterogeneidad en las cadenas de oligosacárido unidas a diferentes glucoproteínas o incluso a diferentes moléculas de la misma glucoproteína. En la figura 11-8 se presenta un ejemplo de oligosacárido con enlace N. Los oligosacáridos con enlace O tienden a ser grandes Los oligosacáridos con enlace O se forman, un residuo a la vez, principalmente en el aparato de Golgi, a través de la acción de glucosiltransferasas. A diferencia de los oligosacáridos con enlace N, los que tienen enlace O no experimentan procesa- miento por glucosidasas. Las glucoproteínas con cadenas de sacáridos con enlace O tienden a presentar muchos de esos grupos, y la cadena de glucano tiende a ser ma- yor que las propias de los oligosacáridos con enlace N. Dichas glucoproteínas, que pueden ser hasta 80% carbohidrato, son componentes importantes del moco que forma una capa protectora para los aparatos respiratorio y digestivo. ¿Cuál es el objetivo de los grupos oligosacárido? Dado que los oligosacáridos son muy hidrófilos y flexibles en su conformación, ocupan de manera eficaz un mayor volumen arriba de la superficie de la proteína. Esto puede tener una función protectora o ayudar a estabilizar la estructura de la 11-3 Glucoproteínas | 289

Figura 11-7. Procesamiento de un Polipéptido oligosacárido con enlace N. Las Polipéptido recién glucosidasas y glucosiltransferasas en el sintetizado con aparato de Golgi procesan el oligosacáridos oligosacárido de 14 residuos que está de 14 residuos unido a la proteína recién sintetizada en el RE. El oligosacárido central de cinco El oligosacárido Glucoproteína residuos (con tres residuos manosa y dos inicialmente unido parcialmente N-acetilglucosamina, centro) es común a la proteína es recortado procesada que a todos los oligosacáridos con enlace N. por glucosidasas contiene el Sólo se muestra uno de los diversos oligosacárido central oligosacáridos maduros posibles. Se agregan residuos monosacárido adicionales por la acción de glucosiltransferasas Glucoproteína con oligosacárido maduro N -Acetilglucosamina Manosa Glucosa Fucosa Galactosa Ácido N -acetilneuramínico Figura 11-8. Estructura de un proteína. De hecho, determinadas carabinas (a veces también llamadas “chapero- oligosacárido con enlace N. Los 11 nas”) reconocen proteínas parcialmente glucosiladas y las ayudan a plegarse a sus residuos monosacárido, unidos por conformaciones nativas. En algunos casos, los grupos oligosacárido constituyen una enlaces glucosídicos, presentan especie de sistema de direccionamiento intracelular, de modo que las proteínas re- considerable flexibilidad cién sintetizadas pueden enviarse a su sitio celular correcto, como un lisosoma. En conformacional, de modo que la otros casos, los grupos oligosacárido actúan como puntos de reconocimiento y fija- estructura mostrada aquí es sólo una de ción para interacciones entre diferentes tipos de células. Por ejemplo, los conocidos muchas posibles. La flecha indica el tipos sanguíneos A, B y O son determinados por la presencia de distintos oligosacá- átomo de N de la cadena lateral de Asn ridos en la superficie de los eritrocitos (recuadro 11-B). Los leucocitos circulantes se a la cual se une el glucano. (Estructura de unen a glucoproteínas en la superficie de las células que recubren los vasos sanguí- neos a fin de abandonar el torrente sanguíneo y migrar a sitios de lesión o infección. la cadena de carbohidrato de la aglutinina de Por desgracia, muchos virus y bacterias patógenas también reconocen grupos carbo- hidrato específicos en las superficies celulares y se fijan a estos sitios antes de invadir soya determinada por A. Darvill y H. Halbeek.) la célula hospedera. 290 | CAPÍTULO 11 Carbohidratos Los proteoglucanos contienen largas cadenas de glucosaminoglucanos Los proteoglucanos son glucoproteínas en las cuales la cadena proteínica sirve prin- cipalmente como sitio de fijación para enormes polisacáridos lineales con enlace O llamados glucosaminoglucanos. La mayoría de las cadenas de glucosaminoglucano

RECUADRO 11-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA Sistema de grupos sanguíneos ABO Los carbohidratos en la superficie de los eritrocitos y otras células tipo O (estos individuos no producen anticuerpos contra el humanas forman 15 sistemas distintos de grupos sanguíneos. El oligosacárido tipo O, porque éste se encuentra de manera natural en esquema de clasificación de carbohidratos mejor conocido y uno ellos como un precursor de oligosacáridos tipo A y B). de los que revisten importancia clínica es el sistema de grupos sanguíneos ABO, conocido desde hace un siglo. En términos Proteína bioquímicos, el sistema ABO se basa en los oligosacáridos unidos a o lípido esfingolípidos y proteínas en eritrocitos y otras células. Tipo A En individuos con sangre tipo A, el oligosacárido tiene un grupo galactosa N-acetilado. En los individuos del tipo B, el azúcar Tipo B terminal es galactosa. Ninguno de estos grupos aparece en los oligosacáridos de individuos con el tipo O. Tipo O Los grupos sanguíneos son determinados genéticamente: los Galactosa individuos con los tipos A y B tienen versiones ligeramente N -Acetilglucosamina distintas del gen para una glucosintransferasa que añade el residuo N -Acetilgalactosamina monosacárido final al oligosacárido. Los individuos con el tipo O Fucosa tienen una mutación tal que carecen por completo de la enzima y por tanto producen un oligosacárido sin el residuo final. Los individuos con el tipo A desarrollan anticuerpos que reconocen eritrocitos con el oligosacárido tipo B y forman enlaces cruzados con ellos. Los individuos con el tipo B desarrollan anticuerpos contra el oligosacárido del tipo A. Por tanto, no debe administrarse una transfusión de sangre tipo B a un individuo del tipo A, y viceversa. Las personas con sangre tipo AB portan ambos tipos de oligosacáridos y por ello no desarrollan anticuerpos contra ninguno de esos tipos; pueden recibir transfusiones de sangre tipo A o tipo B. Los individuos con el tipo O desarrollan tanto anticuerpos anti-A como anti-B. Si reciben una transfusión de sangre tipo A, tipo B o tipo AB, sus anticuerpos reaccionarán con las células transfundi- das, lo cual las precipitará y bloqueará los vasos sanguíneos. Por otra parte, los individuos con el tipo O son donadores universales: las personas con los tipos A, B o AB pueden recibir sin riesgo sangre constan de un disacárido repetitivo de un aminoazúcar (a menudo N-acetilado) y un ácido urónico (un azúcar con un grupo carboxilato). Después de la síntesis, diversos grupos hidroxilo pueden sulfatarse (recibir un grupo –OSO3–) de manera enzimá- tica. En la figura 11-9 se presenta el disacárido repetitivo del proteoglucano cono- cido como sulfato de condroitina. Los proteoglucanos pueden ser proteínas transmembrana o unidas a lípido (véase sección 8-3), pero las cadenas de glucosamino- glucano están siempre en el lado extracelular de la membrana plasmática. Los proteo- glucanos extracelulares y cadenas de glucosaminoglucano que no se fijan a un andamiaje proteínico tienen un importante cometido estructural en el tejido conectivo. COOϪ O CH2OH HH O ϪO3SO H O OH H H HO Figura 11-9. El disacárido repetitivo H H del sulfato de condroitina. Una cadena de sulfato de condroitina puede H OH H NHCOCH3 contener cientos de estas unidades n disacárido, y el grado de sulfatación puede variar a lo largo de la cadena. Sulfato de condroitina 11-3 Glucoproteínas | 291

Los muchos grupos hidrófilos en los glucosaminoglu- canos atraen moléculas de agua, por lo cual los glucosami- noglucanos están muy hidratados y ocupan los espacios entre las células y otros componentes de la matriz extrace- lular, como las fibrillas de colágeno (véase sección 5-2). Bajo presión mecánica, parte del agua puede expulsarse de los glucosaminoglucanos, lo cual permite al tejido conec- tivo y otras estructuras ajustarse a los movimientos corpo- rales. La presión también acerca entre sí los grupos sulfato y carboxilato (con carga negativa) de los polisacáridos. Cuando la presión cesa, los glucosaminoglucanos reasu- men de inmediato su forma original al liberarse la repul- sión entre grupos aniónicos y atraen de nuevo agua al interior de la molécula. Esta acción de esponja de los glu- cosaminoglucanos en los espacios articulares proporciona (a) amortiguación de impactos. (b) Las paredes celulares bacterianas están hechas de peptidoglucano Figura 11-10. Modelo de una pared celular bacteriana. Las cadenas de Una red de cadenas de carbohidrato y péptidos con enlaces carbohidrato se muestran en anaranjado cruzados constituye las paredes celulares de las bacterias. y contienen ocho repeticiones del Este material, llamado peptidoglucano, rodea la mem- disacárido. Los péptidos se muestran en brana plasmática de la célula y determina su forma global. verde. a) Vista superior hacia dentro de El componente carbohidrato en muchas especies es un di- la superficie celular. Las flechas indican sacárido repetitivo con enlace β(1 4): espacios que podrían ser ocupados por proteínas transmembrana celulares. CH2OH CH2OH b) Vista lateral. (Cortesía de Shahriar HH O H O Mobashery, University of Notre Dame.) O H HO H OH H H H NH C CH3 H NH C CH3 OO On CH3CHCOOϪ Péptidos de 4 o 5 aminoácidos forman enlaces cruzados covalentes en tres dimensio- nes con el sacárido para generar una estructura que alcanza un espesor de 250 Å en algunas especies. Antibióticos de la familia de la penicilina bloquean la formación de los enlaces cruzados peptídicos, con lo que debilitan la pared celular y hacen que la célula estalle por esfuerzo osmótico. Un modelo de la pared celular de la bacteria Staphylococcus aureus, basado en datos de RMN, muestra que las cadenas de glucano son perpendiculares a la super- ficie celular. Los enlaces cruzados peptídicos forman una estructura parecida a una colmena con espacios que podrían dar cabida a proteínas (figura 11-10). REPASO DE CONCEPTOS • Resuma el procesamiento de un oligosacárido con enlace N. • Enumere algunas funciones de los grupos carbohidrato de las glucoproteínas. • Mencione algunas diferencias entre oligosacáridos con enlace N y O. • ¿Cómo es que los proteoglucanos funcionan como amortiguadores de impactos? • Describa brevemente la estructura y función de los peptidoglucanos. 292 | CAPÍTULO 11 Carbohidratos

RESUMEN puntos de ramificación con enlace α(1 6). La celulosa consiste en residuos glucosa unidos por enlaces β(1 4); 11-1. Monosacáridos en la quitina, los residuos son N-acetilglucosamina. • Una biopelícula bacteriana es una comunidad de células • Los carbohidratos, que tienen la forma general (CH2O)n, embebidas en una matriz de polisacárido extracelular. existen como monosacáridos y polisacáridos de diferentes tamaños. Los monosacáridos pueden ser aldosas o cetosas 11-3. Glucoproteínas y existen como enantiómeros (imágenes en el espejo) y epí- meros (que difieren en la configuración de átomos de car- • Los oligosacáridos están unidos a proteínas como oligosa- bono individuales). cáridos con enlace N y O. Los oligosacáridos con enlace N experimentan procesamiento por glucosidasas y glucosil- • La ciclización de un monosacárido produce anómeros α y transferasas. Las cadenas carbohidrato de las glucoproteínas β. La formación de un enlace glucosídico impide la inter- funcionan como protección y como marcadores de recono- conversión de las formas α y β. cimento. • Entre los derivados de monosacáridos se incluyen los azú- • Los proteoglucanos consisten principalmente en largas ca- cares fosforilados; los azúcares con grupos amino o carboxi- denas de glucosaminoglucano que pueden comprimirse y lato o con grupos hidroxilo extras; y los desoxiazúcares. recuperar su forma. 11-2. Polisacáridos • El peptidoglucano de las paredes celulares bacterianas está formado por oligosacáridos y péptidos con enlaces cruzados. • La lactosa consta de galactosa unida a glucosa por un enlace β (1 4). La sacarosa consiste en glucosa unida a fructosa por un enlace α(1 2) β. • El almidón es un polímero lineal de residuos glucosa uni- dos por enlaces α(1 4); el glucógeno contiene además GLOSARIO Aldosa Enantiómeros Oligosacárido con enlace O Anómero α Enlace glucosídico Pentosa Anómero β Epímero Peptidoglucano Azúcar D Glucano Polisacárido Azúcar L Glucómica Proteoglucano Azúcar no reductor Glucosidasa Proyección de Fischer Azúcar reductor Glucósido Proyección de Haworth Biopelícula Glucosiltransferasa Quiralidad Carbohidrato Hexosa Tetrosa Cetosa Monosacárido Triosa Disacárido Oligosacárido con enlace N Trisacárido PROBLEMAS 11-1. Monosacáridos 3. ¿Cuántos estereoisómeros son posibles para una a) cetopentosa, b) cetohexosa y c) cetoheptosa? 1. La glucosa puede ser descrita como una aldohexosa. Utilice 4. ¿Qué tipo de isomería representa cada par de azúcares? terminología similar para describir los siguientes azúcares: a) d-sorbosa y d-psicosa. (a) CH2OH (b) CH2OH CH2OH CH2OH HCOH CO CO CO HOCH HCOH H C OH H C OH CHO HCOH H C OH HO C H CH2OH H C OH H C OH 2. Identifique el o los monosacáridos presentes en coenzima A, CH2OH CH2OH NAD y FAD (véase figura 3-4). D-Psicosa D-Sorbosa Problemas | 293

b) d-sorbosa y d-fructosa. metílicos. Escriba la estructura del producto que resulta cuando el c) d-fructosa y l-fructosa. compuesto formado en la parte a) se trata con ácido acuoso fuerte. d) d-ribosa y d-ribulosa (la estructura se muestra en el problema 1b) 18. Cuando un monosacárido desconocido se trata con yoduro de 5. ¿Qué tipo de isómeros son la α-d-glucosa y β-d-glucosa? metilo seguido por un ácido fuerte acuoso (problema 17), el produc- to es 2,3,5,6-tetra-O-metil-d-glusosa. Escriba una estructura de 6. ¿Cuáles de los siguientes son isómeros de la glucosa? a) glucosa Haworth del monosacárido no modificado. 6-fosfato, b) fructosa, c) galactosa, d) ribosa. 11-2. Polisacáridos 7. La manosa es el epímero C2 de la glucosa. Trace su estructura. 19. Explique por qué la lactosa es un azúcar reductor, mientras 8. ¿Cuál anómero de la manosa es más estable, el α o β? que la sacarosa no lo es. 9. Realice una reacción de ciclización con galactosa y trace las es- 20. La celobiosa es un disacárido formado por dos monómeros de tructuras de Haworth de los dos productos de reacción posibles. glucosa unidos por un enlace glucosídico β(1 4). Trace la estruc- tura de la celobiosa. ¿Es ésta un azúcar reductor? 10. Como la glucosa, la ribosa puede experimentar una reacción de ciclización con su grupo aldehído y el grupo hidroxilo de C5 para 21. Se muestra la estructura de la trehalosa. ¿Es ésta un azúcar formar un anillo de seis miembros. Trace las estructuras de los dos reductor? productos de reacción posibles. CH2OH 11. La ribosa puede experimentar una reacción de ciclización dis- tinta de la presentada en el problema 10. En este caso, el grupo alde- H O hído reacciona con el grupo hidroxilo de C4. Trace las estructuras de H H los dos productos de reacción posibles. ¿Cuál es el tamaño del anillo? OH H 12. a) Como la glucosa, la fructosa puede experimentar una reac- HO ción de ciclización. En la reacción más común intervienen el grupo cetona y el hidroxilo de C5. Escriba las estructuras de los dos pro- H HO O ductos de reacción posibles. ¿Cuál es el tamaño del anillo? H HOCH2 O b) Repita el ejercicio descrito en la parte a), pero utilice ahora el H grupo hidroxilo de C6. ¿Cuál es el tamaño del anillo resultante? HH OH 13. Una enzima reconoce sólo el anómero α de la glucosa como sustrato y lo convierte en producto. Si la enzima se añade a una HO mezcla de los anómeros α y β, explique por qué todas las moléculas de azúcar en la muestra finalmente se convertirán en producto. H OH 14. Como se describe en el texto, una solución de moléculas de 22. La trehalasa es una enzima que cataliza la hidrólisis del enlace glucosa consiste en alrededor de 64% de anómero β y 36% de anó- que une los dos residuos monosacárido de la trehalosa (problema 21). mero α. ¿Por qué la mezcla no es 50% de anómero β y 50% de Trace las estructuras de los productos de reacción de la trehalasa. anómero α? En otras palabras, por qué es favorecido el anómero β? 23. Proponga una estructura para el disacárido maltosa que sea 15. Cuando la glucosa de la sangre entra en una célula,enzimas consistente con la información que sigue: La hidrólisis completa intracelulares la convierten en glucosa 6-fosfato. Esta estrategia da sólo produce d-glucosa; reduce el cobre(II) a Cu2O, y es hidrolizada por resultado la “captura” de la glucosa en la célula. Explique. por una α-glucosidasa, pero no por β-glucosidasa. 16. Durante el horneado, los azúcares reductores reaccionan con 24. Un disacárido desconocido se somete a metilación con CH3I proteínas del alimento para generar aductos de color pardo y sabores seguida por hidrólisis ácida (problema 17). La reacción genera diferentes (ésta es la razón por la cual el pan tostado se hace más 2,3,4,6-tetra-O-metil-d-glucosa y 2,3,4-tri-O-metil-d-glucosa. Es- oscuro y sabe diferente). El primer paso en este proceso es una con- criba la estructura del disacárido desconocido. densación entre un grupo carbonilo y uno amino. Por ejemplo, el carbono carbonilo de la glucosa puede condensarse con el grupo ε- 25. El azúcar alcohol sorbitol se usa a veces en lugar de sacarosa amino de una cadena lateral de lisina para formar una base de Schiff. para endulzar alimentos procesados. Los alimentos endulzados con Escriba el producto de esta reacción. sorbitol tienen menor contenido calórico que los endulzados con sacarosa. Explique por qué. 17. a) Si se agrega metanol a un azúcar en presencia de un cataliza- dor ácido, sólo se metila el grupo hidroxilo anomérico, como se mues- 26. Una amiga le dice que planea comer mucho apio porque oyó tra en la figura 11-2. Si se emplea un agente metilador más fuerte, que la digestión de esta hortaliza consume más calorías de las que la como yoduro de metilo, CH3I, todos los grupos hidroxilo se metilan. planta contiene, y esto le ayudará a adelgazar. ¿Qué le responderá? Escriba el producto que resulta cuando se agrega yoduro de metilo a una solución de α-d-glucosa. b) Si el producto que se formó en la 27. Se atribuye a la presencia del oligosacárido rafinosa (abajo) en parte a) se trata con una solución acuosa de ácido fuerte, el grupo el frijol la producción de flatulencia cuando se consume esa legumi- metilo glucosídico se hidroliza con facilidad, pero no así los éteres nosa. La rafinosa no digerida es atacada por bacterias del intestino grueso, que producen gas como subproducto metabólico. ¿Por qué el humano es incapaz de digerir la rafinosa? 294 | CAPÍTULO 11 Carbohidratos

CH2OH rebanada de papa se torna azul, pero cuando la gota de yodo se colo- ca en una rebanada de manzana, el color de la solución permanece HO O amarillo. Explique por qué. H H 33. Explique por qué a veces se agrega pectina (recuadro 11-A) a OH H Rafinosa extractos de fruta para elaborar mermeladas y jaleas. HO H HO CH2 O HHOCH2 OH 34. La hemicelulosa es otro polisacárido vegetal. No es un deriva- H H O do de la celulosa, sino un heteropolímero aleatorio de diversos mo- H H HO nosacáridos. Los residuos más abundantes son d-xilosa (recuadro HO OH CH2OH 11-A), y están unidos por enlaces glucosídicos β(1 4). Escriba la estructura de un disacárido de hemicelulosa consistente en d-xilosa. H OH HO H 11-3. Glucoproteínas 28. Científicos de Singapur inyectaron un extracto enzimático del hongo R. oligosporus a frijoles de soya antes de permitir la germina- 35. Identifique los sacáridos con enlaces N y O de la página 289. ción de ést os. Después de tres días, la concentración de rafinosa ¿Son los enlaces glucosídicos α o β? (problema 27) disminuyó en grado notable. (Como un beneficio adicional, la concentración de isoflavonas, que previenen el cancer, 36. Un enlace O-glucosídico común de un oligosacárido con una aumentó en los frijoles de soya.) ¿Qué enzimas deben haber estado glucoproteína es β-galactosil-(1 3)-α-N-acetilgalactosil-Ser. Es- presentes en el hongo? criba la estructura del oligosacárido y su enlace con la glucoproteína. 29. En un homopolímero, todos los monómeros son iguales, y en 37. Identifique los monosacáridos progenitores del disacárido sul- un heteropolímero son diferentes. ¿Cuáles de los polisacáridos des- fato de condroitina (figura 11-9) e identifique los enlaces entre ellos. critos en este capítulo son homopolímeros y cuáles heteropolímeros? 38. Calcule la carga neta de una molécula de sulfato de condroi- 30. ¿Cuántos extremos reductores hay en una molécula de amilo- tina que contiene 100 unidades disacárido. pectina de papa que contiene 500 000 residuos con una ramifica- ción cada 250 residuos? 39. El colágeno aislado de un gusano de una chimenea hidroter- mal de mar profundo contiene un residuo treonina glucosilada en la 31. En vez de almidón, algunas plantas producen inulina, que es posición “Y” del triplete repetitivo (Gly-X-Y)n. Un residuo galactosa un polímero de residuos fructosa con enlace β(2 1). Escriba la se une de manera covalente a la treonina vía un enlace β-glucosídico. estructura de un disacárido de inulina. Escriba la estructura del residuo treonina galactosilada. 32. Cuando se suspende amilosa en agua en presencia de I2, se 40. En el pasado se creía que las proteínas glucosiladas sólo se en- produce un color azul debido a la capacidad del yodo de ocupar el contraban en células eucarióticas, pero en fechas recientes se encontra- interior de la hélice. Una gota de solución de yodo (amarilla) en una ron glucoproteínas en células procariótas. Se demostró que la proteína flagelina de la bacteria grampositiva L. monocytogenes se glucosila con una sola N-acetilglucosamina hasta en seis diferentes residuos serina o treonina en la proteína. Trace la estructura de este enlace. BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA Glycobiology 2002;12:43R-56R. [Describe las diferentes mane- ras en que los carbohidratos se unen a proteínas.] Aoki-Kinoshita KF: An introduction to bioinformatics for glycomics research, PLoS Comput. Biol. 2008;4, doi: 10.1371/ Taylor KR, Gallo RL: Glycosaminoglycans and their proteo- journal. pcbi.1000075 (2008). [Describe algunos de los métodos glycans: host-associated molecular patterns for initiation and empleados para caracterizar estructuras de carbohidratos.] modulation of inflammation, FASEB J. 2006;20:9-22. [Incluye una revisión de la estructura de los proteoglucanos.] Kolter R, Greenberg P: The superficial life of microbes, Na- ture 2006;441:300-302. [Una breve revisión de las biopelículas bacterianas.] Spiro RG: Protein glycosylation: nature, distribution, enzyma- tic formation, and disease implications of glycopeptide bonds, 11-3 Glucoproteínas | 295

METABOLISMO capítulo Y ENERGÍA LIBRE 12 El microorganismo Methanococcus janaaschii es una criatura extraña. Coloniza chimeneas hidrotermales ricas en azufre, y se desarrolla a temperaturas entre 48 y 94 °C y presiones de más de 200 atm. Y aun en estas condiciones inusuales, enfrenta los mismos desafíos que todos los organismos: la necesidad de obtener, almacenar y transformar energía libre por medio de actividades metabólicas. ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO EEste capítulo da inicio a una serie de ocho en que se exploran algunos de los prin- cipales temas del metabolismo, los procesos por los cuales los organismos consu- men y producen materia y energía en la síntesis y degradación de biomoléculas. Va mucho más allá de los alcances de este libro presentar un catálogo de todas las reacciones metabólicas realizadas por plantas, animales y bacterias. En cambio, sólo se examinarán algunos procesos metabólicos comunes, concentrándose principal- mente en los sistemas de los mamíferos. En este capítulo se presenta un panorama general del modo en que las moléculas que ya se han examinado (aminoácidos, nucleótidos, carbohidratos y lípidos) se degradan, reensamblan y transforman en otras sustancias. También se examinarán el significado y el cometido de la energía libre en las reacciones metabólicas. ■ 296 |

Catabolismo Macromoléculas Anabolismo Figura 12-1. Catabolismo y Energía anabolismo. Las reacciones catabólicas libre (de degradación) generan energía libre y moléculas pequeñas que pueden usarse en reacciones anabólicas (sintéticas). El metabolismo es la suma de todos los procesos catabólicos y anabólicos. Bloques de construcción Organismos como Methanococcus janaaschii se conocen como quimioautótrofos (del griego trofe, “nutrición”) porque obtienen todas sus materias primas metabólicas y energía libre de los compuestos inorgánicos simples CO2, N2, H2 y S2. Los fotoau- tótrofos, como las plantas verdes, necesitan poco más que CO2, H2O, una fuente de nitrógeno y luz solar. En contraste los heterótrofos, un grupo que incluye a los animales, obtienen todas sus materias primas y su energía libre de manera directa o indirecta de compuestos orgánicos producidos por quimioautótrofos o fotoautótro- fos. A pesar de sus diferentes estrategias tróficas, todos los organismos tienen estruc- tura celular notablemente parecida, producen los mismos tipos de biomoléculas y utilizan enzimas similares para formar y degradar esas moléculas. Las células degradan o catabolizan moléculas grandes para generar energía libre y moléculas pequeñas. Las células utilizan entonces la energía libre y las moléculas pe- queñas para reconstruir moléculas más grandes, un proceso denominado anabolismo (figura 12-1). El conjunto de todas las actividades catabólicas y anabólicas constituye el metabolismo del organismo. En los siguientes capítulos se examinarán algunos procesos catabólicos que generan energía libre y algunos procesos anabólicos que la consumen. Pero primero se presentarán algunos de los principales participantes mole- culares del metabolismo, incluidos los precursores y los productos de la degradación, y se explorará más a fondo el significado de la energía libre en los sistemas biológicos. 12-1. Alimento y combustible Al ser heterótrofos, los mamíferos dependen de alimentos producidos por otros orga- CONCEPTOS CLAVE nismos. Después de que el alimento se digiere y absorbe, se convierte en una fuente de • Las macromoléculas del alimento energía metabólica y materiales para sustentar el crecimiento y otras actividades del animal. La alimentación de los humanos incluye los cuatro tipos de moléculas bioló- se hidrolizan, y los productos gicas presentadas en la sección 1-2 y descritas con mayor detalle en capítulos anterio- monoméricos se absorben en el res. Esas moléculas a menudo se encuentran como polímeros macromoleculares, es intestino. decir, proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y triacilgliceroles (en sentido estricto • Las células almacenan ácidos las grasas no son polímeros, dado que las unidades poliméricas no se unen entre sí sino grasos, glucosa y aminoácidos en a glicerol). La digestión reduce los polímeros a sus componentes monoméricos: ami- la forma de polímeros. noácidos, nucleótidos, monosacáridos y ácidos grasos. La degradación de nucleótidos • Los combustibles metabólicos no genera cantidades significativas de energía libre metabólica, por lo que se dedicará pueden movilizarse por más atención al catabolismo de los otros tipos de biomoléculas. degradación de glucógeno, triacilgliceroles y proteínas. Los productos de la digestión son captados por células La digestión ocurre extracelularmente en boca, estómago e intestino delgado y es catalizada por enzimas hidrolíticas (figura 12-2). Por ejemplo, la amilasa salival co- mienza por degradar almidón, que consiste en polímeros lineales de residuos glucosa (amilosa) y polímeros ramificados (amilopectina; véase sección 11-2). Las proteasas gástricas y pancreáticas (incluidas tripsina, quimotripsina y elastasa; véase sección 6-4) degradan proteínas a péptidos pequeños y aminoácidos. Las lipasas sintetizadas por el páncreas y secretadas en el intestino delgado catalizan la liberación de ácidos 12-1 Alimento y combustible | 297

(a) CH2OH CH2OH (b) RO RO HH O HH O NH CH C NH CH C H H O OH H O OH H O H2O H OH H OH RO ϩ RO H2O NH CH C OϪ ϩ CH C H3N H CH2OH HH CH2OH (c) CH2 CH CH2 O O ϩ O O OO H CO C OC O H OH HO H O R RR OH H OH H H OH H OH H2O OϪ CH2 CH CH2 OϪ C O ϩ OH O OH ϩ C O R CO R R Figura 12-2. Digestión de biopolímeros. Estas reacciones hidrolíticas son sólo unas pocas de las que ocurren durante la digestión de alimento. En cada ejemplo, el enlace por escindir se muestra en rojo. a) Las cadenas de residuos glucosa del almidón son hidrolizadas por amilasas. b) Las proteasas catalizan la hidrólisis de enlaces peptídicos en las proteínas. c) Las lipasas hidrolizan los enlaces éster que unen ácidos grasos al esqueleto de glicerol de los triacilgliceroles. grasos a partir de triacilgliceroles. Los lípidos, no hidrosolubles, no se mezclan libre- mente con las otras moléculas digeridas, sino que en cambio forman micelas (véase figura 2-7). Los productos de la digestión son absorbidos por las células que recubren el intes- tino. Los monosacáridos ingresan en las células vía transportadores activos como el sistema Na+-glucosa que se esquematiza en la figura 9-14. Sistemas simport similares introducen aminoácidos y dipéptidos y tripéptidos en las células. Algunos lípidos muy hidrófobos se difunden a través de la membrana celular; otros requieren de transportadores. Dentro de la célula, los productos de la digestión de triacilglicerol vuelven a formar triacilgliceroles, y algunos ácidos grasos se unen a colesterol para formar ésteres de colesterilo, por ejemplo: H3C CH3 CH3 CH3 CH3 O CO (CH2)16 CH3 Estearato de colesterilo 298 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

Triacilgliceroles y ésteres de colesterilo se empacan junto con proteínas específicas para formar lipoproteínas. Estas partículas, conocidas de manera específica como quilomicrones, se liberan en la circulación linfática antes de pasar al torrente sanguí- neo para su suministro a los tejidos. Sustancias hidrosolubles como aminoácidos y monosacáridos abandonan las cé- lulas intestinales y entran en la vena porta, que drena el intestino y otros órganos viscerales y lleva directamente al hígado. Por tanto, el hígado recibe el grueso de los nutrimentos de una comida y los cataboliza, los almacena o libera de vuelta al to- rrente sanguíneo. El hígado también capta quilomicrones y reempaca los lípidos con diferentes proteínas para formar otras lipoproteínas, las cuales circulan por el cuer- po, llevando colesterol, triacilgliceroles y otros lípidos (las lipoproteínas se conside- ran con mayor detalle en el capítulo 17). Los monómeros se almacenan como polímeros Después de una comida, las concentraciones circulantes de compuestos monoméri- cos son relativamente altas. Todas las células pueden captar estos materiales en alguna medida para satisfacer sus necesidades inmediatas, pero algunos tejidos se especializan en el almacenamiento a largo plazo de nutrimentos. Por ejemplo, los ácidos grasos se utilizan para formar triacilgliceroles, algunos de los cuales viajan en la forma de li- poproteínas al tejido adiposo. Aquí, los adipocitos captan los triacilgliceroles y los almacenan como glóbulos de grasa intracelulares. Dado que la masa de lípido es hi- drófoba y no interfiere en las actividades del citoplasma acuoso, el glóbulo de grasa puede ser enorme, y ocupar la mayor parte del volumen del adipocito. Practicamente todas las células pueden captar monosacáridos y catabolizarlos de inmediato para obtener energía libre. Algunos tejidos, en particular hígado y mús- culo (que constituyen una porción significativa del cuerpo humano), utilizan mono- sacáridos para sintetizar glucógeno, el polímero de almacenamiento de glucosa. El glucógeno es un polímero muy ramificado con forma compacta. Varias moléculas de glucógeno pueden agruparse para formar gránulos que son visibles por microscopia electrónica (figura 12-3). La estructura ramificada del glucógeno significa que una molécula individual puede expandirse con rapidez, añadiendo residuos glucosa a sus cuantiosas ramas, y degradarse también con prontitud, retirando glucosa de manera simultánea de los extremos de varias ramas. La glucosa que no se convierte en parte del glucógeno puede catabolizarse a unidades acetilo de dos carbonos y conver- tirse en ácidos grasos para almacenamiento como triacilgliceroles. (a) Figura 12-3. Estructura del glucógeno. a) Representación esquemática de una molécula de glucógeno. Cada círculo representa un monómero de glucosa, y la ramificación ocurre cada 8 a 14 residuos. b) Micrografía electrónica de un hepatocito con gránulos de glucógeno (en rosa). Las mitocondrias se ven verdes, y un glóbulo de grasa, amarillo. (©CNRI/Science Photo Library/Photo Researchers.) 12-1 Alimento y combustible | 299

Los aminoácidos pueden usarse para formar polipéptidos. Las proteínas no son moléculas especializadas en el almacenamiento de aminoácidos del modo en que el glucógeno lo es para la glucosa y los triacilgliceroles para los ácidos grasos, así que los aminoácidos no pueden reservarse para uso posterior. Sin embargo, en ciertos casos, como en la inanición, se catabolizan proteínas para satisfacer las necesidades de ener- gía del organismo. Si la ingesta de aminoácidos excede las necesidades de formación de proteína inmediatas del cuerpo, los aminoácidos sobrantes pueden degradarse y convertirse en carbohidrato (el cual se almacena como glucógeno) o transformarse en unidades acetilo (que entonces se convierten en grasa). Se requieren tanto aminoácidos como glucosa para sintetizar nucleótidos. Asp, Gln y Gly aportan algunos de los átomos de carbono y nitrógeno que se usan para formar las bases purínicas y pirimidínicas (véase sección 18-3). El componente ribo- sa 5-fosfato de los nucleótidos proviene de la glucosa en una vía que convierte el azúcar de seis carbonos en otro de cinco carbonos (véase sección 13-4). En resumen, la asignación de recursos dentro de una célula depende del tipo de tejido y de su necesidad de formar estructuras celulares, generar energía libre o almacenar recursos en anticipación de necesidades futuras. Los combustibles se movilizan conforme se les requiere Aminoácidos, monosacáridos y ácidos grasos se conocen como combustibles meta- bólicos porque pueden degradarse por un proceso que genera energía libre para las actividades celulares. Después de una comida, glucosa y aminoácidos libres se cata- bolizan para disponer de su energía libre. Cuando esos suministros de combustible se agotan, el cuerpo moviliza sus recursos almacenados; esto es, convierte sus molé- culas de almacenamiento polisacárido y triacilglicerol (y a veces proteína) en sus unidades monoméricas respectivas. La mayoría de los tejidos corporales hacen uso preferencial de glucosa como combustible metabólico primario, y el sistema ner- vioso central no puede emplear casi ninguna otra molécula. En respuesta a esta de- manda, el hígado moviliza glucosa degradando glucógeno. En general, las reacciones de despolimerización son hidrolíticas, pero en el caso del glucógeno, la molécula que rompe los enlaces entre residuos glucosa no es agua sino fosfato. Así, la degradación del glucógeno se denomina fosforolisis. Esta reac- ción es catalizada por glucógeno fosforilasa, que libera residuos desde los extremos de las ramas del polímero glucógeno. CH2OH CH2OH CH2OH O HH O HH O HH O H H H ϪO P OH ϩ OH H OH H OH H OϪ HO O O O H OH H OH H OH Glucógeno CH2OH CH2OH CH2OH O OO HH H HH H HH H OH H ϩ OH H OH H HO OPO32Ϫ HO O O H OH H OH H OH Glucosa 1-fosfato 300 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

El grupo fosfato de glucosa 1-fosfato se elimina antes que la glucosa se libere a la Figura 12-4. Estructura del centro circulación desde el hígado. Otros tejidos absorben glucosa de la sangre. En la enfer- del proteasoma de la levadura. Esta medad llamada diabetes mellitus esto no ocurre, y la concentración de glucosa vista en corte muestra la cámara interna, circulante puede ser elevada. donde ocurre la proteólisis. Complejos proteínicos adicionales (no se muestran) Sólo cuando el suministro de glucosa disminuye el tejido adiposo moviliza sus ayudan al ingreso de proteínas en el reservas de grasa. Una lipasa hidroliza triacilgliceroles de modo que se liberan ácidos proteasoma. Las estructuras en rojo grasos en el torrente sanguíneo. Estos ácidos grasos libres no son hidrosolubles, y por indican las posiciones de tres sitios con tanto se unen a proteínas circulantes. Excepto por el corazón, que utiliza ácidos actividad de proteasa. (Cortesía de Robert grasos como su principal combustible, el cuerpo no cuenta con los medios para usar ácidos grasos de esta manera. En general, mientras los carbohidratos y aminoácidos Huber, Max-Plank-Institut fur Biochemie, del alimento puedan satisfacer las necesidades de energía del organismo, la grasa al- Alemania.) macenada no se movilizará, incluso si los alimentos consumidos casi no contienen grasa. Esta característica del metabolismo del combustible de los mamíferos es una Figura 12-5. Ubiquitina. Varias copias fuente de sufrimiento para muchas personas que se someten a dieta. de esta proteína de 76 residuos se unen a residuos Lys en las proteínas que serán Los aminoácidos no se movilizan para generar energía excepto durante el ayuno, degradadas por un proteasoma. Los cuando las reservas de glucógeno se agotan (en esta situación, el hígado también átomos se colorean por código: C verde, puede convertir algunos aminoácidos en glucosa). Sin embargo, las proteínas celula- O rojo, N azul y H blanco. (Estructura res se degradan y reconstruyen de manera continua con la demanda cambiante de enzimas, transportadores, elementos citosqueléticos y otras moléculas específicas. [pdb 1UBQ] determinada por S. Vijay-Kumar, Existen dos mecanismos principales para degradar proteínas que no son necesarias. C.E. Bugg y W.J. Cook.) En el primero el lisosoma, un organelo que contiene proteasas y otras enzimas hi- drolíticas, rompe las proteínas que están contenidas en una vesícula membranosa. Las proteínas de membrana y extracelulares captadas por endocitosis se degradan por esta vía, pero las proteínas intracelulares que quedan incluidas en vesículas tam- bién pueden descomponerse por acción de enzimas lisosómicas. Una segunda vía para degradar proteínas intracelulares requiere de una estructura en forma de barril llamada proteasoma. El centro de 700 kD de este complejo mul- tiproteínico contiene una cámara interna con múltiples sitios activos que realizan la hidrólisis de enlaces peptídicos (figura 12-4). Una proteína puede ingresar en el pro- teasoma sólo después de que se ha unido a ella de manera covalente una pequeña marca proteínica llamada ubiquitina. Esta proteína de 76 residuos es ubiqua (de ahí su nombre) y altamente conservada en las eucariotas (figura 12-5). La ubiquitina se une a una proteína por la acción de un conjunto de enzimas que unen el extremo C terminal de la ubiquitina a una cadena lateral de Lys. Después se añaden más molécu- las de ubiquitina a la primera, cada una unida por su extremo C terminal a una cade- na lateral de Lys de la ubiquitina previa. Se requiere una cadena de al menos cuatro ubiquitinas a fin de marcar una proteína para su destrucción por un proteasoma. No se comprenden del todo las características estructurales que permiten la ubi- quitinación de una proteína, pero el sistema es lo suficientemente complejo para permitir la destrucción de proteínas defectuosas o innecesarias al tiempo que se res- petan proteínas esenciales. Una tapa en el extremo del barril proteasómico (no se muestra en la figura 12-4) regula la entrada de proteínas ubiquitinadas en la cámara interna. La energía libre del ATP hace posible cambios conformacionales que al pa- recer ayudan a desplegar la proteína por destruir, de modo que sea más fácil de hi- drolizar. Las moléculas de ubiquitina en sí no son degradadas; en cambio se desprenden y vuelven a utilizarse. Los tres sitios con actividad de proteasa del inte- rior del proteasoma escinden el sustrato polipeptídico no desplegado, liberando pép- tidos de unos ocho residuos que pueden difundirse fuera del proteasoma (figura 12-6). Estos péptidos son hidrolizados aún más por peptidasas citosólicas, de modo que los aminoácidos pueden catabolizarse o reciclarse. REPASO DE CONCEPTOS • Resuma los pasos por los cuales los nutrimentos de las moléculas de alimento llegan a los tejidos corporales. • ¿Cuáles son los combustibles metabólicos y cómo se almacenan? • ¿Cómo se movilizan los combustibles metabólicos? • Describa las vías para la degradación intracelular de proteínas. 12-1 Alimento y combustible | 301

Figura 12-6. Degradación de Poliubiquitina proteínas por el proteasoma. Proteasoma Proteína Una cadena de moléculas de ubiquitina lleva una proteína al proteasoma ATP El polipéptido se despliega a ADP + Pi medida que ingresa en el proteasoma Los sitios con actividad de proteasa dentro del proteasoma escinden el polipéptido en péptidos pequeños que salen por difusión 12-2. Vías metabólicas CONCEPTOS CLAVE La interconversión de un biopolímero y sus unidades monoméricas suele realizarse en • Unos cuantos metabolitos sólo uno o unos cuantos pasos catalizados por enzimas. En contraste, se requieren muchos pasos para degradar los compuestos monoméricos o ensamblarlos a partir de intervienen en varias vías precursores más pequeños. Estas series de reacciones se conocen como vías metabóli- metabólicas. cas. Una vía metabólica puede considerarse desde varios puntos de vista: como una • Coenzimas como NAD+ y serie de intermediarios o metabolitos, como un conjunto de enzimas que catalizan las ubiquinona captan electrones de reacciones que interconvierten metabolitos, como un fenómeno que produce o re- compuestos que se oxidan. quiere energía, o como un proceso dinámico que puede activarse o desactivarse. Cuan- • Las vías metabólicas de las células do se exploren las vías metabólicas en los siguientes capítulos se abordarán estos temas. están conectadas y son reguladas. • Varias vitaminas, sustancias que el Algunas vías metabólicas importantes comparten ser humano no puede sintetizar, pocos intermediarios comunes son componentes de coenzimas. Uno de los desafíos de estudiar el metabolismo es tratar el extenso número de reac- ciones que ocurren en una célula, en las que intervienen miles de intermediarios diferentes. Sin embargo, un puñado de metabolitos aparecen como precursores o productos en las vías que conducen hacia o desde casi todos los demás tipos de bio- moléculas. Vale la pena examinar aquí estos intermediarios, ya que reaparecerán va- rias veces en los siguientes capítulos. 302 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

En la glucólisis, la vía que degrada el monosacárido glucosa, el azúcar de seis carbo- Glucosa nos se fosforila y escinde por la mitad, lo que genera dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato (figura 12-7). Este compuesto es convertido entonces en varios pasos más en OH otra molécula de tres carbonos, piruvato. La descarboxilación del piruvato (eliminación C de un átomo de carbono en la forma de CO2) produce acetil-CoA, en la cual un grupo acetilo, de dos carbonos, está unido a la molécula portadora coenzima A (CoA). H C OH CH2OPO23Ϫ El gliceraldehído 3-Fosfato, piruvato y acetil-CoA son participantes clave en otras vías metabólicas. Por ejemplo, el gliceraldehído 3-fosfato es el precursor metabólico Gliceraldehído 3-fosfato del esqueleto de glicerol (de tres carbonos) de los triacilgliceroles. En las plantas, también es el punto de entrada para el carbono “fijado” por la fotosíntesis; en este O OϪ caso, dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato se combinan para formar un mono- C sacáridos de seis carbonos. El piruvato puede experimentar una reacción reversible CO de transferencia de un grupo amino para generar alanina: CH3 COOϪ COOϪ Piruvato CO ϩ CoA CO CH3 H3N C H CH3 Piruvato CH3 Acetil-CoA Alanina Figura 12-7. Algunos intermediarios que resultan del catabolismo de la Esto hace al piruvato tanto un precursor de un aminoácido como el producto de la glucosa. degradación de otro. El piruvato también puede ser carboxilado a oxalacetato, un precursor de cuatro carbonos de otros aminoácidos: COOϪ COOϪ C O ϩ CO2 CH3 CO Piruvato CH2 COOϪ Oxalacetato Los ácidos grasos se forman por la adición secuencial de unidades de dos carbonos derivados de acetil-CoA; la degradación de ácidos grasos genera acetil-CoA. Estas rela- ciones se resumen en la figura 12-8. Si no se usan para sintetizar otros compuestos, los intermediarios de dos carbonos pueden degradarse a CO2 en el ciclo del ácido cítrico, una vía metabólica esencial para el catabolismo de combustibles metabólicos. Glucosa CO2 Gliceraldehído 3-fosfato Aminoácidos Oxalacetato Piruvato Alanina Triacilgliceroles Acetil-CoA Ácidos grasos CO2 Figura 12-8. Algunas de las funciones metabólicas de los intermediarios comunes. 12-2 Vías metabólicas | 303

Varias vías metabólicas incluyen reacciones redox En general, el catabolismo de aminoácidos, monosacáridos y ácidos grasos es un proceso de oxidación de átomos de carbono, y la síntesis de estos compuestos im- plica la reducción de carbono. Recuerde de la sección 1-3 que la oxidación es la pérdida de electrones y la reducción es la ganancia de electrones. Las reacciones de oxidación-reducción, o redox, ocurren en pares, de modo que cuando un com- puesto se oxida (cede electrones) otro se reduce (recibe esos electrones). Para las reacciones metabólicas que aquí se exponen, la oxidación de átomos de carbono con frecuencia se observa como la sustitución de enlaces C–H (en los cuales los átomos de C y H comparten por igual los electrones de enlace) por enlaces C–O (en los cuales los átomos de O, más electronegativos, “atraen” los electrones con más fuerza que los átomos de C). El carbono ha cedido algunos de sus electrones, aunque éstos aún participan en un enlace covalente. La transformación del metano en dióxido de carbono representa la conversión de carbono desde su estado más reducido hasta su estado más oxidado: H HCH OCO H De modo similar, ocurre oxidación durante el catabolismo de los ácidos grasos, cuan- do grupos metileno saturados (–CH2–) se convierten en CO2 y cuando los carbonos de un carbohidrato (representados como CH2O) también se convierten en CO2: HCH OCO H C OH OCO Lo contrario de ambos procesos –conversión de los carbonos de CO2 en los carbo- nos de ácidos grasos o carbohidratos– es un proceso de reducción (esto es lo que ocurre por ejemplo durante la fotosíntesis). Para transformar CO2 en carbohidrato (CH2O) se requiere el aporte de energía libre (p. ej.; luz solar). Por tanto, los carbonos reducidos del carbohidrato represen- tan una forma de energía libre almacenada. Esta energía se recupera cuando las cé- lulas degradan el carbohidrato de vuelta a CO2. Por supuesto, tal conversión metabólica no ocurre de una sola vez, sino en muchos pasos catalizados por enzima. Al seguir vías metabólicas que incluyen reacciones redox, es posible examinar el estado redox de los átomos de carbono, y también rastrear la trayectoria de los elec- trones que se transfieren durante la reacción redox. En algunos casos eso es directo, como cuando un ion metálico oxidado como el hierro gana un electrón (representa- do como e–) para reducirse. Fe3ϩ ϩ eϪ Fe2ϩ Pero en algunos casos un electrón viaja junto con un protón como un átomo de H, o un par de electrones viajan con un protón como un ion hidruro (H–). Cuando se oxida una molécula de combustible metabólico, sus electrones pueden transferirse a un compuesto como el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+) o el fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADP+). La es- tructura de estos nucleótidos se muestra en la figura 3-4B. NAD+ y NADP+ son ejemplos de cofactores o coenzimas, compuestos orgánicos que permiten a una enzima realizar una reacción química específica (véase sección 6-2). La porción con actividad redox de NAD+ y NADP+ es el grupo nicotinamida, que acepta un ion hidruro para formar NADH o NADPH. 304 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

HO O HH C NH2 ϩ HϪ C NH2 ϩ N N R R NAD(P)H NAD(P)ϩ (Reducido) (Oxidado) Esta reacción es reversible, de modo que los cofactores reducidos pueden oxidarse liberando un ion hidruro. En general, el NAD+ participa en reacciones catabólicas y el NADP+ en reacciones anabólicas. Dado que estos portadores electrónicos son so- lubles en solución acuosa, pueden viajar por toda la célula, transportando electrones desde compuestos reducidos hacia compuestos oxidados. Muchas reacciones redox celulares ocurren en las superficies de membranas, por ejemplo en las membranas internas de mitocondrias y cloroplastos en eucariotas y en la membrana plasmática de las procariotas. En estos casos, una enzima asociada a membrana puede transferir electrones de un sustrato a un portador electrónico lipo- soluble como la ubiquinona (coenzima Q, que se abrevia Q; véase sección 8-1). La cola hidrófoba de la ubiquinona, que en los mamíferos contiene 10 unidades isopre- noide de cinco carbonos, le permite difundirse dentro de la membrana. La ubiqui- nona puede captar 1 o 2 eletrones (en contraste con el NAD+, que es estrictamente un portador de dos electrones). Una reducción de un electrón de la ubiquinona (adición de un átomo de H) produce una semiquinona, que es un radical libre esta- ble (que se representa QH·). Una reducción de dos electrones (dos átomos de H) genera ubiquinol (QH2): O H3CO CH3 CH3 H3CO (CH2 CH C CH2)10H O Ubiquinona (Q) [H ] O H3CO CH3 H3CO R OH Ubisemiquinona (QH ) [H ] H3CO OH CH3 H3CO R OH Ubiquinol (QH2) 12-2 Vías metabólicas | 305

El ubiquinol reducido puede entonces difundirse a través de la membrana para donar sus electrones en otra reacción redox. Las vías catabólicas, como el ciclo del ácido cítrico, generan cantidades considerables de cofactores reducidos. Algunos de ellos se reoxidan en reacciones anabólicas. El resto se reoxidan por un proceso que es acompañado de la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi. En los mamíferos, la reoxidación de NADH y QH2 y la producción concomitante de ATP requiere la reducción de O2 a H2O. Esta vía se conoce como fosforilación oxidativa. Molécula de Cofactor H2O combustible oxidado reducida Molécula de Cofactor O2 combustible reducido oxidada En efecto, NAD+ y ubiquinona captan electrones (y por tanto energía libre) de mo- léculas de combustible reducidas. Cuando los electrones se transfieren en última instancia al O2, esta energía libre se cosecha en la forma de ATP. Las vías metabólicas son complejas Hasta aquí se han delineado los fundamentos del metabolismo del combustible en los mamíferos, en los cuales se almacenan y movilizan macromoléculas de modo que sus unidades monoméricas pueden descomponerse en intermediarios más pequeños. Estos intermediarios pueden degradarse aún más (oxidarse) y sus electrones ser cap- tados por cofactores. También se mencionaron brevemente reacciones anabólicas (sintéticas) en las cuales los intermediarios comunes de 2 y 3 carbones dan origen a compuestos más grandes. En este punto es posible presentar esta información de manera esquemática a fin de destacar algunas características importantes del meta- bolismo (figura 12-9). 1. Todas las vías metabólicas están interconectadas. En una célula, una vía meta- bólica no opera de manera aislada; sus sustratos son los productos de otras vías, y viceversa. Por ejemplo, los NADH y QH2 generados por el ciclo del ácido cítrico son los materiales de partida para la fosforilación oxidativa. 2. La actividad de las vías metabólicas es regulada. Las células no sintetizan polí- meros cuando los monómeros son escasos. A la inversa, no catabolizan combus- tibles cuando la necesidad de ATP es baja. El flujo (de intermediarios) por una vía metabólica es regulada de diversas maneras conforme a la disponibilidad de sustrato y la necesidad celular de los productos de esa vía. El flujo también res- ponde a señales extracelulares que activan cinasas, fosfatasas y segundos mensaje- ros intracelulares. La regulación de las vías reviste especial relevancia cuando la operación simultánea de dos procesos opuestos, como la síntesis y degradación de ácidos grasos, sería dispendiosa. 3. No todas las células realizan todas las vías metabólicas. La figura 12-10 es un mosaico de varios procesos metabólicos, y una célula o un organismo dados pue- den realizar sólo un subconjunto de ellos. Los mamíferos no realizan la fotosínte- sis, y sólo pueden sintetizar glucosa en hígado y riñones a partir de precursores distintos de los carbohidratos. 4. Cada célula tiene un repertorio metabólico único. Además de las vías delinea- das en la figura 12-10, que están centradas en el metabolismo del combustible, las células realizan una multitud de reacciones biosintéticas que no se muestran de manera explícita. Tales vías contribuyen a las capacidades metabólicas únicas de diferentes células y organismos (recuadro 12-A). 5. Los organismos pueden ser metabólicamente interdependientes. Los organis- mos fotosintéticos y los heterótrofos que los consumen son un ejemplo obvio de complementariedad metabólica, pero existen otros ejemplos, en especial en el 306 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

BIOPOLÍMEROS Figura 12-9. Esquema del Proteínas Ácidos nucleicos Polisacáridos Triacilgliceroles metabolismo. En este diagrama compuesto, las flechas descendentes 1 representan procesos catabólicos, y las flechas ascendentes representan procesos MONÓMEROS anabólicos. Las flechas rojas indican Aminoácidos Nucleótidos Monosacáridos Ácidos grasos algunas reacciones redox importantes. Se resaltan los principales procesos NH4+ metabólicos: 1) los polímeros biológicos (proteínas, ácidos nucleicos, NAD+ 2 NAD+ polisacáridos y triacilgliceroles) se construyen a partir de monómeros y se INTERMEDIARIOS degradan a éstos (aminoácidos, DE 2 Y 3 nucleótidos, monosacáridos y ácidos grasos). 2) Los monómeros se degradan CARBONOS a intermediarios de 2 o 3 carbonos como gliceraldehído 3-fosfato, piruvato NAD+, Q Ciclo Fotosíntesis y acetil-CoA, que son los precursores de del otros compuestos biológicos. 3) La ácido 5 degradación completa de moléculas cítrico biológicas genera compuestos inorgánicos como NH3, CO2 y H2O. 3 Estas sustancias son devueltas al depósito de intermediarios por procesos carbonos como la fotosíntesis. 4) Los portadores de electrones (NAD+ y ubiquinona) 4 aceptan los electrones liberados de combustibles metabólicos (aminoácidos, NADH, QH2 monosacáridos y ácidos grasos) a O2 medida que éstos se degradan y luego se ADP oxidan por completo en el ciclo del ácido cítrico. 5) Los cofactores 6 Fosforilación oxidativa reducidos (NADH y QH2) son necesarios para varias reacciones de ATP síntesis. 6) La reoxidación de cofactores reducidos impulsa la producción de H2O ATP a partir de ADP + Pi (fosforilación NAD+, Q oxidativa). mundo microbiano. Determinados organismos metanógenos, como M. janaas- chii (que generan metano como producto de desecho), viven en estrecha proximi- dad con especies metanótrofas (que consumen CH4 como combustible); ninguno de esos organismos puede sobrevivir sin el otro. Los humanos también exhiben cooperativismo interespecífico: miles de diferentes microorganismos, en particu- lar bacterias, viven en la superficie o el interior del cuerpo humano. En conjunto, estas especies representan millones de diferentes genes y de manera correspon- diente una amplia gama de actividades metabólicas. Un esquema como el de la figura 12-9 no refleja la verdadera complejidad del metabolismo celular, que ocurre en un ambiente cargado de múltiples sustratos, enzimas competidoras y estratos de mecanismos regulatorios. Además, la figura 12-9 no incluye ninguna de las reacciones implicadas en la transmisión y decodificación de la información genética (estos temas se cubren en la sección final del libro). Sin embargo, un diagrama como en de la figura 12-9 es una herramienta útil para ma- pear las relaciones entre procesos metabólicos, y se hará referencia a él en los capítu- los siguientes. Bases de datos en línea dan información adicional sobre vías metabólicas, enzimas, intermediarios y enfermedades metabólicas (véase el Proyecto de bioinformática 4, Vías metabólicas). 12-2 Vías metabólicas | 307

RECUADRO 12-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA El metaboloma revela la actividad metabólica de una célula La mayoría de las vías de síntesis y degradación de los bloques de comprenden moléculas no alimenticias como toxinas, conservado- res, fármacos y sus productos de degradación. Los metabolitos construcción fundamentales de la célula son similares en eucario- suelen detectarse mediante cromatografía en columna, resonancia magnética nuclear (RMN) o espectrometría de masa. En el ejemplo tas, bacterias y arqueas, de conformidad con sus orígenes evolutivos que se ilustra, son visibles unos 20 metabolitos en un espectro de RMN de 1H de una muestra de 10 μL de cerebro de rata. en común (véase sección 1-4). Esta herencia compartida es una Como se ha hecho en el caso de la genómica, la proteómica y ventaja, porque la información obtenida al estudiar el metabolismo otras áreas de la bioinformática, los datos de metabolómica se depositan en bases de datos de acceso público para recuperación y de organismos relativamente simples puede aplicarse a organismos análisis. Se tiene la esperanza de que la metabolómica permita afinar el diagnóstico de enfermedades al proporcionar un perfil más complejos. Por supuesto, la capacidad de un organismo de metabólico completo de la orina o la sangre de un paciente. Entre las aplicaciones industriales se incluye la vigilancia de procesos realizar un proceso metabólico específico, como la fotosíntesis o la biológicos como la producción de vinos y la biorremediación (uso de microorganismos para destoxificar ambientes contaminados). fijación de nitrógeno, refleja su constitución genética. Las capaci- dades metabólicas completas de algunos organismos han podido dilucidarse sólo después de secuenciar los genomas de los organis- mos y de identificar los genes para diversas enzimas. Si bien los métodos genómicos para describir el metabolismo son útiles, no revelan lo que realmente ocurre dentro de las células. Esta incertidumbre es en especial problemática en el estudio de los orga- nismos multicelulares, en los cuales los genes NAA están presentes pero no se expresan en todos los PCho Cr tejidos. Incluso una instantánea del proteoma de Cr GPC PCr Asc una célula (el conjunto de proteínas presentes en NAAG un instante) puede ser engañosa, dado que las PCr Gln Tau Glu proteínas pueden exhibir diferentes grados de Glu Gln GABA PE Ins Ala Lac actividad en diferentes condiciones. Glc AsNp AA La metabolómica intenta definir de manera precisa la actividad metabólica real en una célula o un tejido identificando y cuantificando todos 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm sus metabolitos, es decir, su metaboloma. Ésta Perfil metabólico de cerebro de rata. (Cortesía de Raghavendra no es una tarea trivial, ya que puede haber decenas Rao, University of Minnesota, Minneapolis.) de miles de compuestos presentes en una célula, y sus concentracio- nes pueden variar en muchos órdenes de magnitud. Estas sustancias El metabolismo humano depende de las vitaminas El humano carece de muchas de las vías biosintéticas que existen en plantas y micro- organismos y por tanto depende de otras especies para obtener determinadas materias primas. Algunos aminoácidos y ácidos grasos insaturados se consideran esenciales porque el cuerpo humano no puede sintetizarlos y deben obtenerse de los alimentos (cuadro 12-1). Las vitaminas también son compuestos que los humanos necesitan, pero no pueden producir. Se supone que las vías para sintetizar esas sustancias, que requieren de enzimas especializadas, no son necesarias para los organismos heteró- trofos y se han perdido en el transcurso de la evolución. La palabra vitamina proviene de amina vital, un término acuñado por Casimir Funk en 1912 para describir compuestos orgánicos que se requieren en pequeñas cantidades para mantener la salud. Resulta que la mayoría de las vitaminas no son aminas, pero el nombre permaneció. En el cuadro 12-2 se enumeran las vitaminas y sus funciones meta- bólicas. Las vitaminas A, D, E y K son lípidos; sus funciones se describieron en el recuadro 8-A. Varias de las vitaminas hidrosolubles son precursores de coenzimas, que se describirán cuando se les encuentre en el contexto de sus reacciones metabólicas específicas. Las vita- minas son un grupo diverso de compuestos, cuyos descubrimiento y caracterización fun- cional constituyen algunos de los episodios más coloridos en la historia de la bioquímica. 308 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

CUADRO 12-1 | Algunas sustancias esenciales para el humano Aminoácidos Linoleato Ácidos grasos Colina Otra Linolenato CH3(CH2)4(CHPCHCH2)2(CH2)6COOϪ (CH3)3NϩCH2CH2OH Isoleucina CH3CH2(CHPCHCH2)3(CH2)6COOϪ Leucina Lisina Metionina Fenilalanina Treonina Triptófano Valina Gran cantidad de vitaminas se descubrieron en estudios de deficiencias nutricio- nales. Uno de los primeros vínculos entre nutrición y enfermedad se observó hace siglos en marinos que sufrían de escorbuto, una enfermedad caracterizada por aflo- jamiento de los dientes, lesiones en la piel y cicatrización deficiente de heridas. Los médicos de la marina británica observaron que el jugo de cítricos curaba el escorbu- CUADRO 12-2 | Vitaminas y sus funciones Vitaminas Producto coenzimático Función bioquímica Enfermedad Referencia Hidrosolubles carencial humana en el texto Ácido ascórbico (C) Ascorbato Cofactor para la hidroxilación Escorbuto Sección 12-2 Biotina (B7) de colágeno * Cobalamina (B12) Biocitina Anemia Sección 13-1 Ácido fólico Cofactor para reacciones de Anemia Ácido lipoico Coenzimas cobalamina carboxilación * Sección 17-1 Nicotinamida (niacina, B3) Pelagra Ácido pantoténico (B5) Tetrahidrofolato Cofactor para reacciones de * Sección 18-2 Piridoxina (B6) alquilación * Riboflavina (B2) Lipoamida * Sección 14-1 Tiamina (B1) Cofactor para reacciones de Beriberi Liposolubles Coenzimas nicotinamida transferencia de un carbono Figura 3-4, Sección (NADϩ, NADPϩ) 12-2 Coenzima A Cofactor para reacciones de Figura 3-4, Sección transferencia de acilo 12-3 Fosfato de piridoxal Sección 18-1 Cofactor para reacciones Coenzimas flavina redox Figura 3-4, Sección (FAD, FMN) 14-2 Pirofosfato de tiamina Cofactor para reacciones de Sección 14-1 transferencia de acilo Recuadro 8-A Cofactor para reacciones de Recuadro 8-A transferencia de grupos amino Recuadro 8-A Cofactor para reacciones Recuadro 8-A redox Cofactor para reacciones de transferencia de aldehído Vitamina A (retinol) Pigmento que absorbe luz Ceguera Vitamina D Raquitismo Hormona que promueve la Vitamina E (tocoferol) absorción de Ca2+ * Vitamina K (filoquinona) Hemorragias Antioxidante *La deficiencia es rara o no se ha observado en humanos. Cofactor para la carboxilación de proteínas de la caogulación sanguínea 12-2 Vías metabólicas | 309

to en marinos cuya alimentación carecía de frutas y vegetales. Con el tiempo, el in- grediente activo se identificó como ácido ascórbico (vitamina C): OO OH C CH2OH HO OH H Ácido ascórbico (vitamina C) El ácido ascórbico es un cofactor para la enzima que hidroxila residuos Pro en el colágeno (véase sección 5-2). Una deficiencia de vitamina C impide la formación normal de fibrillas de colágeno, y causa los síntomas del escorbuto. Un estudio de la enfermedad llamada beriberi condujo al descubrimiento de la primera vitamina B. El beriberi, caracterizado por debilidad y tumefacción de los miembros inferiores, es causado por una deficiencia de tiamina (vitamina B1). NH2 H3C CH2 CH2 OH ϩ CH2 N S N C H3C NH Tiamina (vitamina B1 ) La tiamina actúa como grupo prostético en algunas enzimas esenciales, incluida la que convierte el piruvato en acetil-CoA. La cascarilla del arroz es rica en tiamina, y los individuos que se alimentan en gran medida de arroz pulido (sin cascarilla) pue- den desarrollar beriberi. Al principio se creyó que esa enfermedad era infecciosa, hasta que los mismos síntomas se observaron en pollos y en prisioneros alimentados con arroz pulido. La deficiencia de tiamina también puede ocurrir en alcohólicos crónicos y otras personas con alimentación deficiente y problemas de la absorción de nutrimentos. La niacina, un componente de NAD+ y NADP+, se identificó al principio como el factor faltante en la enfermedad por avitaminosis llamada pelagra. COOϪ N Niacina Los síntomas de la pelagra, incluidos diarrea y dermatitis, pueden aliviarse incre- mentando la ingesta del aminoácido esencial triptófano, que el humano puede con- vertir en niacina. La deficiencia de niacina alguna vez fue común en determinadas poblaciones que se alimentaban en mayor medida de maíz. Este grano es bajo en triptófano, y su niacina está unida de modo covalente a otras moléculas, por lo cual no es fácil de absorber durante la digestión. En mesoamérica, donde se originó el maíz, los granos suelen procesarse remojando o hirviéndolos en una solución alcali- na, un tratamiento que libera la niacina y previene la pelagra. Por desgracia, este método de preparación no se propagó a otras regiones del mundo que adoptaron el cultivo del maíz. La mayoría de las vitaminas se obtienen con facilidad de una alimentación balan- ceada, aunque la nutrición deficiente, en particular en regiones pobres del mundo, aún causa enfermedades por avitaminosis. Las bacterias intestinales, así como los alimentos de origen vegetal y animal, son las fuentes naturales de vitaminas. Sin embargo, las plantas no contienen cobalamina, por lo cual los individuos que siguen dietas vegetarianas están en mayor riesgo de desarrollar deficiencia de cobalamina. 310 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

REPASO DE CONCEPTOS • ¿Por qué son tan importantes en el metabolismo compuestos como gliceraldehído 3-fosfato, piruvato y acetil-CoA? • ¿Cuál es la función de cofactores como NAD+ y ubiquinona en las reacciones metabólicas? • ¿Por qué es importante reoxidar NADH y QH2 mediante oxígeno molecular? • Resuma las principales características de las vías metabólicas. • Explique la relación entre vitaminas y coenzimas. 12-3. Cambios de energía libre en las reacciones metabólicas Se ha presentado la idea de que las reacciones catabólicas tienden a liberar energía CONCEPTOS CLAVE libre y que las anabólicas tienden a consumirla (figura 12-1), pero de hecho, todas • El cambio de energía libre de una las reacciones in vivo ocurren con un decremento neto de energía libre; esto es, ΔG siempre es menor de cero (la energía libre se considera en la sección 1-3). En una reacción depende de la constante célula, las reacciones metabólicas no ocurren de manera aislada sino que están co- de equilibrio para la reacción y de nectadas, de modo que la energía libre de una reacción termodinámicamente favo- las concentraciones reales de las rable puede transferirse a una segunda reacción desfavorable para permitir que especies reaccionantes. ocurra. ¿Cuál es la naturaleza de esta energía libre y cómo se transfiere? La energía • Una reacción con un cambio libre no es una sustancia o la propiedad de una molécula individual, por lo que es muy negativo de energía libre engañoso decir que una molécula o un enlace de esa molécula tienen gran cantidad puede acoplarse a otra reacción de energía libre. Más bien, la energía libre es una propiedad de un sistema, y cambia desfavorable. cuando el sistema experimenta una reacción química. • Una reacción que rompe un enlace fosfoanhídrido en el ATP ocurre El cambio de energía libre depende de las con un cambio grande de energía concentraciones de reactivos libre. • Las células también utilizan la El cambio de energía libre de un sistema se relaciona con las concentraciones de las energía libre de otros compuestos fosforilados, tioésteres, sustancias reaccionantes. Cuando una reacción como A + B C + D está en equi- cofactores reducidos y gradientes electroquímicos. librio, las concentraciones de los cuatro reactivos definen la constante de equili- • Reacciones fuera del equilibrio a menudo sirven como puntos de brio, Keq, para la reacción: control metabólico. K eq ϭ [C]eq[D]eq [A]eq[B]eq (los corchetes indican la concentración molar de cada sustancia). Recuérdese que en el equilibrio, las velocidades de las reacciones hacia la derecha y hacia la izquierda están balanceadas, de modo que no ocurre cambio neto en la concentración de nin- gún reactivo (equilibrio no significa que las concentraciones de reactivos y produc- tos sean iguales). Cuando el sistema no está en equilibrio, los reactivos experimentan una fuerza impulsora para alcanzar los valores de equilibrio. Esta fuerza es el cambio de energía libre estándar para la reacción, ΔG°´, que se define como: ΔG°´ ϭ ϪRT ln Keq [12-2] Se emplea la ecuación 12-2 para calcular ΔG°´ a partir de Keq, y viceversa. CUADRO 12-3 | Estado estándar R es la constante de los gases (8.3145 J · K–1 · mol–1) y T es la temperatura en kelvin. bioquímico Recuérdese de la sección 1-3 que la energía libre tiene unidades de joule por mol. Temperatura 25ЊC (298 K) Por convención, las mediciones de energía libre estándar son válidas en condicio- Presión 1 atm nes estándar, esto es, temperatura de 25 °C (298 K) y presión de 1 atm (estas con- Concentración de diciones se indican mediante el símbolo de grado ( º ) después de DG). Para un reactivos 1M químico, las condiciones estándar especifican una actividad inicial de 1 para cada pH 7.0 reactivo (la actividad es la concentración del reactivo corregida para considerar su ([Hϩ] ϭ 10Ϫ7 M) comportamiento no ideal). Sin embargo, estas condiciones son imprácticas para los Concentración de agua 55.5 M bioquímicos, dado que la mayoría de las reacciones bioquímicas a un valor de pH 12-3 Cambios de energía libre en las reacciones metabólicas | 311

cercano al neutro (donde [H+] = 10–7 M y no 1 M) y en solución acuosa (donde [H2O] = 55.5 M). Las condiciones estándar bioquímicas se resumen en el cuadro 12-3. Los bioquímicos utilizan un símbolo “prima” para indicar el cambio de ener- gía libre estándar de una reacción en condiciones estándar bioquímicas. En la mayo- ría de las expresiones en condiciones de equilibrio, [H+] y [H2O] se fijan en 1, de modo que estos términos pueden omitirse. Y dado que las reacciones bioquímicas suelen ocurrir en soluciones diluidas de los reactivos, pueden usarse concentraciones molares en vez de actividades. Al igual que Keq, ΔG°´ es una constante para una reacción específica. Puede ser un valor positivo o negativo, e indica si la reacción puede ocurrir de manera espontánea (ΔG°´ < 0) o no (ΔG°´ > 0) en condiciones estándar. En una célula viva, reactivos y pro- ductos casi nunca se encuentran en concentraciones de estado estándares y la temperatu- ra puede no ser de 25 °C, sin embargo las reacciones ocurren con algún cambio de energía libre. De este modo, es importante distinguir el cambio de energía libre estándar de una reacción respecto de su cambio de energía libre real, ΔG. ΔG es una función de las concentraciones reales de los reactivos y de la temperatura (37 °C o 310 K en el hu- mano). ΔG se relaciona con el cambio de energía libre estándar para la reacción: Se emplea la ecuación 12-3 para calcular el cambio de ener- gía libre real de una reacción en condiciones celulares de tem- peratura y concentración de reactivos. En este caso, las cantidades entre corchetes representan las concentraciones no en equilibrio reales de los reactivos. El término de concentración en la ecuación 12-3 a veces recibe el nombre de cociente de acción de masas. Cuando la reacción está en equilibrio, ΔG = 0 y que equivale a la ecuación 12-2. Nótese que la ecuación 12-3 muestra que el criterio de espontaneidad para una reacción es ΔG, una propiedad de las concentraciones reales de los reactivos, y no la constante ΔG°´. Así, una reacción con cambio de energía libre estándar positivo (una reacción que no puede ocurrir cuando los reac- tivos se encuentran en concentraciones estándar) puede proceder in vivo, depen- diendo de las concentraciones de los reactivos en la célula (ejemplo de cálculo 12-1). Debe tenerse presente que la espontaneidad termodinámica no implica una reacción rápida. Aun una sustancia con fuerte tendencia a reaccionar (ΔG << 0) usualmente no sucederá sino hasta que en ella actúe una enzima que catalice la reacción. EJEMPLO DE CÁLCULO 12-1 El cambio de energía libre estándar para la reacción catalizada por fosfoglucomutasa. PROBLEMA HOCH2 Ϫ2O3POCH2 HH O H HH O H OPO32Ϫ OH H OH OH H HO HO H OH H OH Glucosa 1-fosfato Glucosa 6-fosfato Es de -7.1 kJ · mol–1. Calcular la constante de equilibrio para la reacción. Calcular ΔG a 37 °C cuando la concentración de glucosa 1-fosfato es de 1 mM y la con- centración de glucosa 6-fosfato es de 25 mM. ¿Es espontánea la reacción bajo estas condiciones? 312 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

La constante de equilibrio Keq puede deducirse reagrupando la ecuación 12-2. SOLUCIÓN K eq ϭ eϪ⌬G °‘/RT ϭ eϪ(Ϫ7100 JؒmolϪ1)/( 8.3145 JؒKϪ1ؒmolϪ1)(298 K) ϭ e 2.87 ϭ 17.6 a 37 ЊC, T ϭ 310 K. [glucosa-6-fosfato ] ⌬G ϭ ⌬G°‘ ϩ RT ln [glucosa-1-fosfato] ϭ Ϫ7.1 kJ ؒ molϪ1 ϩ (8.3145 J ؒ KϪ1 ؒ molϪ1) (310 K) ln (0.025/0.001) ϭ Ϫ7.1 kJ ؒ molϪ1 ϩ 8.3 kJ ؒ molϪ1 ϭ ϩ1.2 kJ ؒ molϪ1 La reacción no es espontánea, porque ΔG es mayor de cero. Las reacciones desfavorables se acoplan a reacciones favorables Una reacción bioquímica puede parecer al principio termodinámicamente prohi- bida debido a que su cambio de energía libre es mayor de cero. Y sin embargo, es posible que la reacción proceda in vivo si se acopla a una segunda reacción cuyo valor de ΔG sea muy grande y negativo, de modo que el cambio neto de energía libre para las reacciones combinadas es menor de cero. A menudo interviene ATP en tales procesos acoplados, debido a que sus reacciones ocurren con un cambio de energía libre negativo relativamente grande. El trifosfato de adenosina (ATP) contiene dos enlaces fosfoanhídrido (figura 12-11). La escisión de cualquiera de estos enlaces –es decir, la transferencia de uno o más de sus grupos fosforilo a otra molécula– es una reacción con un gran cambio negativo de energía libre estándar (en condiciones fisiológicas, ΔG es aún más negativo). Como punto de re- ferencia, los bioquímicos utilizan la reacción en la cual se transfiere un grupo fosforilo al agua; en otras palabras, la hidrólisis del enlace fosfoanhídrido, como: ATP ϩ H2O ADP ϩ Pi Ésta es una reacción espontánea con ΔG°´ de –30 kJ · mol–1. El siguiente ejemplo ilustra la función del ATP en una reacción acoplada. Consi- dérese la fosforilación de glucosa por fosfato +in1o3r.g8áknJic·om(HolP–1O): 42– o Pi), una reacción termodinámicamente desfavorable (ΔG°´ = Enlaces NH2 fosfoanhídrido NN OϪ OϪ OϪ N N ϪO P O P O P O CH2 O ␥ ␤␣ Figura 12-11. Trifosfato de OOO HH HH adenosina. Los tres grupos fosfato a veces se describen mediante las letras HO OH griegas α, β y γ. El enlace entre los Adenosina grupos fosforilo primero α y segundo β AMP y entre el segundo β y tercero γ es un ADP enlace fosfoanhídrido. Una reacción en ATP la cual 1 o 2 grupos fosforilo se transfieren a otro compuesto (una reacción en la que se rompe un enlace fosfoanhídrido) tiene valor muy negativo de ΔG°´. 12-3 Cambios de energía libre en las reacciones metabólicas | 313

CH2OH CH2OPO32Ϫ HH O H HH O H OH H ϩ Pi OH H ϩ H2O HO OH HO OH H OH H OH Glucosa Glucosa 6-fosfato Cuando esta reacción se combina con la reacción de hidrólisis de ATP, los valores de ΔG°´ para cada reacción se suman: Glucosa ϩ Pi Glucosa 6-fosfato ϩ H2O ΔG°´ ATP ϩ H2O ADP ϩ Pi ϩ13.8 kJ и molϪ1 Ϫ30.5 kJ и molϪ1 Glucosa ϩ ATP Glucosa 6-fosfato ϩ ADP Ϫ16.7 kJ и molϪ1 La reacción química neta, la fosforilación de glucosa, es termodinámicamente favo- rable (ΔG < 0). In vivo, esta reacción es catalizada por hexocinasa (véase sección 6-3), y se transfiere un grupo fosforilo del ATP directamente a la glucosa. El ATP no se hidroliza en realidad, y no hay un grupo fosforilo libre que flote alrededor de la en- zima. Sin embargo, escribir las dos reacciones acopladas, como se muestra antes, facilita ver lo que está ocurriendo desde el punto de vista termodinámico. Algunos procesos bioquímicos parecen ocurrir con la hidrólisis concomitante de ATP a ADP + Pi, por ejemplo la acción de miosina y cinesina (véase sección 5-3) o la bomba iónica de Na,K-ATPasa (véase sección 9-3). Pero un vistazo más de cerca revela que en todos estos procesos, en realidad se transfiere un grupo fosforilo de ATP a una proteína. Más tarde, el grupo fosforilo se transfiere a agua, de modo que la reacción neta asume la forma de hidrólisis de ATP. El mismo efecto de “hidrólisis” de ATP ocurre en algunas reacciones en las cuales el componente AMP del ATP (en vez de un grupo fosforilo) se transfiere a una sustancia, dejando pirofosfato inorgánico (PPi). La escisión del enlace fosfoanhídrido del PPi también tiene un gran valor negativo de ΔG°´. ¿Qué hay de especial en el ATP? Dado que el ATP parece impulsar tantas reacciones termodinámicamente desfavorables, resulta tentador pensar que el ATP es un agente que transfiere paquetes de energía libre en la célula. Éste es un motivo por el cual suele llamarse al ATP la moneda energética de la célula. La función general del ATP de conectar procesos exergónicos productores de ATP con procesos endergónicos consumidores de ATP puede esquematizarse como sigue: Nutrimento ADP ϩ Pi Producto Catabolismo Anabolismo Producto de desecho ATP Precursor En este esquema, parece que la “energía” del nutrimento catabolizado se transfiere a ATP, y luego la “energía” del ATP se transfiere a otro producto en una reacción bio- sintética. Sin embargo, la energía libre no es un objeto tangible, y no hay nada má- gico en el ATP. Los dos enlaces fosfoanhídrido del ATP se llaman a veces enlaces “de alta energía”, pero no son distintos de otros enlaces covalentes. Todo lo que importa 314 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

es que la ruptura de estos enlaces es un proceso con un gran cambio negativo de energía libre. Usando el ejemplo sencillo de la hidrólisis de ATP, es posible enunciar que se genera una gran cantidad de energía libre cuando se hidroliza ATP, porque los productos de la reacción tienen menos energía libre que los reactivos. Vale la pena examinar dos razones por las que esto es así. 1. Los productos de la hidrólisis de ATP son más estables que los reactivos. A pH fisiológico, el ATP tiene 3 a 4 cargas negativas (el pK es cercano a 7), y los grupos aniónicos se repelen entre sí. En los productos ADP y Pi, la separación de las cargas alivia algo de esta repulsión electrostática desfavorable. 2. Un compuesto con un enlace fosfoanhídrido experimenta menor estabiliza- ción por resonancia que sus productos de hidrólisis. La estabilización por re- sonancia refleja el grado de deslocalización electrónica en una molécula y puede evaluarse de manera aproximada a través del número de modos distintos de repre- sentar la estructura de la molécula. Existen pocas maneras equivalentes de disponer los enlaces del grupo fosforilo terminal del ATP de las que hay en el Pi libre. Grupo fosforilo terminal Fosfato inorgánico del ATP (Pi ) O O ϪO P ADP ϪO P OH OϪ OϪ O 2Ϫ O 3Ϫ O P ADP O P O иHϩ O O La energía libre puede asumir distintas formas CUADRO 12-4 | Cambio de energía libre El ATP no es la única sustancia que funciona como moneda energética en la célula. estándar para Otros compuestos que participan en reacciones con grandes cambios negativos de la hidrólisis energía libre pueden servir para el mismo fin. Por ejemplo, varios compuestos fosfo- de fosfato rilados aparte del ATP pueden ceder su grupo fosforilo a otra molécula. En el cuadro 12-4 se enumeran los cambios de energía libre estándar para algunas de estas reac- ciones en las cuales el grupo fosforilo se transfiere a agua. Aunque la hidrólisis del enlace que une el grupo fosfato al resto de la molécula podría ser un proceso dispendioso (el producto sería fosfato libre, Pi), los valores que se enumeran en el cuadro son una guía sobre el modo en que tales compuestos se comportarían en una reacción acoplada, como la reacción de hexocinasa descri- ta antes. Por ejemplo, la fosfocreatina tiene energía libre estándar de hidrólisis de –43.1 kJ · mol–1: ϩ O ϩ Compuesto ⌬GЊЈ (kJ и molϪ1) H2N H2N Fosfoenolpiruvato Ϫ61.9 1,3-Bisfosfoglicerato Ϫ49.4 C NH P OϪ H2O Pi C NH2 ATP n AMP ϩ PPi Ϫ45.6 Fosfocreatina Ϫ43.1 N CH3 OϪ N CH3 ATP n ADP ϩ Pi Ϫ30.5 Glucosa 1-fosfato Ϫ20.9 CH2 CH2 Glucosa 6-fosfato Ϫ13.8 Glicerol 3-fosfato COOϪ COOϪ Ϫ9.2 Fosfocreatina Creatina 12-3 Cambios de energía libre en las reacciones metabólicas | 315

La creatina tiene menor energía libre que la fosfocreatina dado que tiene dos en vez de una forma de resonancia; esta estabilización por resonancia contribuye al gran cambio negativo de energía libre que ocurre cuando la fosfocreatina transfiere su grupo fosforilo a otro compuesto. En los músculos, la fosfocreatina transfiere un grupo fosforilo a ADP para producir ATP (recuadro 12-B). Como el ATP, otros trifosfatos de nucleósido tienen energías libres estándares de hidrólisis muy negativas. El GTP y no el ATP sirve como moneda energética para re- acciones que ocurren durante la señalización celular (véase sección 10-2) y la síntesis de proteínas (véase sección 22-3). En la célula, los trifosfatos de nucleósido se intercon- RECUADRO 12-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA Activación de los músculos humanos En los músculos en reposo, cuando la demanda de ATP es baja, la ácido débil, y se produce dolor muscular a medida que el ácido se creatina cinasa cataliza la transferencia de un grupo fosforilo del acumula y el pH comienza a descender. Hasta este punto, el músculo ATP a la creatina para producir fosfocreatina: funciona de manera anaeróbica. Para continuar su actividad, debe cambiar al metabolismo aeróbico y oxidar más glucosa vía el ciclo del ATP + creatina fosfocreatina + ADP ácido cítrico. El músculo también cataboliza ácidos grasos, cuyos Esta reacción procede en sentido inverso (a la izquierda) productos también ingresan en el ciclo del ácido cítrico. Recuérdese cuando la concentración de ADP aumenta, como ocurre cuando la que dicho ciclo genera cofactores reducidos que deben ser reoxidados contracción muscular convierte ATP en ADP + Pi. De este modo, por oxígeno molecular. El metabolismo aeróbico de la glucosa y los la fosfocreatina actúa como una especie de depósito de grupos ácidos grasos es más lento que la glucólisis anaeróbica, pero genera fosforilo para mantener las existencias de ATP. Las células no bastante más ATP. pueden almacenar ATP; su concentración permanece notable- mente estable (entre 2 y 5 mM en la mayoría de las células) bajo Un atleta ocasional puede detectar el cambio del metabolismo niveles muy variables de demanda. Sin fosfocreatina, un músculo anaeróbico al aeróbico alrededor de un minuto y medio después. agotaría su suministro de ATP antes de poder reponerlo por otros En los atletas de clase mundial, el punto de cambio ocurre a unos procesos más lentos. 150 a 170 seg, que corresponden más o menos a la duración de La función potencial de conferir fuerza de la fosfocreatina ha una carrera de 1 000 metros. atraído algún interés comercial. La administración intravenosa de creatina al parecer mejora el rendimiento del músculo cardiaco en Los músculos de los corredores de velocidad tienen gran individuos con insuficiencia cardiaca congestiva, pero no hay capacidad para la generación anaeróbica de ATP, mientras que los pruebas sólidas de que los suplementos orales de creatina mejoren el músculos de los corredores de distancia (“fondistas”) están mejor desempeño muscular en atletas. adaptados para producir ATP de manera aeróbica. Tales diferencias Diferentes tipos de actividad física imponen diferentes demandas en el metabolismo de la energía son claramente visibles en los sobre los mecanismos de generación de ATP del músculo. Una oleada músculos del vuelo de las aves. Las aves migratorias, como los individual de actividad es impulsada por el ATP disponible. Las gansos, que impulsan sus largos vuelos principalmente con ácidos actividades que duran hasta unos pocos segundos requieren de grasos, tienen abundantes mitocondrias para realizar la fosforilación fosfocreatina para mantener el suministro de ATP. La fosfocreatina oxidativa. El color pardo rojizo de las mitocondrias da a los misma es limitada, por lo que la contracción muscular continua músculos del vuelo un color oscuro. Las aves que vuelan poco, debe depender de ATP producido por el catabolismo de glucosa como los pollos, tienen menos mitocondrias y músculos de color (obtenida de la reserva muscular de glucógeno) vía glucólisis. El más claro. Cuando estas aves vuelan, suelen hacerlo en una corta producto final de esta vía es el lactato, la base conjugada de un explosión de actividad que es activada por mecanismos anaeróbicos. 316 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

vierten libremente a través de reacciones como la catalizada por difosfato de nucleósido cinasa, que transfiere un grupo fosforilo de ATP a un difosfato de nucleósido (NDP): ATP ϩ NDP ADP ϩ NTP Dado que reactivos y productos son equivalentes desde el punto de vista energético, los valores de ΔG°´ para estas reacciones son cercanos a cero. Otra clase de compuestos que pueden generar una gran cantidad de energía libre en la hidrólisis son los tioésteres, como la acetil-CoA. La coenzima A es un derivado de nucleótido con una cadena lateral que termina en un grupo sulfhidrilo (SH) (véase figura 3-4a). Un grupo acilo o acetilo (de donde proviene la “A” del nombre de la coenzima A) se une al grupo sulfhidrilo por medio de un enlace tioéster. La hidrólisis de este enlace tiene valor de ΔG°´ de –31.5 kJ · mol–1, comparable con el de la hidrólisis de ATP: Enlace tioéster O H2O O CH3 C OϪ ϩ CoA SH CH3 C S CoA Acetil-CoA La hidrólisis de un tioéster es más exergónica que la hidrólisis de un éster ordinario (de oxígeno) porque los tioésteres tienen menor estabilidad por resonancia que los ésteres de oxígeno, debido al mayor tamaño de un átomo de S que uno de O. Un grupo acetilo unido a la coenzima A puede transferirse con facilidad a otra molécula debido a que la formación del nuevo enlace es activada por el cambio favorable de energía libre al romperse el enlace tioéster. Ya se ha visto que en las reacciones redox, cofactores como NAD+ y ubiquinona pueden captar electrones. Los cofactores reducidos son una forma de moneda ener- gética porque su reoxidación ulterior por otro compuesto ocurre con un cambio negativo de energía libre. En última instancia, la transferencia de electrones de un cofactor reducido a otro y finalmente a oxígeno, el aceptor final de electrones en muchas células, genera suficiente energía libre para impulsar la síntesis de ATP. Debe tenerse presente que los cambios de energía libre no ocurren sólo como resul- tado de cambios químicos como la transferencia de grupos fosforilo o de electrones. Como lo determina la primera ley de la termodinámica (véase sección 1-3), la energía puede asumir muchas formas. Se verá que la producción de ATP depende de la energía de un gradiente electroquímico, es decir, un desequilibrio en la concentración de una sustancia (en este caso protones) a ambos lados de la membrana. El cambio de energía libre que ocurre al disiparse este gradiente (permitir que el sistema se desplace hacia el equilibrio) se convierte en la energía mecánica de una enzima que sintetiza ATP. En células fotosintéticas, las reacciones químicas necesarias para generar carbohidratos son impulsadas en última instancia por los cambios de energía libre de reacciones en las cuales moléculas excitadas por luz se relajan a un estado de menor energía. La regulación ocurre en los pasos con los mayores cambios de energía libre En una serie de reacciones que constituyen una vía metabólica, algunas reacciones tienen valores de ΔG cercanos a cero. Estas reacciones cerca del equilibrio no están sujetas a una gran fuerza impulsora para proceder en uno u otro sentidos. Más bien, el flujo de intermediarios puede ocurrir a la derecha o a la izquierda, dependiendo de ligeras fluctuaciones en las concentraciones de reactivos y productos. Cuando las concentraciones de los metabolitos cambian, las enzimas que catalizan estas reaccio- nes cerca del equilibrio tienden a actuar con rapidez para restablecer el estado cer- cano al equilibrio. 12-3 Cambios de energía libre en las reacciones metabólicas | 317

Energía libreLas reacciones con cambios grandes de energía libre tienen un mayor camino que re- correr para alcanzar el equilibrio; éstas son las reacciones que experimentan la mayor “ur- gencia” para proceder hacia la derecha. Sin embargo, las enzimas que catalizan estas reacciones no permiten que la reacción alcance el equilibrio porque proceden con dema- siada lentitud. A menudo las enzimas ya están saturadas de sustrato, así que las reacciones no pueden ocurrir con mayor rapidez (cuando [S] >> KM, v ≈ Vmáx; véase sección 7-2). Las velocidades de estas reacciones alejadas del equilibrio limitan el flujo de intermediarios en toda la vía porque las reacciones actúan como represas. Represa ⌬G Reacciones cerca del equilibrio Vía metabólica Las células pueden regular el flujo de intermediarios por una vía ajustando la ve- locidad de una reacción con cambio grande de energía libre. Esto puede hacerse in- crementando la cantidad de enzima que cataliza esa paso o modificando la actividad intrínseca de la enzima por mecanismos alostéricos. Conforme más metabolito logra pasar la represa, las reacciones cerca del equilibrio avanzan con el flujo, lo cual per- mite que los intermediarios de la vía avancen hacia el producto final. La mayoría de las vías metabólicas carecen de un punto de control de flujo único, como lo podría sugerir la analogía de la represa. En cambio, el flujo suele ser controlado en varios puntos para asegurar que la vía pueda funcionar de modo eficiente como parte de la red metabólica completa de la célula. REPASO DE CONCEPTOS • ¿Por qué los cambios de energía libre deben ser negativos para las reacciones in vivo? • ¿Cuál es el cambio de energía libre estándar para una reacción y cómo se relaciona con la constante de equilibrio de la reacción? • Distinga entre ΔG y ΔG°´. ¿Cómo se relacionan entre sí? • ¿Por qué es engañoso referirse al ATP como una molécula de alta energía? • Explique por qué la escisión de los enlaces fosfoanhídrido del ATP genera grandes cantidades de energía libre. • ¿Cómo es que compuestos fosforilados, tioésteres y cofactores reducidos parecen transferir energía libre? ¿Qué otras formas de energía usan las células? • ¿Por qué las células controlan las reacciones metabólicas con grandes cambios de energía libre? RESUMEN 12-1. Alimento y combustible 12-2. Vías metabólicas • Las moléculas de alimento poliméricas como almidón, • Series de reacciones conocidas como vías metabólicas de- proteínas y triacilgliceroles se degradan a sus componentes gradan y sintetizan moléculas biológicas. Varias vías hacen monoméricos (glucosa, aminoácidos y ácidos grasos), que uso de los mismos intermediarios de molécula pequeña. se absorben. Estos materiales se almacenan como polímeros de manera específica de tejido. • Durante la oxidación de aminoácidos, monosacáridos y áci- dos grasos, se transfieren electrones a transportadores como • Los combustibles metabólicos se movilizan a partir de glu- NAD+ y ubiquinona. La reoxidación de los cofactores redu- cógeno, grasa y proteínas según sea necesario. cidos impulsa la síntesis de ATP por fosforilación oxidativa. 318 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

• Las vías metabólicas forman una red compleja, pero no to- de energía libre se relaciona con las concentraciones celula- das las células o todos los organismos realizan todos los pro- res reales de reactivos y productos. cesos metabólicos posibles. El humano depende de otros • Una reacción termodinámicamente desfavorable puede organismos para su suministro de vitaminas y otros mate- proceder cuando se acopla a un proceso favorable en que riales esenciales. intervenga ATP, cuyos enlaces fosfoanhídrido liberan gran cantidad de energía libre cuando se escinden. 12-3. Cambios de energía libre en las reacciones • Otras formas de energía celular son compuestos fosforila- metabólicas dos, tioésteres y cofactores reducidos. • Las células regulan vías metabólicas en los pasos más aleja- • El cambio de energía libre estándar para una reacción se dos del equilibrio. relaciona con la constante de equilibrio, pero el cambio real GLOSARIO Diabetes mellitus Metaboloma Estabilización por resonancia Metabolómica Anabolismo Flujo de intermediarios Movilización Cambio de energía libre estándar Fosforilación oxidativa Oxidación Fosforólisis Proteasoma (ΔG°´) Fotoautótrofo Quimioautótrofo Catabolismo Glucólisis Reacción redox Ciclo del ácido cítrico Heterótrofo Reducción Cociente de acción de masas Lipoproteína Tioéster Coenzima Lisosoma Vía metabólica Cofactor Metabolismo Vitamina Combustible metabólico Metabolito Compuesto esencial Condiciones estándar Constante de equilibrio (Keq) PROYECTO DE BIOINFORMÁTICA 4 Aprenda a usar las bases de datos BRENDA, KEGG y OMIM para explorar las enzimas, los intermediarios y las enfermedades asociados con vías metabólicas específicas. Vías metabólicas PROBLEMAS 3. La amilasa pancreática, similar a la amilasa salival, es secretada por el páncreas en el intestino delgado. El sitio activo de la amilasa 12-1 Alimento y combustible pancreática da cabida a cinco residuos glucosilo y escinde el enlace glucosídico entre en 2o y el 3er residuos. ¿Cuáles son los principales 1. Clasifique los siguientes organismos como quimioautótrofos, productos de la digestión de la amilasa? fotoautótrofos y heterótrofos: 4. Los monosacáridos, productos de la digestión de polisacáridos a) Hydrogenobacter, que convierte hidrógeno y oxígeno molecu- y disacáridos, ingresan en las células que recubren el intestino a tra- lares en agua. vés de un sistema de transporte especializado. ¿Cuál es la fuente de b) Adabidopsis thaliana, una planta verde. energía libre para este proceso de transporte? c) Las bacterias nitrificantes, que oxidan NH3 a nitrito. d) Saccharomyces cerevisiae, la levadura de cerveza. 5. La hidrólisis de proteínas comienza en el estómago, catalizada por e) Caenorhabditis elegans, un gusano nematodo. el ácido clorhídrico secretado en el estómago por las células parietales. f ) Las bacterias Thiothrix, que oxidan sulfuro de hidrógeno. Escriba la reacción que muestra la hidrólisis de un enlace peptídico. g) Las cianobacterias (erróneamente llamadas antes “algas ver- deazules”). 6. La escisión de enlaces peptídicos en el estómago es catalizada por ácido clorhídrico (problema 5) y por la enzima estomacal pepsi- 2. Las bacterias no sulfurosas púrpuras obtienen su energía celular na. La escisión de enlaces peptídicos continúa en el intestino delga- de un proceso fotosintético que no genera oxígeno. Estas bacterias do, catalizada por las enzimas pancreáticas tripsina y quimotripsina. requieren además una fuente de carbono orgánico. Basándose en los ¿A qué pH funciona de manera óptima la pepsina; esto es, a qué pH términos de este capítulo, acuñe un nuevo término para describir la estrategia trófica de este organismo. Problemas | 319

es máxima la Vmáx para la pepsina? ¿Es el pH óptimo para la pepsina 16. Para cada una de las reacciones (desbalanceadas) que se mues- distinto del correspondiente a tripsina y quimotripsina? Explique. tran, indique si el reactivo se oxida o se reduce. 7. El transporte de aminoácidos libres desde la luz intestinal hacia a) Una reacción de la vía glucolítica, catabólica: las células intestinales requiere de iones Na+. Trace un diagrama que ilustre el transporte de aminoácidos en esas células. OO 8. En la terapia de rehidratación oral (TRO), los pacientes que CH C OPO32Ϫ sufren de diarrea reciben una solución que contiene glucosa y elec- trólitos. Algunas formulaciones también contienen aminoácidos. H C OH H C OH ¿Por qué se agregan aminoácidos a la mezcla? CH2OPO32Ϫ HPO42Ϫ CH2OPO32Ϫ 9. La digestión de triacilgliceroles comienza en el estómago. La lipasa gástrica cataliza la hidrólisis del ácido graso del tercer carbono b) Una reacción de la vía de síntesis de ácidos grasos: del glicerol. H a) Escriba los reactivos y productos de esta reacción. R CH2 C C C SCoA b) La conversión del triacilglicerol en un diacilglicerol y un ácido HO graso promueve la emulsificación de grasas en el estómago; es de- cir, los productos se incorporan con mayor facilidad en micelas. R CH2 CH2 CH2 C SCoA Explique por qué. O 10. Las células que recubren el intestino delgado absorben coles- c) Una reacción asociada a la vía glucolítica, catabólica: terol pero no ésteres de colesterilo (página 298). Escriba la reacción OO catalizada por colesterilo esterasa que produce colesterol a partir de estearato de colesterilo. C OϪ C OϪ 11. a) Considere las propiedades físicas de una molécula de glu- CO H C OH cógeno, polar, y un agregado de triacilgliceroles hidrófobos. Sobre una base peso por peso, ¿por qué es la grasa una forma más eficiente CH3 CH3 de almacenamiento de energía que el glucógeno? d) Una reacción asociada a la vía de pentosa fosfato, anabólica: b) Explique por qué existe un límite superior para el tamaño de una molécula de glucógeno, pero no hay un límite superior para CH2OPO32Ϫ CH2OPO32Ϫ la cantidad de triacilgliceroles que un adipocito puede almacenar. HH O HH O 12. El glucógeno puede expandirse con rapidez mediante la adi- OH ción de residuos glucosa a sus múltiples ramas, y también puede degradarse con rapidez por el retiro simultáneo de glucosa de los OH H OH H O extremos de esas ramas. ¿Son las enzimas que catalizan esos procesos OH H específicas para los extremos reductores o no reductores del políme- OH ro glucógeno? Explique. H OH H OH 13. La reacción de fosforólisis que elimina residuos glucosa del glucógeno genera como producto glucosa 1-fosfato (página 300). 17. Para cada una de las reacciones mostradas en el problema 16, ¿Por qué es necesario retirar el grupo fosfato antes de que la glucosa identifique el cofactor como NAD+, NADP+, NADH o NADPH. salga de la célula para pasar a la circulación? 18. Los bromatólogos de la Ohio State University dieron a un gru- 14. Las enzimas hidrolíticas empacadas en los lisosomas membra- po de voluntarios salsa o ensalada con o sin aguacate, rico en lípidos, nosos funcionan todas de manera óptima a pH ‫ق‬5. Esta caracterís- y luego extrajeron muestras de sangre de manera periódica y midie- tica sirve como una “póliza de seguro” celular en caso de escape de ron las concentraciones de β-caroteno (recuadro 8-A). Observaron enzimas lisosómicas en el citosol. Explique. que los valores séricos de β-caroteno eran 2 a 15 veces mayores cuan- do los voluntarios consumían el alimento con aguacate. Explique 12-2 Vías metabólicas estos resultados. 15. Los intermediarios metabólicos comunes enumerados en el 19. Una enzima carboxilasa dependiente de vitamina K cataliza la cuadro que sigue aparecen como reactivos o productos en varias vías. γ-carboxilación de residuos glutamato específicos en proteínas de la Escriba una marca de verificación en el espacio correspondiente a la coagulación sanguínea. a) Trace la estructura de un residuo γ-car- vía apropiada para cada reactivo. boxiglutamato. b) ¿Por qué esta modificación postraduccional ayuda a las proteínas de la coagulación a fijar los iones Ca2+ necesarios para Ciclo del Metabolismo de la coagulación sanguínea? Glucólisis ácido cítrico ácidos grasos 20. La vitamina B12 es sintetizada por determinadas bacterias gas- trointestinales y también se encuentra en alimentos de origen animal Acetil-CoA como carne, leche, huevo y pescado. Cuando se consumen alimen- Gliceraldehído tos que contienen vitamina B12, ésta se libera del alimento y se une 3-fosfato a una proteína de unión a vitamina B12 llamada haptocorrina. El Piruvato complejo haptocorrina-vitamina B12 pasa del estómago al intestino delgado, donde la vitamina se libera de la haptocorrina y luego se Síntesis de Transaminación une a factor intrínseco (FI). El complejo FI-vitamina B12 ingresa a triacilgliceroles Fotosíntesis Acetil-CoA Gliceraldehído 3-fosfato Piruvato 320 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre