Bioquimica (2ed)

las células que recubren el intestino por endocitosis mediada por b) La oxidación de palmitato, un ácido graso saturado de 16 receptor. Con base en esta información, haga una lista de individuos carbonos, libera 9 781 kJ · mol–1. en mayor riesgo de deficiencia de vitamina B12. C16H32O2 ϩ 23 O2 16 CO2 ϩ 16 H2O 12-3 Cambios de energía libre en las reacciones metabólicas ¿Cuántos moles de ATP podrían producirse en condiciones están- dar a partir de la oxidación de un mol de palmitato, suponiendo 21. a) El valor de ΔG°´ para una reacción hipotética es de 10 kJ · una eficiencia aproximada de 33%? mol–1. Compare la Keq de esta reacción con la Keq de una reacción cuyo valor de ΔG°´ es del doble. c) Calcule el número de moléculas de ATP producidas por carbono para glucosa y palmitato. Explique las razones de la b) Realice el mismo ejercicio para una reacción hipotética cuyo diferencia. valor de ΔG°´ es de –10 kJ · mol–1. 28. Una mujer adulta de 57 kg debe consumir 2 000 kcal de ali- 22. En fecha reciente se determinaron la constante de equilibrio y mento al día. (Nota: 1 kilocaloría = 1 000 calorías. 1 caloría = 4.184 el ΔG°´ para la reacción de la arginina cinasa. J. Se recomienda evitar términos como “caloría grande” o “Caloría” para referirse a la kilocaloría.) Fosfoarginina ϩ ADP Arginina cinasa Arginina ϩ ATP a) Si esta energía se emplea para sintetizar ATP, calcule el núme- a) Diga cuál es el valor de la Keq para la reacción a 25 °C cuando ro de moles de ATP que se sintetizaría cada día en condiciones las concentraciones de equilibrio de los reactivos y productos son estándares (suponiendo eficiencia de 33%). como sigue: [fosfoarginina] = 0.737 mM, [ADP] = 0.750 mM, b) Calcule el número de gramos de ATP que se sintetizaría cada [arginina] = 4.78 mM, y [ATP] = 3.87 mM. día. La masa molar de ATP es de 505 g · mol–1. ¿Cuál es la masa b) ¿Cuál es el valor de ΔG°´ para esta reacción? ¿Es espontánea de ATP en kilogramos? en condiciones estándares? c) Hay alrededor de 40 g de ATP en la mujer adulta de 57 kg. Considerando este hecho y su respuesta a la parte (b), sugiera 23. Calcule ΔG para la hidrólisis de ATP en condiciones celulares, una explicación que sea consistente con esas observaciones. donde [ATP] = 3 mM, [ADP] = 1 mM, y [Pi] = 5 mM. 29. ¿Cuál de los compuestos enumerados en el cuadro 12-4 po- 24. El cambio de energía libre estándar para la reacción catalizada dría intervenir en una reacción acoplada a la síntesis de ATP a partir por triosa fosfato isomerasa es de 7.9 kJ · mol–1. de ADP + Pi? HH 30. ¿Cuál de los compuestos del cuadro 12-4 podría estar impli- cado en una reacción acoplada a la hidrólisis de ATP a ADP + Pi? CO H C OH 31. El citrato se isomeriza a isocitrato en el ciclo del ácido cítrico H C OH CO (véase capítulo 14). La reacción es catalizada por la enzima aconita- sa. El ΔG°´ de la reacción es de 5 kJ · mol–1. La cinética de la reac- CH2OPO23Ϫ CH2OPO23Ϫ ción se estudia in vitro, donde se agregan citrato 1 M e isocitrato 1 M a una solución acuosa de la enzima a 25 °C. Gliceraldehído 3-fosfato Dihidroxiacetona fosfato a) ¿Cuál es la Keq para la reacción? a) Calcule la constante de equilibrio para la reacción. b) ¿Cuáles son las concentraciones de equilibrio del reactivo y el b) Calcule ΔG a 37 °C cuando la concentración de gliceraldehí- producto? do 3-fosfato es de 0.1 mM y la concentración de dihidroxiaceto- c) ¿Cuál es el sentido preferente de la reacción en condiciones na fosfato es de 0.5 mM. estándar? c) ¿Es espontánea la reacción en estas condiciones? ¿Sería espon- d) La reacción de la aconitasa es el segundo paso de una vía de tánea la reacción inversa? ocho pasos y ocurre en el sentido que se muestra en la figura. ¿Cómo es posible reconciliar estos hechos con su respuesta a la 25. El ΔG°´ para la hidrólisis de ATP en condiciones estándar a parte c? pH 7 y en presencia de iones magnesio es de -30.5 kJ · mol–1. CH2 COOϪ CH2 COOϪ a) ¿Cómo cambiaría este valor si la hidrólisis de ATP se realizara HO C COOϪ Aconitasa HC COOϪ a un pH menor de 7? Explique. b) ¿Cómo cambiaría este valor si no hubiera iones magnesio CH2 COOϪ HO CH COOϪ presentes? Citrato Isocitrato 26. El ΔG°´ para la formación de UDP-glucosa a partir de gluco- sa 1-fosfato y UTP es de alrededor de cero. Y sin embargo la produc- 32. La constante de equilibrio para la conversión de glucosa 6-fos- ción de UDP-glucosa es altamente favorable. ¿Cuál es la fuerza im- fato en fructosa 6-fosfato es de 0.41. La reacción es reversible y cata- pulsora para esta reacción? lizada por la enzima fosfoglucosa isomerasa. glucosa 1-Fosfato ϩ UTP UDP– Glucosa ϩ PPi CH2OPO32Ϫ CH2OPO32Ϫ 27. a) La oxidación completa de glucosa libera una cantidad con- HH O Fosfoglucosa O CH2OH siderable de energía. El ΔG°´ para la reacción que sigue es de –2 850 H isomerasa kJ · mol–1. H HO H OH C6H12O6 ϩ 6 O2 6 CO2 ϩ 6 H2O OH H OH OH ¿Cuántos moles de ATP podrían producirse en condiciones están- dar a partir de la oxidación de un mol de glucosa, suponiendo una H OH OH H eficiencia aproximada de 33%? 6-Fosfato de glucosa 6-Fosfato de fructosa Problemas | 321

a) ¿Cuál es el ΔG°´ de esta reacción? ¿Procedería esta reacción en fructosa 6-fosfato ϩ Pi fructosa 1,6-Bisfosfato el sentido en que está escrita en condiciones estándar? ⌬G ЊЈ ϭ 47.7 kJ и molϪ1 b) ¿Cuál es el ΔG para esta reacción a 37 °C cuando la concen- a) ¿Cuál es el cociente de glucosa 1,6-bisfosfato sobre fructosa tración de glucosa 6-fosfato es de 2.0 mM y la concentración de 6-fosfato en el equilibrio si la concentración de fosfato en la fructosa 6-fosfato es de 0.5 mM? ¿Procedería la reacción en el célula es de 5 mM? sentido en que está escrita en estas condiciones celulares? b) Suponga que la fosforilación de fructosa 6-fosfato se acopla a la hidrólisis de ATP. 33. La conversión de glutamato en glutamina es desfavorable. A fin de que esta transformación ocurra en la célula, debe acoplarse a ATP ϩ H2O ADP ϩ Pi ⌬G ЊЈ ϭ 230.5 kJ и molϪ1 la hidrólisis de ATP. Considere dos posibles mecanismos: Escriba la nueva ecuación que describe la fosforilación de fruc- tosa 6-fosfato acoplada a la hidrólisis de ATP. Calcule el ΔG°´ Macanismo 1: glutamato ϩ NH3 glutamina para la reacción. ATP ϩ H2O c) ¿Cuál es el cociente de 1,6-bisfosfato de fructosa sobre fructo- ADP ϩ Pi sa 6-fosfato en equilibrio para la reacción que escribió en la parte Mecanismo 2: glutamato ϩ ATP γ-glutamilfosfato ϩ ADP (b) si la concentración de equilibrio de ATP = 3 mM y [ADP] = 1 mM? γ−glutamilfosfato ϩ H2O ϩ NH3 d) Escriba un párrafo conciso que resuma sus descubrimientos anteriores. Glutamina ϩ Pi e) Es posible concebir dos mecanismos para acoplar la hidrólisis de ATP con la fosforilación de fructosa 6-fosfato, lo que da por Escriba la ecuación global para la reacción de cada mecanis- resultado la misma reacción global: mo ¿Es un mecanismo más probable que el otro? ¿O son ambos Mecanismo 1: se hidroliza ATP al tiempo que el fructosa 6-fos- mecanismos igualmente factibles para la conversión de glutamato en fato se transforma en fructosa 1,6-bisfosfato: glutamina? Explique. fructosa 6-fosfato ϩ Pi fructosa 1,6-Bisfosfato 34. La fosforilación de glucosa a glucosa 6-fosfato es el primer paso de la glucólisis (véase capítulo 13). La fosforilación de glucosa ATP ϩ H2O ADP ϩ Pi por fosfato se describe en la siguiente ecuación: Mecanismo 2: el ATP transfiere su fosfato de manera directa al fructosa 6-fosfato en un paso, lo que produce fructosa 1,6-bis- Glucosa ϩ Pi glucosa 6-fosfato ϩ H2O fosfato. fructosa 6-fosfato ϩ ATP ϩ H2O ΔG°Ј ϭ ϩ13.8 kJ и molϪ1. a) Calcule la constante de equilibrio para la reacción anterior. fructosa 1,6-Bisfosfato ϩ ADP b) ¿Cuál sería la concentración de equilibrio de glucosa 6-fosfa- Elija uno de los mecanismos anteriores como el más factible to en las condiciones celulares de [glucosa] = [Pi] = 5 mM si la desde el punto de vista bioquímico y razone su elección. glucosa se fosforilara conforme a la reacción anterior? ¿Constitu- ye esta reacción una ruta factible con objeto de producir glucosa 36. El gliceraldehído 3-fosfato (GAP) es convertido en última ins- 6-fosfato para la vía glucolítica? tancia en 3-fosfoglicerato (3PG) en la vía glucolítica: c) Una manera de incrementar la cantidad de un producto de una reacción específica es elevar las concentraciones de los reac- HO tivos. Esto desplazaría el equilibrio hacia la derecha, conforme al principio de LeChatelier. Si la concentración celular de fosfato CO C OϪ fuera de 5 mM, ¿qué concentración de glucosa se requeriría a fin de alcanzar la concentración fisiológica normal de glucosa 6 H C OH H C OH fosfato, que es de 250 μM? ¿Sería esta ruta un método fisiológi- camente factible para aumentar la cantidad del producto glucosa CH2OPO23Ϫ CH2OPO32Ϫ 6-fosfato, dado que la solubilidad máxima de glucosa en un medio acuoso es menor de 1 M? gliceraldehído 3-Fosfato 3-Fosfoglicerato d) Otra manera de promover la formación de glucosa 6-fosfato es acoplar la fosforilación de glucosa a la hidrólisis de ATP: O C OPO32Ϫ Glucosa ϩ Pi glucosa 6-fosfato ϩ H2O ⌬GЊЈ ϭ 13.8 kJ и molϪ1 H C OH CH2OPO32Ϫ ATP ϩ H2O ADP ϩ Pi ⌬GЊЈ ϭ Ϫ30.5 kJ и molϪ1 1,3-Bisfosfoglicerato (1,3-BPG) Glucosa ϩ ATP glucosa 6-fosfato ϩ ADP Calcule Keq para la reacción global. Considere los dos escenarios siguientes: e) Cuando se realiza la fosforilación de glucosa dependiente de ATP, ¿qué concentración de glucosa se requiere a fin de alcanzar I. El GAP se oxida a 1,3-BPG (ΔG°´ = 6.7 kJ · mol–1), que más una concentración intracelular de glucosa 6-fosfato de 250 μM tarde se hidroliza para generar 3PG (ΔG°´ = –49.3 kJ · mol–1). cuando las concentraciones de ATP y ADP son de 5.0 mM y 1.25 mM, respectivamente? I. El GAP se oxida a 1,3-BPG, que entonces transfiere su fosfato f ) ¿Cuál ruta es más factible para la fosforilación de glucosa a a ADP, lo que genera ATP (ΔG°´ = –18.8 kJ · mol–1). glucosa 6-fosfato: la fosforilación directa por Pi o el acoplamien- to de esta fosforilación a la hidrólisis de ATP? Explique. Escriba las ecuaciones globales para los dos escenarios. ¿Cuál es más probable que se presente en la célula, y por qué? 35. La fructosa 6-fosfato se fosforila a 1,6-bisfosfato de fructosa como parte de la vía glucolítica. La fosforilación de fructosa 6-fosfa- 37. El palmitato se activa en la célula formando un enlace tioéster to por fosfato es descrita por la siguiente ecuación: con coenzima A. El ΔG°´ para la síntesis de palmitil-CoA a partir de palmitato y coenzima A es de 31.5 kJ · mol–1. 322 | CAPÍTULO 12 Metabolismo y energía libre

O La expresión para la constante de equilibrio de esta reacción H3C (CH2)14 C OϪϩ CoA puede reagruparse para definir una constante, C, como sigue: Keq ϭ [Enlace fosfodiéster][AMP][PP i] O [Mella][ATP] H3C (CH2)14 C S CoA ϩ H2O [Mella] ϭ [AMP][PPi] K eq[ATP] [Enlace fosfodiéster] ϭ C [AMP] C ϭ [PPi] K eq[ATP] a) ¿Cuál es el cociente de productos sobre reactivos en el equili- [Mella] brio para la reacción? ¿Es ésta favorable? Explique. [Enlace fosfodiéster] b) Suponga que la síntesis de palmitil-CoA se acopla a la hidróli- sis de ATP a ADP. La energía libre estándar para la hidrólisis del Los investigadores han determinado el cociente de enlaces mella- dos sobre enlaces fosfodiéster a diversas concentraciones de AMP. enlace fosfato γ del ATP es de -30.5 kJ · mol–1. a) Utilizando los datos que se proporcionan, construya una gráfi- ca de [mella]/[enlace fosfodiéster] contra [AMP] y determine el ATP ϩ H2O ADP ϩ Pi ⌬G ЊЈ ϭ Ϫ30.5 kJ и molϪ1 valor de C a partir de la gráfica. Escriba la nueva ecuación para la activación del palmitato cuan- do se acopla a la hidrólisis de ATP a ADP. Calcule ΔG°´ para la reacción. ¿Cuál es el cociente de productos sobre reactivos en el equilibrio para la reacción? ¿Es ésta favorable? Compare su [AMP] (mM) [Mella]/[enlace fosfodiéster] respuesta con la que obtuvo en la parte (a). 10 4.0 ϫ 10Ϫ5 c) Suponga que la reacción descrita en la parte (a) se acopla a la 15 4.3 ϫ 10Ϫ5 hidrólisis de ATP a AMP. La energía libre estándar para la hidró- 20 5.47 ϫ 10Ϫ5 lisis del enlace fosfato β del ATP es de -32.2 kJ · mol–1. 25 6.67 ϫ 10Ϫ5 ATP ϩ H2O AMP ϩ PPi ⌬GЊЈ ϭ Ϫ32.2 kJ и molϪ1 30 8.67 ϫ 10Ϫ5 Escriba la nueva ecuación para la activación del palmitato cuan- 35 9.47 ϫ 10Ϫ5 do se acopla a la hidrólisis de ATP a AMP. Calcule ΔG°´ para 40 9.30 ϫ 10Ϫ5 la reacción. ¿Cuál es el cociente de productos sobre reactivos en 45 1.0 ϫ 10Ϫ4 el equilibrio para la reacción? ¿Es ésta favorable? Compare su 50 1.13 ϫ 10Ϫ4 respuesta con la que obtuvo en la parte (b). b) Determine el valor de Keq para la reacción, dado que las concentraciones de PPi y ATP se mantuvieron constantes en 1.0 d) La enzima pirofosfatasa hidroliza pirofosfato, PPi. mM y 14 μM, respectivamente. PPi ϩ H2O 2 Pi ⌬GЊЈ ϭ Ϫ33.5 kJ и molϪ1 c) ¿Cuál es el valor de ΔG°´ para la reacción? La activación del palmitato, como se describe en la parte (c), d) ¿Cuál es el valor de ΔG°´ para la siguiente reacción? se acopla a la hidrólisis de pirofosfato. Escriba la ecuación para esta reacción acoplada. Calcule ΔG°´ para la reacción. ¿Cuál es el cociente de productos sobre reactivos en el equilibrio para la reacción? ¿Es ésta favorable? Compare su respuesta con las que obtuvo en las partes (b) y (c). Enlace fosfodiéster Enlace malla Nótese que el ΔG°´ para la hidrólisis de ATP a AMP y PPi es de 38. El DNA que contiene enlaces fosfodiéster rotos (“mellas”) -48.5 kJ · mol–1 en presencia de Mg2+ 10 mM, las condiciones puede repararse a través de la acción de una enzima ligasa. La forma- usadas en estos experimentos. ción de un nuevo enlace fosfodiéster en el DNA requiere la energía e) El ΔG°´ para la hidrólisis de un fosfomonoéster típico a fin libre de la escisión de un enlace fosfoanhídrido de ATP. En la reac- de producir Pi y un alcohol es de -13.8 kJ · mol–1. Compare la ción catalizada por ligasa, el ATP se hidroliza a AMP: estabilidad del enlace fosfodiéster del DNA con la estabilidad de un enlace fosfomonoéster típico. Ligasa ATP ϩ Enlace mellado AMP ϩ PPi ϩ Enlace fosfodiéster BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA Wishart DS, Knox C, Guo AC et al.: HMDB: a knowledge base for the human metabolome, Nuc. Acids Res. 2009;37:D603- Falkowski PG, Fenchel T, Delong EF: The microbial D610. [Describe la base de datos del metaboloma humano, con engines that drive Earth´s biogeochemical cycles, Science, alrededor de 7 000 entradas. Disponible en http://www.hmdb.ca] 2008;320:1034-1038. [Analiza la diversidad e interconexión de los procesos metabólicos.] Hanson RW: The role of ATP in metabolism, Biochem. Ed. 1989;17:86-92. [Da una excelente explicación de por qué el ATP es un transductor de energía más que una reserva de energía.] Problemas | 323

METABOLISMO DE LA capítulo GLUCOSA 13 Entre los muchos cambios que pueden ocurrir en una célula a medida que experimenta una transformación maligna (se convierte en una célula cancerosa) está un cambio de un metabolismo en mayor medida aeróbico a otro más anaeróbico. Dado que la glucólisis no requiere de oxígeno, las células cancerosas, como las que se representan aquí, pueden activar su crecimiento descontrolado rápido mediante glucólisis, en especial cuando el tumor se desarrolla más rápido que los vasos sanguíneos que le aportan oxígeno. ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO CComenzar el estudio de las vías metabólicas con las reacciones de la glucosa es algo más que un enfoque tradicional: refleja el lugar central del metabolismo de la glu- cosa en virtualmente todas las células. En este capítulo se examinarán las principales vías en que interviene la glucosa (glucólisis, síntesis y degradación de glucógeno, gluconeogénesis y vía de la pentosa fosfato). Se verá que las vías son series de reacciones químicas en las que enzimas específicas catalizan la transformación de intermediarios metabólicos específicos. Algunas de estas transformaciones molecu- lares son metabólicamente irreversibles y sirven como puntos de regulación para la totalidad de la vía. ■ 324 |

La glucosa ocupa una posición central en el metabolismo de la mayoría de las células. Es una fuente de energía metabólica (en algunas células es la única), y aporta los pre- cursores para la síntesis de otras biomoléculas. Recuérdese que la glucosa se almacena en forma polimérica como almidón en las plantas y como glucógeno en los animales (véase sección 11-2). La degradación de estos polímeros genera monómeros de glu- cosa que pueden catabolizarse para liberar energía. La levadura y otros microorganis- mos también pueden convertir glucosa en etanol y CO2, un gran logro metabólico que se ha aprovechado por siglos para la manufactura de bebidas alcohólicas y la panificación. El catabolismo de la glucosa fue además una de las primeras vías metabólicas que se estudió en detalle, comenzando con las observaciones de Luis Pasteur en el decenio de 1850-59. Ésta fue una era en que se pensaba que los procesos biológicos eran el resul- tado de una “fuerza vital”; aún no se conocían las enzimas. En el transcurso de los 100 años siguientes, con el desarrollo de técnicas para obtener extractos celulares y luego para aislar enzimas individuales, se hizo claro que la conversión de glucosa en otras sustancias era el resultado de una serie de reacciones químicas catalizadas por enzimas. La conversión del compuesto de seis carbonos glucosa en piruvato, de tres carbonos, una vía que ahora se denomina glucólisis, ocurre en tres pasos. Como resultado de muchos años de investigación, se sabe mucho acerca de los nueve intermediarios de la vía y las enzimas que realizan sus transformaciones químicas. Un descubrimiento im- portante realizado en 1905 fue que la degradación de la glucosa requiere de fosfato in- orgánico. Más tarde se identificó al ATP como otro factor esencial. A la identificación de los intermediarios de la vía y las enzimas que los utilizan como sustratos contribuyó el empleo de inhibidores enzimáticos. Por ejemplo, bloquear la actividad de una enzima en un preparado celular hace que se acumule el sustrato de esa enzima. Un experimento sencillo con una vía metabólica de dos pasos ilustra el modo en que un inhibidor enzi- mático puede revelar el orden de las enzimas y los intermediarios en esa vía: XY ABC La adición de un inhibidor de la enzima X hace que se acumule el sustrato A, porque no puede ser convertido en el intermediario B. Si se agrega B al sistema experimen- tal, la enzima Y podrá convertirlo en el producto C. Los pasos de una vía metabólica pueden confirmarse en última instancia purifi- cando las enzimas individuales y reensamblándolas, junto con los cofactores necesa- rios, en una vía funcional. Para una vía tan larga como la glucólisis, ésta no fue una tarea fácil. En los primeros intentos de reconstituir la vía a partir de extractos de células de levadura se usaron dos preparados crudos, uno que contenía una mezcla de enzimas y otro que contenía cofactores como NAD+ y iones metálicos. Con el tiempo, los datos experimentales revelaron que la glucólisis y todas las demás vías metabólicas exhiben las siguientes propiedades: 1. Cada paso en la vía es catalizado por una enzima distinta. 2. La energía libre consumida o liberada en determinadas reacciones es transferida por moléculas como ATP y NADH. 3. La velocidad de la vía puede controlarse modificando la actividad de enzimas in- dividuales. Si los procesos metabólicos no ocurrieran en múltiples pasos catalizados por en- zimas, las células tendrían poco control sobre la cantidad y el tipo de productos de reacción y ningún medio para manejar la energía libre. Por ejemplo, la combustión de glucosa y O2 a CO2 y H2O –si se permitiera que ocurriera en una gran explosión– liberaría unos 2 850 kJ • mol–1 de energía libre a la vez. En la célula, la combustión de glucosa requiere de muchos pasos para que la célula pueda recuperar su energía libre en cantidades más pequeñas y más útiles. En este capítulo se examinarán las principales vías metabólicas en que interviene la glucosa. La figura 13-1 muestra el modo en que estás vías se relacionan con el es- quema metabólico general delineado en la figura 12-9. Las vías resaltadas incluyen la interconversión del monosacárido glucosa con su forma polimérica glucógeno, la 13-1 Glucólisis | 325

Figura 13-1. Metabolismo de la BIOPOLÍMEROS Polisacáridos glucosa en contexto. (1) El polisacárido glucógeno se degrada a 14 glucosa, que entonces es catabolizada MONÓMEROS por la vía glucolítica (2) al intermediario Monosacáridos de tres carbonos piruvato. La gluconeogénesis (3) es la vía para la NH4+ síntesis de glucosa a partir de precursores más pequeños. La glucosa NAD+ 23 NAD+ puede entonces reincorporarse al glucógeno (4). No se muestra en el diagrama la conversión de glucosa en ribosa, un componente de los nucleótidos. INTERMEDIARIOS de 2 y 3 carbonos NAD+, Q Ciclo Fotosíntesis del ácido cítrico CO2 NADH, QH2 O2 ADP Fosforilación oxidativa ATP H2O NAD+, Q degradación de glucosa al intermediario de tres carbonos piruvato (la vía glucolíti- ca), la síntesis de glucosa a partir de compuestos más pequeños (gluconeogénesis) y la conversión de glucosa en el monosacárido de cinco carbonos ribosa. Para todas las vías se presentarán los intermediarios y algunas de las enzimas relevantes. También se examinarán la termodinámica de las reacciones que liberan o consumen grandes cantidades de energía libre y el modo en que se regulan algunas de estas reacciones. 13-1. Glucólisis CONCEPTOS CLAVE La glucólisis parece ser una vía metabólica antigua. El hecho de que no requiere de oxí- geno molecular sugiere que apareció por evolución antes de que la fotosíntesis incremen- • La glucólisis es una vía de 10 pasos tara la concentración atmosférica de O2. En conjunto, la glucólisis es una serie de diez en la cual se convierte glucosa en pasos catalizados por enzima en los cuales la molécula de glucosa, de seis carbonos, se dos moléculas de piruvato. degrada en dos moléculas de piruvato, de tres carbonos. Esta vía metabólica se acom- paña de la fosforilación de dos moléculas de ADP (para producir 2 ATP) y la reducción • Se invierte energía en la primera de dos moléculas de NAD+. La ecuación neta para la vía (omitiendo agua y protones) es: mitad de la vía, y la segunda mitad de la vía genera 2 ATP y 2 NADH. Glucosa ϩ 2 NADϩ ϩ 2 ADP ϩ 2 Pi 2 piruvato ϩ 2 NADH ϩ 2 ATP • El flujo de intermediarios a través de la vía es controlado principalmente en el paso de fosfofructocinasa. • El piruvato puede convertirse en lactato, acetil-CoA u oxalacetato. 326 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

CH2OH HH O H Glucosa OH H HO OH ATP H OH ADP 1 hexocinasa Glucosa 6-fosfato Ϫ2O3POCH2 O H H OH HH OH HO 2 fosfoglucosa isomerasa H OH Ϫ2O3POCH2 O CH2OH Fructosa 6-fosfato H HO Fase de H OH inversión de energía ATP 3 fosfofructocinasa HO H ADP Ϫ2O3POCH2 O CH2OPO23Ϫ Fructosa 1,6-bisfosfato H HO H OH 4 aldolasa HO H Gliceraldehído ϩ Dihidroxiacetona OH CH2OPO32Ϫ fosfato fosfato C CO CH2OH 5 triosa fosfato isomerasa H C OH CH2OPO23Ϫ 2 Pi ϩ 2 NADϩ 6 gliceraldehído 3-fosfato 2 NADH ϩ 2 Hϩ deshidrogenasa O OPO32Ϫ C 2 1,3-Bisfosfoglicerato H C OH 2 ADP 7 fosfoglicerato cinasa CH2OPO23Ϫ 2 ATP O OϪ C 2 3-Fosfoglicerato H C OH CH2OPO23Ϫ 8 fosfoglicerato mutasa O OϪ Fase de 2 2-Fosfoglicerato C rendimiento de energía H C OPO32Ϫ CH2OH 2 H2O 9 enolasa O OϪ C 2 Fosfoenolpiruvato C OPO32Ϫ CH2 2 ADP 10 piruvato cinasa 2 ATP O OϪ C 2 Piruvato CO CH3 Figura 13-2. Reacciones de la glucólisis. Se muestran los sustratos, productos y enzimas correspondientes a los 10 pasos de la vía. El sombreado indica los sustratos (morado) y productos (verde) de la vía en su conjunto. 13-1 Glucólisis | 327

Véase figura animada. Panorama general Es conveniente dividir las 10 reacciones de la glucólisis en dos fases. En la primera de la glucólisis. (reacciones 1 a 5), la hexosa se fosforila y se escinde por la mitad. En la segunda fase (reac- ciones 6 a 10), las moléculas de tres carbonos se convierten en piruvato (figura 13-2). A medida que se examine cada una de las reacciones de la glucólisis descritas en las páginas, debe notarse el modo en que los sustratos de las reacciones se convierten en productos por la acción de una enzima (y el modo en que el nombre de la enzima con frecuencia revela su propósito). Debe observarse asimismo el cambio de energía libre de cada reacción. Las reacciones 1 a 5 constituyen la fase de inversión de energía de la glucólisis Las primeras cinco reacciones de la glucólisis pueden considerarse una fase prepara- toria para la segunda, que es la que produce energía. De hecho, la primera fase re- quiere la inversión de energía libre en la forma de dos moléculas de ATP. 1. Hexocinasa En el primer paso de la glucólisis, la enzima hexocinasa transfiere un grupo fosforilo del ATP al grupo OH de C6 de la glucosa para formar glucosa 6-fosfato: CH2OH CH2OPO32Ϫ HH OO H HH H OH H ϩ ATP hexocinasa OH H ϩ ADP HO OH HO OH H OH H OH Glucosa Glucosa 6-fosfato Una cinasa es una enzima que transfiere un grupo fosforilo del ATP (u otro nucleó- sido trifosfato) a otra sustancia. La hexocinasa es el componente activo de un extrac- to de levadura que se utilizó en algunos de los primeros estudios sobre el metabolismo de la glucosa, los cuales condujeron al descubrimiento de que los azú- cares fosforilados son intermediarios en la glucólisis. Recuérdese de la sección 6-3 que el sitio activo de la hexocinasa se cierra alrededor de sus sustratos, de modo que el grupo fosforilo se transfiere con eficiencia del ATP a la glucosa. El cambio de energía libre estándar para esta reacción, que escinde uno de los enlaces fosfoanhídrido del ATP, es de –16.7 kJ • mol–1 (ΔG, el cambio real de energía libre para la reacción, tiene un valor similar). La magnitud de este cambio de energía libre significa que la reacción procede en un solo sentido; la reacción in- versa es en extremo improbable porque su cambio de energía libre estándar sería de +16.7 kJ • mol–1. En consecuencia, se dice que la hexocinasa cataliza una reacción metabólicamente irreversible la cual impide que la glucosa retroceda en la glucóli- sis y salga de ella. Muchas vías metabólicas tienen un paso irreversible similar cerca del comienzo, el cual obliga a un metabolito a avanzar en la vía. 2. Fosfoglucosa isomerasa La segunda reacción de la glucólisis es una isomerización en la cual el glucosa 6-fos- fato se convierte en fructosa 6-fosfato: Ϫ2O3POC6 H2 O 6 O 1 H 5 Ϫ2O3POCH2 CH2OH H1 HH OH fosfoglucosa 5H HO 2 4 OH isomerasa H OH HO 2 4 3 3 OH HO H H Glucosa 6-fosfato 328 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

Dado que la fructosa es una cetosa de seis carbonos (véase sección 11-1), forma un anillo de cinco miembros. El cambio de energía libre estándar para la reacción de la fosfoglucosa isomerasa es de +2.2 kJ • mol–1, pero las concentraciones de los reactivos in vivo producen un valor de ΔG de alrededor de –1.4 kJ • mol–1. Un valor de ΔG cercano a cero indica una reacción que procede cerca del equilibrio (en el equilibrio, ΔG = 0). Tales reac- ciones cerca del equilibrio se consideran libremente reversibles, dado que un ligero exceso de productos puede impulsar con facilidad la reacción en reversa por efectos de acción de masas. En una reacción metabólicamente irreversible, como la reacción de la hexocinasa, la concentración de productos podría nunca aumentar lo suficiente para compensar el gran valor de ΔG de la reacción. 3. Fosfofructocinasa La tercera reacción de la glucólisis consume una segunda molécula de ATP en la fosforilación de fructosa 6-fosfato para producir fructosa 1,6-bisfosfato. Ϫ2O3POC6 H2 O 1 Ϫ2O3POC6 H2 O 1CH2OPO32Ϫ CH2OH 5 H HO 2 ϩ ATP fosfofructocinasa 5H HO 2 ϩ ADP H OH H OH 43 4 3 HO H HO H Fructosa 6-fosfato Fructosa 1,6-bisfosfato Este “hexosa difosfato” fue el primer intermediario glucolítico que se aisló, en 1905. La fosfofructocinasa opera de modo muy parecido a como lo hace la hexocinasa, y la reacción que cataliza es irreversible, con valor de ΔG°´ de -17.2 kJ • mol–1. En las células, la actividad de la fosfofructocinasa es regulada. Ya se ha visto el modo en que la actividad de una fosfofructocinasa bacteriana responde a efectores alostéricos (véase sección 7-3). El ADP se une a la enzima y causa un cambio conformacional que promueve la unión de fructosa 6-fosfato, lo que a su vez promueve la catálisis. Este mecanismo es útil porque la concentración de ADP en la célula es un buen indicador de la necesidad de ATP, que es el producto de la glucólisis. El fosfoenolpiruvato, pro- ducido en el paso 9 de la glucólisis, se une a la fosfofructocinasa bacteriana y la hace asumir una conformación que desestabiliza la unión de de fructosa 6-fosfato, con lo cual la actividad catalítica disminuye. Así, cuando la vía glucolítica está produciendo gran cantidad de fosfoenolpiruvato y ATP, el fosfoenolpiruvato puede actuar como retroin- hibidor para desacelerar la vía reduciendo la velocidad de la reacción catalizada por la fosfofructocinasa (figura 13-3A). (a) Glucosa ATP (b) Glucosa Fructosa Fructosa 6-fosfato Fructosa 6-fosfato 2,6-bisfosfato Pi Fructosa 1,6-bisfosfato ADP Fosfoenolpiruvato Fructosa 1,6-bisfosfato Piruvato Piruvato Figura 13-3. Regulación de la fosfofructocinasa. a) Regulación en bacterias. El ADP, producido cuando se consume ATP en otro lugar de la célula, estimula la actividad de la fosfofructocinasa (símbolo verde). El fosfoenolpiruvato, un intermediario tardío de la glucólisis, inhibe la fosfofructocinasa (símbolo rojo), con lo cual reduce la velocidad de toda la vía. b) Regulación en los mamíferos. 13-1 Glucólisis | 329

Sin embargo, el activador más potente de la fosfofructocinasa en mamíferos es el compuesto fructosa 2,6-bisfosfato, que se sintetiza a partir de fructosa 6-fosfato por acción de una enzima conocida como fosfofructocinasa 2. (Por lo cual la enzima glucolítica a veces se llama fosfofructocinasa 1.) Ϫ2O3POH2C O CH2OH ATP ADP Ϫ2O3POH2C O CH2OH H HO fosfofructocinasa 2 H HO H OH H O PO32Ϫ HO H HO H Fructosa 6-fosfato Fructosa 2,6-bisfosfato La actividad de la fosfofructocinasa 2 es estimulada hormonalmente cuando la con- centración de glucosa en la sangre es alta. El incremento resultante en la concentra- ción de fructosa 2,6-bisfosfato activa la fosfofructocinasa para incrementar el flujo de glucosa a través de la vía glucolítica (figura 13-3B). La reacción de la fosfofructocinasa es el principal punto de control para la glucó- lisis. Es la reacción más lenta del ciclo, por lo cual la velocidad de esta reacción de- termina en gran medida el flujo (gasto) de glucosa en toda la vía. En general, una reacción determinante de la velocidad –como la reacción de la fosfofructocinasa– opera lejos del equilibrio; esto es, tiene cambio de energía libre muy negativo y es irreversible en condiciones metabólicas. La velocidad de reacción puede ser modifi- cada por efectores alostéricos, pero no por fluctuaciones en las concentraciones de sus sustratos o productos. Así, actúa como una válvula de un sentido. En contraste, una reacción cerca del equilibrio –como la reacción de la fosfoglucosa isomerasa– no puede actuar como paso determinante de la velocidad para una vía, porque puede responder a cambios pequeños en las concentraciones de reactivos procediendo en reversa (a la izquierda). Véase figura animada. Mecanismo de la 4. Aldolasa aldolasa. La reacción 4 convierte la hexosa fructosa 1,6-bisfosfato en dos moléculas de tres carbonos, cada una de las cuales porta un grupo fosfato. C1H2OPO32Ϫ Dihidroxiacetona fosfato CO C3H2OPO32Ϫ 2 CO HO C H aldolasa 2 3 HO C1 H2 H C OH ϩ 4 OH C H C OH 1 5 H C OH C6 H2OPO32Ϫ 2 Fructosa 1,6-bisfosfato C3 H2OPO32Ϫ Gliceraldehído 3-fosfato Esta reacción es la inversa de una condensación aldólica (aldehído-alcohol), por lo cual la enzima que cataliza la reacción se llama aldolasa. Vale la pena examinar su mecanismo. El sitio activo de la aldolasa de los mamíferos contiene dos residuos de importan- cia catalítica: un residuo Lys que forma una base de Schiff (imina) con el sustrato, y un residuo Tyr ionizado que actúa como un catalizador básico (figura 13-4). 330 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

NH2 (CH2)4 NH2 (CH2)4 Lys Ϫ Ϫ O O Tyr 1. El fructosa1,6-bisfosfato, 5. La base de Schiff CH2OPO32Ϫ mostrado en su forma lineal, se hidroliza, con lo se une a la enzima. que libera el segundo CO producto y regenera la enzima. CH2OH Dihidroxiacetona CH2OPO23Ϫ fosfato H2O CO H2N (CH2)4 CH2OPO32Ϫ HO C H Ϫ ϩ HC OH O C NH (CH2)4 H C OH HO C H CH2OPO23Ϫ HϪ Fructosa O 1,6-bisfosfato H2O 2. El residuo Lys del sitio activo reacciona con el grupo carbonilo del sustrato 4. El residuo Tyr cede su para formar una base de Schiff. protón al resto del sustrato, con lo que vuelve a formar una base de Schiff. CH2OPO32Ϫ 3. La cadena lateral de Tyr, al actuar CH2OPO32Ϫ como base, acepta un protón del C NH (CH2)4 ϩ sustrato, y el enlace entre C3 y C4 C se rompe, liberando el primer producto, HO H C NH (CH2)4 un aldehído. La reacción es facilitada H por la base de Schiff protonada, que es HO C H Ϫ un mejor grupo atractor de electrones O HC OH que el grupo carbonilo que se encontraba en C2. O H C OH CH2OPO32Ϫ HO C H C OH CH2OPO32Ϫ Gliceraldehído 3-fosfato Figura 13-4. Reacción de la aldolasa. Los primeros estudios de la aldolasa sugerían la participación de un residuo Cys en la catálisis, porque el yodoacetato, que reacciona con la cadena lateral Cys, tam- bién desactiva la enzima: 13-1 Glucólisis | 331

CO HI C O HC CH2 SH ϩ ICH2COOϪ HC CH2 SCH2COOϪ NH NH Cys Yodoacetato El yodoacetato fue uno de los inhibidores usados por los investigadores para identifi- car los intermediarios de la glucólisis: en presencia de yodoacetato, el fructosa 1,6-bis- fosfato se acumula porque se bloquea el siguiente paso del ciclo. La acetilación del residuo Cys, que resultó no ser parte del sitio activo, probablemente interfiere en un cambio conformacional que es necesario para la actividad de la aldolasa. El valor de ΔG°´ para la reacción de la aldolasa es de +22.8 kJ • mol–1, lo cual indica que la reacción es desfavorable en condiciones estándar. Sin embargo, la reac- ción procede in vivo (ΔG es en realidad menor de cero) porque los productos de la reacción son barridos con rapidez por reacciones ulteriores. En esencia, el consumo rápido de gliceraldehído 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato “empuja” hacia la dere- cha la reacción de la aldolasa. 5. Triosa fosfato isomerasa Los productos de la reacción de la aldolasa son compuestos de tres carbonos fosforila- dos, pero sólo uno de ellos –el gliceraldehído 3-fosfato– procede por el resto de la vía. El dihidroxiacetona fosfato es convertido en gliceraldehído 3-fosfato por la triosa isomerasa fosfato: H OH H C OH C CO triosa isomerasa fosfato H C OH CH2OPO32Ϫ CH2OPO32Ϫ Dihidroxiacetona Gliceraldehído fosfato 3-fosfato La triosa isomerasa fosfato se presentó en la sección 7-2 como un ejemplo de enzima catalíticamente perfecta, cuya velocidad sólo es limitada por la velocidad con que sus sustratos pueden difundirse a su sitio activo. El mecanismo catalítico de la triosa isomerasa fosfato puede implicar enlaces de hidrógeno de barrera baja (que además ayudan a estabilizar el estado de transición en serinproteasas; véase sección 6-3). Asimismo, el poder catalítico de la triosa isomerasa fosfato depende de un asa pro- teínica que se cierra sobre el sitio activo (figura 13-5). El cambio de energía libre estándar para la reacción de la triosa isomerasa fosfato es ligeramente positivo, aun en condiciones fisiológicas (ΔG°´ = +7.9 kJ • mol–1 y ΔG = +4.4 kJ • mol–1), pero la reacción procede porque el gliceraldehído 3-fosfato es consumido con rapidez en la siguiente reacción, de modo que constantemente se convierte más dihidroxiacetona en gliceraldehído 3-fosfato. Las reacciones 6 a 10 comprenden la fase de rendimiento de energía de la glucólisis Hasta aquí, las reacciones de la glucólisis han consumido 2 ATP, pero esta inversión reditúa en la segunda fase de la glucólisis, en la que se producen 4 ATP, para una ganancia neta de 2 ATP. Todas las reacciones de la segunda fase implican intermedia- rios de tres carbonos, pero debe tenerse presente que cada molécula de glucosa que ingresa en la vía genera dos de estas unidades de tres carbonos. 332 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

(a) (b) Figura 13-5. Cambios conformacionales en la triosa isomerasa fosfato de levadura. a) Un asa de la proteína, que comprende los residuos 166 a 176, se resalta en verde. b) Cuando el sustrato se une a la enzima, el asa se cierra sobre el sitio activo para estabilizar el estado de transición de la reacción. En este modelo, el análogo del estado de transición 2-fosfoglicolato (anaranjado) ocupa el sitio activo. La triosa isomerasa fosfato es en realidad un homodímero; sólo se muestra una subunidad. (Estructura de la enzima sola (pdb 1YPI) determinada por T. Alber, E. Lolis y G.A. Petsko; estructura de la enzima con el análogo (pdb 2YPI) determinada por E. Lolis y G.A. Petsko.) Algunas especies convierten glucosa en gliceraldehído 3-fosfato por vías distintas de la presentada antes. Sin embargo, la segunda fase de la glucólisis, que convierte gliceraldehído 3-fosfato en piruvato, es la misma en todos los organismos. Esto su- giere que la glucólisis puede haber evolucionado “desde abajo”; esto es, primero surgió como una vía para extraer energía libre de moléculas pequeñas producidas de manera abiótica, antes de que las células desarrollaran la capacidad de sintetizar moléculas más grandes como las hexosas. 6. Gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa Véase figura animada. Mecanismo de la En la sexta reacción de la glucólisis, el gliceraldehído 3-fosfato se oxida y se fosforila: gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa. OH gliceraldehído 3-fosfato O OPO23Ϫ NADH ϩ Hϩ 1C deshidrogenasa 1C H 2C OH ϩ NADϩ ϩ Pi H 2C OH ϩ 3CH2OPO32Ϫ 3CH2OPO32Ϫ Gliceraldehído 1,3-Bisfosfoglicerato 3-Fosfato A diferencia de las cinasas que catalizan las reacciones 1 y 3, la gliceraldehído 3-fosfa- to deshidrogenasa no usa ATP como donador de grupos fosforilo; agrega fosfato in- orgánico al sustrato. Ésta también es una reacción redox en la cual el grupo aldehído del gliceraldehído 3-fosfato se oxida y el cofactor NAD+ se reduce a NADH. En efec- to, la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa cataliza la eliminación de un átomo de H (en realidad un ion hidruro), de aquí el nombre “deshidrogenasa”. Nótese que el producto de la reacción NADH debe finalmente reoxidarse a NAD+, o de otro modo la glucólisis se detendrá. De hecho, la reoxidación de NADH, que es una forma de “moneda energética”, puede generar ATP (véase capítulo 15). Un residuo Cys del sitio activo participa en la reacción de la gliceraldehído 3-fos- fato deshidrogenasa (figura 13-6). La enzima es inhibida por arseniato (AsO43–), que compite con Pi (PO43–) por la unión al sitio activo de la enzima. El arseniato fue uno de los inhibidores empleados para dilucidar los pasos de la glucólisis. 13-1 Glucólisis | 333

NADϩ NADϩ S O OPO32Ϫ H C S H 5. El fosfato inorgánico ataca el R tioéster, formando Hϩ 1. El gliceraldehído 3-fosfato 1,3-bisfosfoglicerato se une a la enzima, cuyo sitio y regenerando la enzima. activo ya contiene NAD+. NADϩ NADϩ OO S HO S C ϪO P OH H C R OϪ R 2. El grupo SH del residuo Cys 4. El NADH sale y es sustituido NADϩ por otra molécula de NAD+. NADH Hϩ del sitio activo forma un Entra Pi en el sitio activo. enlace covalente con el gliceraldehído 3-fosfato. NADϩ 3. El NAD+ oxida el sustrato, NADH H formando un intermediario tioéster. O S C OϪ SC R R Figura 13-6. Reacción de la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa. 7. Fosfoglicerato cinasa El producto de la reacción 6, 1,3-bisfosfoglicerato, es un fosfato de acilo. OO R C O P OϪ OϪ Un fosfato de acilo La ulterior eliminación de su grupo fosforilo genera gran cantidad de energía libre, debido en parte a que los productos de reacción son más estables (el mismo princi- pio contribuye al gran valor negativo de ΔG para reacciones que implican la escisión de enlaces fosfoanhídrido del ATP; véase sección 12-3). La energía libre generada en esta reacción se emplea para impulsar la formación de ATP, cuando el 1,3-bisfosfo- glicerato dona su grupo fosforilo a ADP: O OPO32Ϫ O OϪ 1C 1C H 2C OH ϩ ADP fosfoglicerato cinasa H 2C OH ϩ ATP 3CH2OPO23Ϫ 3CH2OPO23Ϫ 1,3-Bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato 334 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

Nótese que la enzima que cataliza esta reacción se denomina cinasa porque trans- fiere un grupo fosforilo entre ATP y otra molécula. El cambio de energía libre estándar para la reacción de la fosfoglicerato cinasa es de –18.8 kJ • mol–1. Esta reacción fuertemente exergónica ayuda a impulsar hacia la derecha la reacción del gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, dado que el cambio de energía libre estándar es mayor de cero (ΔG°´ = +6.7 kJ • mol–1). Este par de re- acciones es un buen ejemplo del acoplamiento de una reacción termodinámicamen- te favorable y otra desfavorable de modo que ambas procedan con un decremento neto de energía libre: –18.8 kJ • mol–1 + 6.7 kJ • mol–1 = –12.1 kJ • mol–1. En con- diciones fisiológicas, ΔG para las reacciones apareadas es cercano a cero. 8. Fosfoglicerato mutasa En la siguiente reacción, el 3-fosfoglicerato se convierte en 2-fosfoglicerato: O OϪ fosfoglicerato mutasa O OϪ C1 C1 H C2 OH H C2 OPO23Ϫ H C3 OPO23Ϫ H C3 OH H H 3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato Aunque al parecer la reacción implica la simple transferencia intramolecular de un grupo fosforilo, el mecanismo de reacción es un poco más complicado y requiere un sitio activo enzimático que contiene un residuo His fosforilado. La fosfo-His transfiere su grupo fosforilo al 3-fosfoglicerato para generar 2-3, bisfosfoglicerato, que entonces devuelve un grupo fosforilo a la enzima, dejando 2-fosfoglicerato y fosfo-His: O OϪ O O OϪ O OϪ O C C C H C OH ϪO P His H C OPO23Ϫ His H C OPO32Ϫ ϪO P His H C OPO32Ϫ H C OPO32Ϫ OϪ H C OH OϪ H H H 3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato Como puede conjeturarse a partir de este mecanismo, la reacción de la fosfoglicera- to mutasa es libremente reversible in vivo. 9. Enolasa La enolasa cataliza una reacción de deshidratación, en la cual se elimina agua: O OϪ enolasa O OϪ C1 C H C2 OPO23Ϫ C OPO23Ϫ ϩ H2O H C3 OH HC H H 2-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato El sitio activo de la enzima contiene un ion Mg2+ que al parecer se coordina con el grupo OH en C3 y lo hace un mejor grupo saliente. Ion fluoruro y Pi pueden formar 13-1 Glucólisis | 335

un complejo con el Mg2+ y de este modo inhibir la enzima. En los primeros estudios que demostraron la inhibición de la glucólisis por F–, se acumulaba 2-fosfoglicerato, el sustrato de la enolasa. La concentración de 3-fosfoglicerato también aumentaba en presencia de F–, dado que la fosfoglicerato mutasa reconvierte con facilidad el exceso de 2-fosfoglicerato en 3-fosfoglicerato. 10. Piruvato cinasa La décima reacción de la glucólisis es catalizada por la piruvato cinasa, que convierte fosfoenolpiruvato en piruvato y transfiere un grupo fosforilo a ADP para producir ATP: O OϪ O OϪ C C C OPO23Ϫ ϩ ADP piruvato cinasa C O ϩ ATP CH2 CH3 Fosfoenolpiruvato Piruvato En realidad, la reacción ocurre en dos partes. Primero, el ADP ataca el grupo fosfo- rilo del fosfoenolviruvato para formar ATP y enolpiruvato: O OϪ O ATP O OϪ CO Hϩ C C O P OϪ ϩ ϪO P O AMP C OH CH2 OϪ OϪ CH2 Fosfoenolpiruvato ADP Enolpiruvato La eliminación del grupo fosforilo del fosfoenolpiruvato no es una reacción particu- larmente exergónica: cuando se escribe como una reacción hidrolítica (transferencia del grupo fosforilo al agua), el valor de ΔG°´ es de –16 kJ • mol–1. Esta energía libre no es suficiente para impulsar la síntesis de ATP a partir de ADP + Pi (esta reacción requiere +30.5 kJ • mol–1). Sin embargo, la segunda mitad de la reacción de la piru- vato cinasa es altamente exergónica. Se trata de la tautomerización (isomerización por desplazamiento de un átomo de H) de enolpiruvato a piruvato: O OϪ O OϪ C C C OH CO CH2 CH3 Enolpiruvato Piruvato El ΔG°´ para este paso es de –46 kJ • mol–1, de modo que el ΔG°´ para la reacción neta (hidrólisis de fosfoenolpiruvato seguida de tautomerización de enolpiruvato a piruvato) es de –61.9 kJ • mol–1, energía libre más que suficiente para impulsar la síntesis de ATP. Tres de las 10 reacciones de la glucólisis (las reacciones catalizadas por hexocinasa, fosfofructocinasa y piruvato cinasa) tienen valores negativos grandes de ΔG. En teoría, cualquiera de estas reacciones alejadas del equilibrio podría servir como punto de con- trol del flujo para la vía. Las otras siete reacciones funcionan cerca del equilibrio (ΔG ≈ 0) y por tanto permiten el flujo en ambos sentidos. Los cambios de energía libre para las 10 reacciones de la glucólisis se muestran de manera gráfica en la figura 13-7. Ya se han expuesto los mecanismos para regular la actividad de la fosfofructocinasa, el principal punto de control para la glucólisis. La hexocinasa también cataliza una reacción irreversible y está sujeta a inhibición por su producto, la glucosa 6-fosfato. Sin embargo, la hexocinasa no puede ser el único punto de control para la glucólisis porque la glucosa también puede entrar en la vía como glucosa 6-fosfato, evitando 336 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

Glucosa Figura 13-7. Representación gráfica 1 de los cambios de energía libre de la 2 glucólisis. Tres pasos tienen valores 3 negativos grandes de ΔG; los pasos restantes están cerca del equilibrio 4 6+7 8 9 (ΔG ≈ 0). La altura de cada paso 5 corresponde a su valor de ΔG en músculo cardiaco, y los números 10 corresponden a enzimas glucolíticas. Debe tenerse presente que los valores de ΔG varían un poco entre los distintos tejidos. (Con datos de Newsholme, E.A., y Start, C., Regulation in Metabolism, p. 97, Wiley [1973].) Piruvato la reacción de la hexocinasa. Por último, no sería eficiente que la reacción de la piru- vato cinasa fuera el principal paso regulador de la glucólisis porque ocurre en el final mismo de la vía de 10 pasos. Aún así, la actividad de la piruvato cinasa puede ajus- tarse. En algunos organismos, la fructosa 1,6-bisfosfato activa la piruvato cinasa en un sitio alostérico. Éste es un ejemplo de activación anticipatoria: una vez que un monosacárido ha ingresado en la glucólisis, la fructosa 1,6-bisfosfato ayuda a asegu- rar el flujo rápido por la vía. Para resumir la segunda fase de la glucólisis: el gliceraldehído 3-fosfato es conver- tido en piruvato con la síntesis de 2 ATP (en las reacciones 7 y 10). Dado que cada molécula de glucosa genera dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato, las reacciones de la segunda fase de la glucólisis deben duplicarse, de modo que el rendimiento es de 4 ATP. Se invierten dos moléculas de ATP en la fase 1, para un rendimiento neto de 2 ATP por molécula de glucosa. También se generan 2 NADH por cada molécu- la de glucosa. Otros monosacáridos aparte de la glucosa se metabolizan de modo similar para generar ATP (recuadro 13-A). El piruvato es convertido en otras sustancias ¿Qué ocurre con el piruvato que se genera en el catabolismo de la glucosa? Puede ser degradado más a acetil-CoA o usarse para sintetizar otros compuestos, como oxala- RECUADRO 13-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA Catabolismo de otros azúcares La alimentación de una persona típica contiene muchos carbohidratos más dulce que la sacarosa, es más soluble, y en EUA se manufac- aparte de glucosa y sus polímeros. Por ejemplo la lactosa, un disacárido tura a bajo costo en la forma de jarabe de maíz con alto contenido de glucosa y galactosa, se encuentra en la leche y sus derivados (véase de fructosa (a veces llamado “alta fructosa”); todo ello hace a la sección 11-2). La lactosa es escindida en el intestino por la enzima fructosa atractiva para la manufactura de bebidas gaseosas y otros lactasa, y los dos monosacáridos se absorben, transportan al hígado, y alimentos procesados en ese país. Ésta es la principal razón por la metabolizan. La galactosa sufre fosforilación e isomerización e ingresa cual el consumo de fructosa en EUA ha aumentado por lo menos en la vía glucolítica como glucosa 6-fosfato, de modo que su en un factor de 10 en el último cuarto de siglo. rendimiento de energía es el mismo que el de la glucosa. El consumo excesivo de fructosa podría estar contribuyendo a La sacarosa, el otro disacárido importante de los alimentos, está la epidemia de obesidad. Una posible explicación tiene que ver con formada por glucosa y fructosa (véase sección 11-2); se encuentra el catabolismo de la fructosa, que difiere un tanto del propio de la en diversos alimentos de origen vegetal. Al igual que la lactosa, la glucosa. La fructosa es metabolizada principalmente por el hígado, sacarosa se hidroliza en el intestino delgado, y sus componentes pero la forma de hexocinasa presente en este órgano (llamada glucosa y fructosa se absorben. El monosacárido fructosa también glucocinasa) tiene muy poca afinidad por la fructosa, la cual se encuentra en muchos alimentos, en particular frutos y miel. Es entonces ingresa en la glucólisis por una vía distinta. 13-1 Glucólisis | 337

UN VISTAZO MÁS DE CERCA Continuación ATP ADP CH2OPO32Ϫ Dihidroxiacetona CO fosfato HOCH2 O CH2OH HOCH2 O CH2OPO32Ϫ CH2OPO32Ϫ H HO fructocinasa H HO ϵ HO CH fructosa H OH H OH H C OH 1-fosfato CO C OH aldolasa HO H HO H H HO CH2 ϩ CH2OH HO Fructosa Fructosa 1-fosfato C H C OH CH2OH Gliceraldehído Primero, la fructosa se forforila a fructosa 1-fosfato. La enzima contribuir a un aumento de la grasa corporal. Un segundo peligro glucosa 1-fosfato aldolasa rompe después la molécula de seis potencial de la vía catabólica de la fructosa es que el catabolismo de carbonos en dos moléculas de tres carbonos: gliceraldehído y la fructosa evita el paso de la glucólisis catalizado por la fosfofructo- dihidroxiacetona fosfato: cinasa, y de este modo evita un punto regulador importante. Esto puede alterar el metabolismo del combustible de modo que el La dihidroxiacetona fosfato es convertido en gliceraldehído catabolismo de la fructosa conduzca a una mayor producción de 3-fosfato por la triosa fosfato isomerasa y puede pasar por la lípidos que en el catabolismo de la glucosa. De este modo, las segunda fase de la glucólisis. El gliceraldehído puede ser fosforilado consecuencias metabólicas de consumir alimentos ricos en fructosa a gliceraldehído 3-fosfato, o bien convertirse en glicerol 3-fosfato, pueden ir más allá de su contenido calórico. un precursor de los esqueletos de los triacilgliceroles. Esto podría cetato. El destino del piruvato depende del tipo celular y de la necesidad de energía libre metabólica y bloques de construcción moleculares. Durante el ejercicio, el piruvato puede convertirse de manera temporal en lactato. En una célula muscular muy activa, la glucólisis aporta con rapidez ATP para impul- sar la contracción muscular, pero la vía también consume NAD+ en el paso de la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa. Las dos moléculas de NADH generadas por cada molécula de glucosa que se cataboliza pueden reoxidarse en presencia de oxígeno. Sin embargo, este proceso es demasiado lento a fin de reponer el NAD+ necesario para la producción rápida de ATP por glucólisis. Con objeto de regenerar NAD+, la enzima deshidrogenasa láctica reduce piruvato a lactato: O OϪ O deshidrogenasa O OϪ HO C HH láctica C C Oϩ C CH3 C HO C H ϩ NH2 NH2 ϩ Hϩ CH3 Piruvato ϩ N Lactato N R R NADH NADϩ Esta reacción, a veces llamada paso 11 de la glucólisis, permite al músculo funcionar de manera anaeróbica por alrededor de 1 min (véase recuadro 12-B). La reacción neta del catabolismo anaeróbico de la glucosa es: glucosa ϩ 2 ADP ϩ 2 Pi 2 lactato ϩ 2 ATP. El lactato representa una especie de callejón sin salida metabólico: sus únicas opcio- nes son reconvertirse con el tiempo en piruvato (la reacción de la deshidrogenasa láctica es reversible) o exportarse de la célula. El hígado capta lactato, lo oxida de vuelta a piruvato y luego lo usa en la gluconeogénesis. La glucosa producida de esta 338 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

manera puede volver al final al músculo para ayudar a impulsar la con- CUADRO 13-1 | Cambios de energía tracción muscular continua. Cuando el músculo funciona de manera libre estándar para el aeróbica, el NADH producido por la reacción del gliceraldehído 3-fos- catabolismo de la glucosa fato deshidrogenasa se reoxida mediante oxígeno y la reacción de la deshidrogenasa láctica no es necesaria. Proceso catabólico ⌬G؇Ј (kJ ؒmolϪ1) Ϫ196 Aunque la glucólisis es una vía oxidativa, su producto final, piruvato, C6H12O6 2 C3H5O3ϩ 2 Hϩ es todavía una molécula relativamente reducida. El catabolismo ulterior (glucosa) (lactato) del piruvato comienza con su descarboxilación para formar un grupo acetilo, de dos carbonos, unido a coenzima A. C6H12O6 ϩ 6 O2 6 H2O ϩ 6 H2O ϩ 6 CO2Ϫ2850 (glucosa) O CoASH CO2 O CH3 C COOϪ CH3 C SCoA Piruvato Acetil-CoA El acetil-CoA resultante es un sustrato para el ciclo del ácido cítrico (véase capítulo 14). La oxidación completa de los seis carbonos de la glucosa a CO2 libera mucho más energía libre que la conversión de glucosa en lactato (cuadro 13-1). Gran parte de esta energía se recupera en la síntesis de ATP por las reacciones del ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa (véase capítulo 15), vías que requieren la presencia RECUADRO 13-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA Metabolismo del alcohol El alcohol es sintetizado por la levadura en condiciones anaeróbi- Los mamíferos sintetizan deshidrogenasa alcohólica no para cas. Este proceso de dos pasos elimina el producto final piruvato producir etanol sino para metabolizar el etanol producido por de la glucólisis y regenera el NAD+ necesario para el ulterior bacterias intestinales. Esta enzima hepática también metaboliza el catabolismo de la glucosa. Primero, la descarboxilasa pirúvica (o etanol exógeno de las bebidas alcohólicas. La deshidrogenasa piruvato descarboxilasa, una enzima que no existe en los alcohólica reoxida etanol a acetaldehído, usando NAD+ como cofac- animales) cataliza la eliminación del grupo carboxilato del tor. Esta reacción es seguida por otra catalizada por acetaldehído piruvato para producir acetaldehído. Después, la deshidrogenasa deshidrogenasa, que produce acetato y también requiere NAD+: alcohólica reduce el acetaldehído a etanol. OH NADϩ NADH, Hϩ O OϪ CO2 HCH deshidrogenasa C alcohólica CH3 CO descarboxilasa pirúvica Etanol CH3 OH OHϪ NADϩ NADH, Hϩ OϪ Piruvato C O C CH3 NADH NADϩ OH CH3 acetaldehído deshidrogenasa OH deshidrogenasa HCH Acetaldehído Acetato C alcohólica CH3 CH3 Tanto el acetaldehído como el acetato son ligeramente tóxicos, y contribuyen a la resaca que sigue al consumo de alcohol. Además, Acetaldehído Etanol la producción de NADH altera el equilibrio de NAD+ y NADH. Una escasez de NAD+ frena la glucólisis en el paso de gliceralde- El etanol se considera un producto de desecho del metabolismo del hído 3-fosfato deshidrogenasa, que requiere NAD+, y de este modo azúcar; su acumulación es tóxica para los organismos que lo reduce la capacidad de la célula de producir ATP. El exceso de producen. Ésta es una razón por la cual el contenido alcohólico de NADH impulsa la reacción de la lactato deshidrogenasa hacia la las bebidas fermentadas por levadura, como el vino, se limita a producción de lactato, lo cual desvía piruvato de otras vías como la alrededor de 13%. Los licores o “bebidas fuertes” deben destilarse gluconeogénesis, con lo que afecta la capacidad del hígado de para incrementar su contenido de etanol. aportar glucosa a tejidos como el encéfalo. 13-1 Glucólisis | 339

de oxígeno molecular. Organismos como las levaduras, que viven en condiciones anaeróbicas, pueden consumir piruvato convirtiéndolo en alcohol (recuadro 13-B). Este proceso fue nombrado fermentación por Pasteur para describir el fenómeno de la vida sin oxígeno. El piruvato no siempre se destina al catabolismo. Sus átomos de carbono consti- tuyen la materia prima para sintetizar diversas moléculas, incluida, en el hígado, más glucosa (lo que se considera en la siguiente sección). Los ácidos grasos, que son los precursores de triacilgliceroles y muchos lípidos de membrana, pueden sintetizarse a partir de las unidades de dos carbonos de la acetil-CoA derivada del piruvato. Es así como se produce grasa a partir del exceso de carbohidratos. El piruvato es también el precursor del oxalacetato, una molécula de cuatro car- bonos que constituye un intermediario en la síntesis de varios aminoácidos. Es asi- mismo uno de los intermediarios del ciclo del ácido cítrico. El oxalacetato se sintetiza por la acción de la piruvato carboxilasa: COOϪ piruvato carboxilasa COOϪ C O ϩ CO2 ϩ ATP CH3 CO ϩ ADP ϩ Pi Piruvato CH2 COOϪ Oxalacetato La reacción de la piruvato carboxilasa es interesante debido a su química inusual. La enzima tiene un grupo prostético biotina que actúa como portador de CO2. La biotina se considera una vitamina, pero su deficiencia es rara porque se encuentra en muchos alimentos y es sintetizada por bacterias intestinales. El grupo biotina se une de manera covalente a un residuo Lys de la enzima: O C HN NH HC CH O O C C NH (CH2)4 CH H2C C H CH2 CH2 CH2 CH2 S NH Biotina Residuo Lys La cadena lateral de Lys y el grupo biotina unido a ella forman un brazo flexible de 14 Å de longitud que oscila entre dos sitios activos de la enzima. En uno de éstos, una molécula de CO2 es “activada” primero por su reacción con ATP, y luego se transfiere a la biotina. El segundo sitio activo transfiere el grupo carboxilo al piruva- to para producir oxalacetato (figura 13-8). REPASO DE CONCEPTOS • Trace las estructuras de los sustratos y productos de las 10 reacciones glucolíticas, nombre las enzimas que catalizan cada paso, e indique si interviene ATP o NADH. • ¿Cuáles reacciones glucolíticas consumen ATP? ¿Cuáles generan ATP? • ¿Cuál es el rendimiento neto de ATP y NADH por molécula de glucosa? • ¿Cuáles reacciones actúan como puntos de control de flujo en la glucólisis? • ¿Cuáles son los posibles destinos metabólicos del piruvato? • ¿Cuál es la función metabólica de la deshidrogenasa láctica? 340 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

1. El CO2 (en la forma de bicarbonato, HCO3Ϫ) Figura 13-8. Reacción de la piruvato reacciona con ATP de manera que parte de carboxilasa. la energía libre generada en la eliminación de un grupo fosforilo del ATP se conserva en la formación del compuesto “activado” carboxifosfato. O ϪO O ADP HO P OO ATP ϩ C ϪO C OH OH Carboxifosfato Pi 2. Como el ATP, el carboxifosfato Biotinil-Lys genera gran cantidad de energía libre cuando se extrae su grupo O fosforilo. Esta energía libre impulsa ϪO la carboxilación de la biotina. C N NH O R S O OϪ 3. La enzima extrae un O OϪ 4. El carbanión ataca el grupo carbonilo C protón del piruvato, C unido a la biotina, generando oxalacetato. formando un carbanión. CO CO Biotinil-Lys CH3 ϪCH2 Piruvato O OϪ C CO CH2 C ϪO O Oxalacetato 13-2 Gluconeogénesis Ya se ha hecho referencia a la capacidad del hígado de sintetizar glucosa a partir de CONCEPTOS CLAVE precursores no carbohidrato en la vía de la gluconeogénesis. Esta vía, que también se • El piruvato es convertido en encuentra en grado limitado en los riñones, opera cuando la reserva hepática de glucógeno se agota. Determinados tejidos, como el sistema nervioso central y los glucosa por enzimas glucolíticas eritrocitos, que consumen glucosa como su principal combustible metabólico, de- que actúan en reversa y por penden del hígado para un aporte de glucosa recién sintetizada. enzimas que evitan los pasos irreversibles de la glucólisis. La gluconeogénesis se considera el proceso inverso de la glucólisis, esto es, la con- • El flujo gluconeogénico es versión de dos moléculas de piruvato en una molécula de glucosa. Aunque algunos regulado principalmente por de los pasos de la gluconeogénesis son catalizados por enzimas glucolíticas que ope- fructosa 2,6-bisfosfato. ran en reversa, la vía gluconeogénica contiene varias enzimas únicas que evitan los tres pasos irreversibles de la glucólisis, a saber los pasos catalizados por piruvato ci- 13-2 Gluconeogénesis | 341 nasa, fosfofructocinasa y hexocinasa (figura 13-9). Este principio se aplica a todos los pares de vías metabólicas opuestas: las vías pueden compartir algunas reacciones cercanas al equilibrio, pero no pueden usar las mismas enzimas para catalizar reac- ciones irreversibles termodinámicamente favorables. Las tres reacciones irreversibles de la glucólisis son fáciles de identificar en el diagrama de “cascada” (figura 13-7).

Glucosa ATP Pi hexocinasa glucosa 6-fosfatasa ADP H2O glucosa 6-fosfato fosfoglucosa isomerasa Fructosa 6-fosfato ATP Pi fosfofructocinasa fructosa bisfosfatasa ADP H2O glucólisis Fructosa 1,6-bisfosfato gluconeogénesis aldolasa Dihidroxiacetona fosfato de Gliceraldehído fosfato triosa isomerasa 3-Fosfato NADϩ ϩ Pi gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa NADH ϩ Hϩ 1,3-Bisfosfoglicerato ADP fosfoglicerato cinasa ATP 3-Fosfoglicerato fosfoglicerato mutasa 2-Fosfoglicerato enolasa Fosfoenolpiruvato GDP ϩ CO2 fosfoenolpiruvato ADP carboxicinasa piruvato cinasa GTP ATP Oxalacetato Piruvato ADP ϩ Pi piruvato carboxilasa ATP ϩ CO2 Véase figura animada. Comparación de Figura 13-9. Reacciones de la gluconeogénesis. La vía utiliza las siete enzimas gluconeogénesis y glucólisis. glucolíticas que catalizan reacciones reversibles. En la gluconeogénesis, las cuatro enzimas que se resaltan en azul evitan las tres reacciones irreversibles de la glucólisis. Cuatro enzimas gluconeogénicas más algunas enzimas glucolíticas convierten el piruvato en glucosa El piruvato no puede ser reconvertido directamente en fosfoenolpiruvato, porque la piruvato cinasa cataliza una reacción irreversible (reacción 10 de la glucólisis). Para evitar esta barrera termodinámica, el piruvato es carboxilado por piruvato carboxi- lasa para generar el compuesto de cuatro carbonos oxalacetato (la misma reacción 342 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

que se muestra en la figura 13-9). Después, la fosfoenolpiruvato carboxicinasa cata- liza la descarboxilación de oxalacetato para formar fosfoenolpiruvato: O OϪ HCO3Ϫ ADP O OϪ GTP CO2 O OϪ C ϩ ϩ C ϩ C CO ATP Pi C O PO32Ϫ CH3 CO GDP CH2 Piruvato piruvato carboxilasa CH2 fosfoenolpiruvato Fosfoenolpiruvato carboxicinasa C ϪO O Oxalacetato Nótese que el grupo carboxilato agregado en la primera reacción se libera en la segun- da. Las dos reacciones tienen alto costo energético: la piruvato carboxilasa consume ATP, y la fosfoenolpiruvato carboxicinasa consume GTP (que equivale en energía al ATP). Se requiere la escisión de dos enlaces fosfoanhídrido a fin de aportar energía suficiente para “deshacer” la reacción altamente exergónica de la piruvato cinasa. Los aminoácidos (excepto Leu y Lys) son las principales fuentes de precursores gluconeogénicos porque todos ellos pueden ser convertidos en oxalacetato y luego en fosfoenolpiruvato. De este modo, en casos de inanición, es posible degradar pro- teínas y usarlas para producir glucosa a fin de alimentar al sistema nervioso central. Los ácidos grasos no pueden usarse como precursores gluconeogénicos porque no pueden convertirse en oxalacetato. (Sin embargo, el esqueleto de glicerol –de tres carbonos– de los triacilgliceroles es un precursor gluconeogénico.) Dos moléculas de fosfoenolpiruvato se convierten en una molécula de fructosa 1,6-bisfosfato en una serie de seis reacciones todas catalizadas por enzimas glucolíti- cas (pasos 4 a 9 en orden inverso). Estas reacciones son reversibles porque están cerca del equilibrio (ΔG ≈ 0), y el sentido del flujo es determinado por las concen- traciones de sustratos y productos. Nótese que la reacción de la fosfoglicerato cinasa consume ATP cuando opera en el sentido de la gluconeogénesis. También se requie- re NADH para invertir la reacción del gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa. Las tres reacciones finales de la gluconeogénesis requieren de dos enzimas exclusi- vas de esta vía. El primer paso revierte la reacción de la fosfofructocinasa, la reacción irreversible que constituye el principal punto de control de la glucólisis. En la gluco- neogénesis, la enzima fructosa bisfosfatasa hidroliza el fosfato C1 de fructosa 1,6-bis- fosfato para producir fructosa 6-fosfato. Esta reacción es favorable desde el punto de vista termodinámico, con valor de ΔG de -8.6 kJ • mol–1. Después, la enzima gluco- lítica fosfoglucosa isomerasa cataliza la reacción opuesta del paso 2 de la glucólisis para producir glucosa 6-fosfato. Por último, la enzima gluconeogénica glucosa 6-fos- fatasa cataliza una reacción hidrolítica que genera glucosa y Pi. Nótese que las reaccio- nes hidrolíticas catalizadas por fructosa bisfosfatasa y glucosa 6-fosfatasa revierten el trabajo de dos cinasas de la glucólisis (fosfofructocinasa y hexocinasa). La gluconeogénesis se regula en el paso de fructosa bisfosfatasa La gluconeogénesis es costosa en términos energéticos. Producir 1 glucosa a partir de 2 piruvatos consume 6 ATP, dos en cada uno en los pasos catalizados por piruvato carboxilasa, fosfoenolpiruvato carboxicinasa y fosfoglicerato cinasa. Si la glucólisis ocu- rriera de manera simultánea con la gluconeogénesis, habría un consumo neto de ATP: glucólisis glucosa ϩ 2 ADP ϩ 2 Pi 2 piruvato ϩ 2 ATP gluconeogénesis 2 piruvato ϩ 6 ATP glucosa ϩ 6 ADP ϩ 6 Pi 4 ATP 4 ADP ϩ 4 Pi neto 13-2 Gluconeogénesis | 343

A fin de evitar este desperdicio de energía libre metabólica, las células gluconeogéni- cas (principalmente hepáticas) regulan de manera cuidadosa las vías antagónicas de la glucólisis y gluconeogénesis conforme a las necesidades energéticas de la célula. El principal punto regulador se centra en la interconversión de fructosa 6-fosfato y fructosa 1,6-bisfosfato. Ya se ha visto que la fructosa 2,6-bifosfato es un potente ac- tivador alostérico de la fosfofructocinasa, que cataliza el paso 3 de la glucólisis. No sorprende que la fructosa 2,6-bisfosfato sea un potente inhibidor de la fructosa bisfosfatasa, que cataliza la reacción gluconeogénica opuesta. 6-Fosfato de fructosa glucólisis PFK F2,6P FBPasa gluconeogénesis 1,6-Bisfosfato de fructosa Este modo de regulación alostérica es eficiente porque un mismo compuesto puede controlar el flujo a través de dos vías opuestas de manera recíproca. Así, cuando la concentración de fructosa 2,6-bisfosfato es alta, se estimula la glucólisis y se inhi- be la gluconeogénesis, y viceversa. Muchas células que no realizan la gluconeogénesis contienen la enzima gluconeogénica fructosa bisfosfatasa. ¿Cuál es la razón de ello? Cuando están activas tanto fructosa bisfos- fatasa (FBPasa) como fosfofructocinasa (PFK), el resultado neto es la hidrólisis de ATP: PFK fructosa 6-fosfato ϩ ATP fructosa-1,6-bisfosfato ϩ ADP FBPasa fructosa 1,6-bisfosfato ϩ H2O fructosa 6-fosfato ϩ Pi neto ATP ϩ H2O ADP ϩ Pi Esta combinación de reacciones metabólicas se denomina ciclo fútil porque al parecer no produce un resultado útil. Sin embargo, Eric Newsholme advirtió que esos ciclos fútiles podrían en realidad constituir un medio para el ajuste fino del rendimiento de una vía metabólica. Por ejemplo, el flujo a través del paso de la fosfofructocinasa de la glucólisis es reducido por la actividad de la fructosa bisfosfatasa. Un compuesto alostérico como la fructosa 2,6-bifosfato modula la actividad de ambas enzimas, de mane- ra que cuando la actividad de una de ellas aumenta, la actividad de la otra disminuye. Este efecto regulatorio doble da por resultado la posibilidad de una gama más amplia de flujo neto que si el regulador simplemente activara o redujera una sola enzima. REPASO DE CONCEPTOS • ¿Cuáles reacciones de la gluconeogénesis son catalizadas por enzimas glucolíticas? • ¿Por qué algunas enzimas son exclusivas de la gluconeogénesis? • ¿Qué es un ciclo fútil y cuál es su finalidad? 13-3. Síntesis y degradación de glucógeno CONCEPTOS CLAVE La glucosa de los alimentos y la producida por gluconeogénesis se almacena en el • El sustrato de la glucógeno sintasa hígado y en otros tejidos como glucógeno. Más tarde, es posible separar unidades glucosa del polímero glucógeno mediante fosforólisis (véase sección 12-1). Dado es UDP-glucosa, cuya producción que la degradación de glucógeno es termodinámicamente espontánea, la síntesis de cuesta la energía libre de un enlace glucógeno requiere del aporte de energía libre. Las dos vías antagónicas usan diferen- fosfoanhídrido. tes conjuntos de enzimas, de modo que cada proceso puede ser favorable desde el • El glucógeno es fosforolizado para punto de vista termodinámico en condiciones celulares. producir glucosa que puede salir de la célula o ser catabolizada por glucólisis. 344 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

La síntesis de glucógeno consume la energía libre del UTP La unidad monosacárido que se incorpora en el glucógeno es glucosa 1-fosfato, pro- ducida a partir de glucosa 6-fosfato (el penúltimo producto de la gluconeogénesis) por la acción de la enzima fosfoglucomutasa: Ϫ2O3POCH2 HOCH2 HH O H HH O H HO OH H OH fosfoglucomutasa HO OH H OPO32Ϫ H OH H OH Glucosa 6-fosfato Glucosa 1-fosfato En las células de los mamíferos, la glucosa 1-fosfato se “activa” entonces al reaccionar con UTP para formar UDP-glucosa (como el GTP, el UTP equivale en términos energéticos al ATP). O HN OOO ON ϪO P O P O P OH2C O ϪO ϪO ϪO HH HH CH2OH HO OH HH O UTP H O OH H HO O P OϪ H OH OϪ Glucosa 1-fosfato UDP-glucosa pirofosfatasa 2 Pi pirofosforilasa inorgánica PPi O CH2OH HN HH O H ON O O O OH H HO O P O P OH2C H OH OϪ OϪ HH HH HO OH UDP-glucosa Este proceso es una reacción reversible de intercambio de fosfoanhídrido (ΔG ≈ 0). Nótese que los dos enlaces fosfoanhídrido del UTP se conservan, uno en el producto PPi y otro en UDP-glucosa. Sin embargo, el PPi es hidrolizado con rapidez por piro- fosfatasa inorgánica a 2 Pi en una reacción muy exergónica (ΔG°´ = -33.5 kJ • mol–1). 13-3 Síntesis y degradación de glucógeno | 345

Así, la escisión de un enlace fosfoanhídrido hace de la formación de UDP-glucosa un proceso exergónico irreversible; esto es, la hidrólisis de PPi “impulsa” una reacción que de otro modo estaría cerca del equilibrio. La hidrólisis de PPi por pirofosfatasa inorgánica es una estrategia común en las reacciones biosintéticas; volverá a verse esta reacción en la síntesis de otros polímeros, a saber DNA, RNA y polipéptidos. Por último, la glucógeno sintasa transfiere la unidad glucosa al grupo OH de C4 al final de una de las ramas de glucógeno para extender el polímero lineal de residuos con enlaces α(1 4). UDP ϩ UDP-glucosa Glucógeno glucógeno UDP sintasa UDP-glucosa fosforilasa Una enzima distinta, llamada transglucolasa o enzima ramificante, escinde un seg- pirofosfatasa mento de siete residuos y lo une a un grupo OH de C6 de glucosa para crear un punto de ramificación α(1 6). glucógeno sintasa Los pasos de la síntesis de glucógeno pueden resumirse como sigue: neto glucosa 1-fosfato ϩ UTP UDP-glucosa ϩ PPi PPi ϩ H2O 2 Pi UDP-glucosa ϩ glucógeno (n residuos) glucógeno (n ϩ 1 residuos) ϩ UDP glucosa 1-fosfato ϩ glucógeno ϩ UTP ϩ H2O glucógeno ϩ UDP ϩ 2 Pi El costo energético de agregar una unidad glucosa al glucógeno es la escisión de un enlace fosfoanhídrido de UTP. También se requieren nucleótidos para la síntesis de otros sacáridos (recuadro 13-C). RECUADRO 13-C UN VISTAZO MÁS DE CERCA Síntesis de otros sacáridos El cambio de energía libre estándar para la formación de un enlace enzima UDP-galactosa 4-epimerasa cataliza la isomerización de glucosídico es de alrededor de 16 kJ • mol–1, por lo cual la reacción UDP-glucosa a UDP-galactosa en una reacción que requiere debe acoplarse a un proceso termodinámicamente favorable como NAD+ (véase más adelante). la escisión de un enlace fosfoanhídrido (ΔG°´ ≈ 30 kJ • mol–1). En la síntesis de glucógeno, el enlace fosfoanhídrido se origina en Los oligosacáridos con enlaces N y O de las glucoproteínas el nucleótido UTP, y UDP-glucosa es un intermediario. Otros también se ensamblan a partir de nucleótido-azúcares. La construc- nucleótido-azúcares participan en la síntesis de otros sacáridos. ción de estas cadenas es catalizada por glucosiltransferasas que reco- nocen diversos nucleótido-azúcares en los que el monosacárido está La lactosa, un disacárido de glucosa y galactosa, se sintetiza por unido a UDP o GDP, como UDP-N-acetilgalactosamina o la transferencia de galactosa desde UDP-galactosa a un grupo OH GDP-manosa. En las plantas, el almidón se sintetiza usando de la glucosa. La UDP-galactosa misma es el producto de una ADP-glucosa, y la celulosa se sintetiza con CDP-glucosa como reacción de epimerización (los epímeros son azúcares que difieren materiales de partida. en la configuración de uno de sus carbonos; véase sección 11-1). La CH2OH CH2OH CH2OH O O HH O NADϩ NADH NADH NADϩ H H H H HO H OH H O UDP OH H O OH H H O UDP HO O UDP H OH H OH H OH UDP-glucosa UDP-galactosa 346 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

La glucógeno fosforilasa cataliza la glucogenólisis La degradación del glucógeno sigue un conjunto de pasos distinto de la síntesis de H2O Pi dicho polímero. En la glucogenólisis, el glucógeno se fosforilaza, no se hidroliza, para generar glucosa 1-fosfato. Sin embargo, una enzima desramificante puede reti- glucosa rar residuos con enlaces α(1 6) por hidrólisis. En el hígado, la fosfoglucomutasa 6-fosfatasa convierte glucosa 1-fosfato en glucosa 6-fosfato, el cual es hidrolizado entonces por glucosa 6-fosfatasa para generar glucosa libre. Pi glucógeno glucógeno glucosa 1-fosfato glucosa 6-fosfato glucosa fosforilasa fosfoglucomutasa Esta glucosa sale de la célula y pasa al torrente sanguíneo. Sólo tejidos gluconeogé- nicos como el hígado pueden proporcionar glucosa al organismo en general. Otros tejidos que almacenan glucógeno, como el músculo, carecen de glucosa 6-fosfatasa y de este modo degradan glucógeno sólo para sus propias necesidades. En estos teji- dos, la glucosa 1-fosfato liberada por fosforólisis de glucógeno es convertida en glu- cosa 6-fosfato, que entonces ingresa en la glucólisis en la reacción de la fosfoglucosa isomerasa (paso 2). Se evita la reacción de la hexocinasa (paso 1), lo cual ahorra el consumo de ATP. En consecuencia, la glucólisis de glucosa derivada de glucógeno tiene mayor rendimiento neto de ATP que la glucólisis de glucosa aportada por el torrente sanguíneo. Dado que la movilización de glucosa debe ajustarse a las demandas de energía de un tejido específico o de todo el organismo, la actividad de la glucógeno fosforilasa es regulada de manera minuciosa por una variedad de mecanismos vinculados con la señalización hormonal. De modo similar, la actividad de la glucógeno sintasa está sujeta a control hormonal. En el capítulo 19 se examinarán algunos de los mecanis- mos que regulan diferentes aspectos del metabolismo de los combustibles, incluidas la síntesis y degradación de glucógeno. En el recuadro 13-D se analizan los trastornos metabólicos conocidos como enfermedades del almacenamiento de glucógeno. RECUADRO 13-D NOTAS CLÍNICAS Enfermedades del almacenamiento de glucógeno Las enfermedades del almacenamiento de glucógeno (o glucogenosis) tanto la gluconeogénesis como la glucogenólisis, dado que la son un grupo de trastornos hereditarios del metabolismo de glucosa 6-fosfatasa cataliza el paso final de la gluconeogénesis y glucógeno, no todos resultan de la acumulación de este polímero, genera glucosa libre en la glucogenólisis. La hepatomegalia e como el nombre podría sugerir. Los signos y síntomas de las hipoglucemia pueden causar muchos signos y síntomas, como enfermedades del almacenamiento del glucógeno varían, dependien- irritabilidad, letargo y, en casos grave, la muerte. Un defecto do de si el tejido afectado es hígado, músculo o ambos. En general, relacionado es la deficiencia de la proteína de transporte que los trastornos que afectan el hígado causan hipoglucemia (deficiencia introduce glucosa 6-fosfato al retículo endoplásmico, donde se de glucosa en la sangre) y hepatomegalia (crecimiento excesivo del localiza la fosfatasa. Por razones que no se conocen bien, la hígado). Las glucogenosis que afectan en mayor medida músculo se deficiencia de transporte se asocia con disfunción de los neutrófilos caracterizan por debilidad y calambres musculares. La incidencia de (los primeros leucocitos en reaccionar a las infecciones). enfermedades del almacenamiento de glucógeno se estima hasta en 1 por cada 20 000 nacimientos, aunque algunas no se manifiestan sino La enfermedad del almacenamiento de glucógeno tipo III, o hasta la vida adulta. Se han descrito 12 tipos de enfermedades del enfermedad de Cori, resulta de una deficiencia de la enzima almacenamiento de glucógeno, y el efecto de cada una se presenta en desramificante del glucógeno. Este trastorno representa alrededor de el cuadro adjunto. La exposición que sigue se concentra en las más la cuarta parte de todos los casos de enfermedad del almacenamiento comunes de estas afecciones. de glucógeno y suele afectar tanto el hígado como el músculo. Los signos y síntomas incluyen debilidad muscular y hepatomegalia por Un defecto de la glucosa 6-fosfatasa (enfermedad del almacena- la acumulación de glucógeno, que no puede degradarse de manera miento de glucógeno tipo I, o enfermedad de von Gierke) afecta eficiente. Los signos y síntomas de la enfermedad del almacenamiento 13-3 Síntesis y degradación de glucógeno | 347

NOTAS CLÍNICAS Continuación de glucógeno tipo III a menudo mejoran con la edad y desaparecen menos un trastorno, la enfermedad del almacenamiento de hacia el principio de la vida adulta. glucógeno tipo II, se ha tratado con infusiones de la enzima faltante. Las glucogenosis son defectos de un solo gen, lo cual las El tipo más común de glucogenosis es el tipo IX. En este hace blancos atractivos para la terapia génica, aunque ésta todavía trastorno, La cinasa que activa la glucógeno fosforilasa es defectuosa. no resulta práctica (véase sección 3-4). Los signos y síntomas varían de graves a leves y pueden desaparecer con el tiempo. La complejidad de este trastorno refleja el hecho de Tipo Enzima deficiente que la fosforilasa cinasa consta de cuatro subunidades, con isoformas que se expresan de manera diferencial en el hígado y otros tejidos. I Glucosa 6-fosfatasa Los genes para la cadena α (la subunidad catalítica de la cinasa) se II α-1,4-Glucosidasa localizan en el cromosoma X, por lo que una forma de la enfermedad III Amilo-1,6-glucosidasa (enzima desramificante) (enfermedad del almacenamiento de glucógeno tipo VIII) se hereda IV Amilo-(1,4 1,6)-transglucolasa como rasgo ligado al sexo (son afectados más varones que mujeres). (enzima ramificante) Los genes para las subunidades β, γ y δ de la cinasa, que tienen V Glucógeno fosforilasa muscular funciones reguladoras, se encuentran en otros cromosomas, por lo VI Glucógeno fosforilasa hepática cual los defectos en estos genes afectan a varones y mujeres por igual. VII Fosfofructocinasa VIII, IX, X Fosforilasa cinasa La enfermedad del almacenamiento de glucógeno tipo II, que XI Transportador de GLUT2 es la deficiencia de una glucosidasa muscular, no es común, pero 0 Glucógeno sintasa causa la muerte en el primer año de vida. La enzima faltante es una hidrolasa lisosómica que no participa en las principales vías de PREGUNTAS degradación de glucógeno, pero que, como muchas enfermedades lisosómicas, al parecer interviene en el reciclaje de materiales celula- 1. La mayoría de los pacientes con glucogenosis moderada a grave res. El glucógeno se acumula en los lisosomas, y termina por experimentan algún retraso del crecimiento. ¿Qué característica de destruir la célula. las enfermedades del almacenamiento de glucógeno explicaría esto? En el pasado, las glucogenosis se diagnosticaban con base en 2. Los pacientes con enfermedad del almacenamiento de glucógeno síntomas, pruebas sanguíneas y dolorosas biopsias de hígado o tipo I a veces tienen hipertrofia renal. Explique. músculo para valorar su contenido de glucógeno. Los métodos de diagnóstico actuales se centran en el análisis de los genes implica- 3. Diga si las comidas pequeñas frecuentes a base de fécula (almi- dos en busca de mutaciones, lo cual constituye un método no dón) de maíz aliviarán los síntomas de la enfermedad del almace- invasor. El tratamiento de las enfermedades del almacenamiento de namiento de glucógeno tipo 0. glucógeno incluye un régimen de comidas pequeñas y frecuentes ricas en carbohidratos para aliviar la hipoglucemia. Sin embargo, 4. Explique si un trasplante hepático curaría todos los síntomas de la dado que la terapia dietética no elimina por completo los síntomas glucogenosis tipo III. de algunas glucogenosis, y en virtud de que las consecuencias metabólicas como hipoglucemia crónica y daño hepático pueden 5. Los signos de la enfermedad del almacenamiento de glucógeno afectar gravemente el crecimiento físico y el desarrollo cognitivo, el tipo XI incluyen hipoglucemia e hipergalactosemia. ¿Qué le indi- trasplante hepático ha resultado ser un tratamiento eficaz. Al ca esto acerca del funcionamiento de la proteína de transporte de glucosa GLUT2? REPASO DE CONCEPTOS • ¿Cuál es la función del UTP en la síntesis de glucógeno? • ¿Cuál es la ventaja de degradar glucógeno por fosforólisis? • ¿Por qué sólo algunos tejidos contienen glucosa 6-fosfatasa? 13-4. Vía de las pentosas CONCEPTOS CLAVE • La vía de las pentosas es una vía oxidativa para la producción de NADPH y la conversión de glucosa en ribosa. • Las reacciones reversibles de la vía permiten la interconversión de ribosa e intermediarios de la glucólisis y gluconeogénesis. Ya se ha visto que el catabolismo de la glucosa puede generar piruvato, el cual puede oxidarse aún más para producir más ATP o emplearse en la síntesis de aminoácidos y ácidos grasos. La glucosa también es un precursor de los grupos ribosa usados para 348 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

la síntesis de nucleótidos. La vía de las pentosas, que convierte glucosa 6-fosfato en ribosa 5-fosfato, es una vía oxidativa que actúa en todas las células. Pero a diferencia de la glucólisis, la vía de las pentosas genera NADPH en vez de NADH. Los dos cofactores no son intercambiables, y son fáciles de distinguir para enzimas degrada- doras (que utilizan NAD+) y enzimas biosintéticas (que usan NADP+). La vía de las pentosas no es de ninguna manera un aspecto menor del metabolismo de la glucosa. Hasta 30% de la glucosa en el hígado puede ser catabolizada por esta vía, la cual puede dividirse en dos fases: una serie de reacciones oxidativas se- guida por una serie de reacciones de interconversión reversibles. Las reacciones oxidativas de la vía de las pentosas producen NADPH El punto de partida de la vía de las pentosas es la glucosa 6-fosfato, que puede prove- nir de glucosa libre, del glucosa 1-fosfato producida por fosforólisis de glucógeno, o de la gluconeogénesis. En el primer paso de la vía, la glucosa 6-fosfato deshidro- genasa cataliza la transferencia metabólicamente irreversible de un ion hidruro desde la glucosa 6-fosfato hacia el NADP+, formando una lactona y NADPH: CH2OPO32Ϫ Hϩ CH2OPO32Ϫ ϩ HH O NADPϩ NADPH HH O H OH H glucosa 6-fosfato OH H O HO OH deshidrogenasa HO H OH H OH Glucosa 6-Fosfato 6-Fosfoglucono-␦-lactona La deficiencia de glucosa 6-fosfato deshidrogenasa es la carencia enzimática más común en el humano. Este defecto, que reduce la producción celular de NADPH, interfiere en el funcionamiento normal de determinados procesos redox y hace a las células más susceptibles al daño oxidativo. Sin embargo, los individuos con carencia de glucosa 6-fosfato deshidrogenasa también son más resistentes al palu- dismo. Así, el gen que codifica la enzima defectuosa (como el gen para la hemog- lobina drepanocítica descrita en el recuadro 5-A) persiste porque confiere una ventaja selectiva. El intermediario lactona es hidrolizado a 6-fosfogluconato por la acción de la 6-fosfogluconolactonasa: CH2OPO32Ϫ O OϪ C HH O H2O Hϩ H C OH OH H O HO C H HO 6-fosfogluconolactonasa H C OH H OH H C OH 6-Fosfoglucono-␦-lactona CH2OPO32Ϫ 6-Fosfogluconato Esta reacción también puede ocurrir en ausencia de la enzima. 13-3 Síntesis y degradación de glucógeno | 349

En el tercer paso de la vía de las pentosas, el 6-fosfogluconato se descarboxila de manera oxidativa en una reacción que convierte el azúcar de seis carbonos en otro de cinco carbonos y reduce un segundo NADP+ a NADPH: O OϪ CO2 CH2OH C ϩ CO H C OH H C OH NADPϩ NADPH H C OH CH2OPO32Ϫ HO C H 6-fosfogluconato H C OH deshidrogenasa Ribulosa 5-Fosfato H C OH CH2OPO23Ϫ 6-Fosfogluconato Las dos moléculas de NADPH producidas por cada molécula de glucosa que entra en la vía se usan principalmente en reacciones biosintéticas, como la síntesis de áci- dos grasos y la de desoxinucleótidos. Las reacciones de isomerización e interconversión generan diversos monosacáridos El producto ribulosa 5-fosfato de la fase oxidativa de la vía de las pentosas puede isomerizarse a ribosa 5-fosfato: CH2OH OH CO C H C OH ribulosa 5-fosfato H C OH H C OH isomerasa H C OH H C OH CH2OPO32Ϫ CH2OPO32Ϫ Ribulosa 5-fosfato Ribosa 5-fosfato La ribosa 5-fosfato es el precursor de la unidad ribosa de los nucleótidos. En mu- chas células, esto marca el final de la vía de los fosfatos de pentosa, que tiene la ecuación neta: glucosa 6-fosfato ϩ 2 NADPϩ ϩ H2O ribosa 5-fosfato ϩ 2 NADPH ϩ CO2 ϩ 2 Hϩ No es de sorprender que la actividad de la vía de las pentosas sea alta en células que se encuentran en rápida división, las cuales deben sintetizar grandes cantidades de DNA. De hecho, esta vía no sólo produce ribosa, sino que también aporta un agente reductor (NADPH) necesario para la reducción de ribosa a desoxirribosa. La ribo- nucleótido reductasa realiza la reducción de nucleótido difosfatos (NDP): 350 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

OO ϪO P O P O H2C O base OϪ OϪ HH HH OH OH NDP OO ϪO P O P O H2C O base OϪ OϪ HH HH OH H dNDP La enzima, que se oxida en el proceso, recupera su estado original en una serie de reacciones en las cuales el NADPH se oxida. Sin embargo, en algunas células la necesidad de NADPH para otras reacciones biosintéticas es mayor que la necesidad de ribosa 5-fosfato. En este caso, el exceso de carbonos de la pentosa se reciclan como intermediarios de la vía glucolítica, de modo que puedan degradarse a piruvato o usarse en la gluconeogénesis, dependiendo del tipo celular y de sus necesidades metabólicas. Una serie de reacciones reversibles transforman unidades ribulosa, de cinco car- bonos, en unidades de seis carbonos (glucosa 6-fosfato) y de tres carbonos (gliceral- dehído 3-fosfato). Estas transformaciones son realizadas principalmente por las enzimas transcetolasa y transaldolasa, que transfieren unidades de 2 y 3 carbonos entre diversos intermediarios para producir una serie de azúcares con 3 a 7 carbonos (la reacción catalizada por transcetolasa se presentó en la sección 7-2). La figura 13- 11 es una vista esquemática de este proceso. Dado que todas estas interconversiones son reversibles, los intermediarios glucolíticos pueden extraerse de la glucólisis o la gluconeogénesis para sintetizar ribosa 5-fosfato. Así, la célula puede usar algunos de los pasos de la vía de la pentosa o todos ellos para generar NADPH, para producir ribosa y para interconvertir otros monosacáridos. REPASO DE CONCEPTOS • ¿Cuáles son los principales productos de la vía de la pentosa y cómo los utiliza la célula? • ¿De qué manera la célula cataboliza el exceso de grupos ribosa? C5 C5 C5 C3 C7 C5 C6 C4 C5 C6 C6 C3 Figura 13-11. Reordenamientos de los productos de la vía de las pentosas. Tres de los productos de cinco carbonos de la fase oxidativa de la vía de las pentosas son convertidos en dos fructosa 6-fosfatos y un gliceraldehído 3-fosfato por reacciones reversibles que implican la transferencia de unidades de 2 y 3 carbonos. Esta vía también permite usar carbonos de ribosa en glucólisis y gluconeogénesis. 13-3 Síntesis y degradación de glucógeno | 351

Véase figura animada. Repaso del Resumen del metabolismo de la glucosa metabolismo de la glucosa. La posición central del metabolismo de la glucosa en todas las células justifica su estudio detallado. En efecto, las enzimas de metabolismo del glucógeno, glucólisis, gluconeogénesis y vía de las pentosas están entre las proteínas mejor estudiadas. En casi todos los casos, el conocimiento detallado de sus estructuras moleculares ha dado indicios sobre sus mecanismos catalíticos y modo de regulación. Aunque en este capítulo la cobertura del metabolismo de la glucosa dista de ser exhaus- tiva, se describen varias enzimas y reacciones, que se compilan en la figura 13-11. Al exa- minar este diagrama, deben tenerse presentes los siguientes puntos, que también se aplican a las vías metabólicas que se encontrarán en los capítulos siguientes: 1. Una vía metabólica es una serie de reacciones catalizadas por enzima, de modo que el sustrato de la vía se convierte en su producto en pasos discretos. 2. Un compuesto monomérico como la glucosa se interconvierte con su forma polimérica (glucógeno), con otros monosacáridos (p. ej., fructosa 6-fosfato y ribosa 5-fosfato), y con metabolitos más pequeños como piruvato, de tres carbonos. Figura 13-11. Resumen del Glucógeno UTP metabolismo de la glucosa. Este diagrama incluye las vías de síntesis y Glucosa degradación de glucógeno, glucólisis y gluconeogénesis, así como la vía de las ATP NADPH NADPH pentosas. Se emplean líneas de trazo discontinuo donde no se muestran las Glucosa Glucosa 6-Fosfogluconato Ribulosa Ribosa reacciones individuales. Los símbolos 1-fosfato 6-fosfato 5-fosfato 5-fosfato rellenos de color dorado indican producción de ATP; los símbolos con CO2 contorno dorado indican consumo de ATP. Los símbolos rellenos de color rojo Fructosa y con contorno rojo representan en ese 6-fosfato orden la producción y el consumo de los cofactores reducidos NADH y ATP NADPH. Fructosa 1,6-bisfosfato Dihidroxiacetona Gliceraldehído fosfato 3-fosfato NADH NADH 1,3-Bisfosfoglicerato ATP ATP 3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato GTP ATP Oxalacetato Aminoácidos Ácidos grasos Piruvato CO2 ATP Acetil-CoA NADH NADH ciclo del ácido cítrico Lactato 352 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

3. Aunque vías anabólicas y catabólicas pueden compartir algunos pasos, sus pasos irreversibles son catalizados por enzimas exclusivas de cada vía. 4. Determinadas reacciones consumen o producen energía libre en la forma de ATP. En la mayoría de los casos, se trata de reacciones de transferencia de grupos fosforilo. 5. Algunos pasos son reacciones redox que requieren o generan un cofactor redu- cido, como NADH o NADPH. RESUMEN 13-1. Glucólisis La vía utiliza siete enzimas glucolíticas, y las actividades de piruvato carboxilasa, fosfoenolpiruvato carboxicinasa, fruc- • La vía del catabolismo de la glucosa, o glucólisis, es una se- tosa bisfosfatasa y glucosa 6-fosfatasa evitan los tres pasos rie de pasos catalizados por enzimas en los cuales la energía irreversibles de la glucólisis. libre se conserva como ATP o NADH. • Un ciclo fútil en el que participan fosfofructocinasa y fruc- tosa bisfosfatasa ayuda a regular el flujo a través de glucólisis • Las 10 reacciones de la glucólisis convierten la glucosa, de y gluconeogénesis. seis carbonos, en dos moléculas de piruvato, y producen dos moléculas de NADH y dos moléculas de ATP. La pri- 13-3. Síntesis y degradación de glucógeno mera fase (reacciones catalizadas por hexocinasa, fosfoglu- cosa isomerasa, fosfofructocinasa, aldolasa y triosa fosfato • Los residuos glucosa se incorporan en el glucógeno después isomerasa) requiere la inversión de 2 ATP. La reacción irre- de ser activados por la unión a UDP. versible catalizada por fosfofructocinasa es el paso determi- nante de la velocidad y el principal punto de control para la • La fosforolisis de glucógeno produce glucosa fosforilada glucólisis. La segunda fase de la vía (reacciones catalizadas que puede ingresar en la glucólisis. En el hígado, esta glu- por gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, fosfoglicerato cosa se desfosforila y exporta. cinasa, fosfoglicerato mutasa, enolasa y piruvato cinasa) ge- nera cuatro ATP por cada glucosa. 13-4. Vía de las pentosas • El piruvato puede reducirse de manera reversible a lactato, • La vía catabólica de la pentosa para la glucosa produce NA- oxidarse aún más en el ciclo del ácido cítrico, o convertirse DPH y grupos ribosa. Los intermediarios de cinco carbo- en otros compuestos. nos pueden convertirse en intermediarios glucolíticos. 13-2. Gluconeogénesis • La vía de la gluconeogénesis convierte dos moléculas de pi- ruvato en una molécula de glucosa a un costo de seis ATP. GLOSARIO Fermentación Reacción determinante de la Glucogenólisis velocidad Activación anticipatoria Glucólisis Ciclo fútil Gluconeogénesis Reacción metabólicamente Cinasa Reacción cerca del equilibrio irreversible Enfermedad del almacenamiento Tautomerización de glucógeno Vía de las pentosas PROBLEMAS 13-1. Glucólisis 3. El valor de ΔG°´ para la reacción de la hexocinasa es de -16.7 kJ • mol–1, mientras que el valor de ΔG en condiciones celulares es similar. 1. Diga cuáles de las 10 reacciones de la glucólisis son a) fosforila- ciones, b) isomerizaciones, c) reacciones redox, d) deshidrataciones a) ¿Cuál es la proporción de glucosa 6-fosfato a glucosa en con- y e) rupturas de enlaces carbono-carbono. diciones estándar si la proporción de [ATP] a [ADP] es de 10:1? 2. ¿Cuáles reacciones de la glucólisis pueden revertirse? ¿Cuáles b) ¿Cuán grande tendría que ser la proporción de glucosa son irreversibles? ¿Qué implicaciones tienen las reacciones metabóli- 6-fosfato a glucosa para invertir la reacción de la hexocinasa por camente irreversibles? acción de masas? Problemas | 353

4. ¿Cuál es la proporción de fructosa 6-fosfato a glucosa 6-fosfato de no equilibrio? Considerando su respuesta a esta pregunta, ¿cómo en a) condiciones estándar y b) condiciones celulares? ¿En qué sen- explica el hecho de que la conversión de DHAP en GAP ocurre con tido procede la reacción en condiciones celulares? facilidad en las células? 5. Excepto durante la inanición, el encéfalo utiliza glucosa como 12. Las células cancerosas tienen concentración elevada de glice- su único combustible metabólico y consume hasta 40% de la gluco- raldehído 3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH), lo cual podría expli- sa que circula en el cuerpo. car la alta tasa de glucólisis que se observa en células cancerosas. Se ha demostrado que el compuesto metilglioxal inhibe la GAPDH en a) ¿Por qué sería la reacción de la hexocinasa el principal paso células cancerosas, pero no en células normales. Esta observación determinante de la velocidad de la glucólisis en el encéfalo? (En podría llevar al desarrollo de ensayos de detección rápida para células tejidos como el muscular, es la fosfofructocinasa y no la hexoci- cancerosas y de fármacos para el tratamiento de tumores cancerosos. nasa la que cataliza el paso determinante de la velocidad.) b) La hexocinasa encefálica tiene KM para la glucosa 100 veces a) ¿Qué mecanismos podrían ser responsables de las concentra- menor que la concentración de glucosa circulante (5 mM). ciones elevadas de GAPDH en células cancerosas? ¿Cuál es la ventaja de esta baja KM? b) ¿Por qué el metilglioxal podría inhibir la GAPDH en células cancerosas, pero no en células normales? 6. Con frecuencia se administra glucosa intravenosa (que se in- yecta de manera directa en el torrente sanguíneo) como fuente de 13. El arseniato, AsO43–, actúa como un análogo de fosfato y pue- alimento a personas enfermas. Un nuevo residente en el hospital de reemplazarlo en la reacción de la GAPDH. El producto de esta en el que realiza sus prácticas sugiere administrar glucosa 6-fosfato. reacción es 1-arseno-3-fosfoglicerato; es inestable, y se hidroliza de Recuerda de sus clases de bioquímica que la transformación de manera espontánea a 3-fosfoglicerato, como se muestra. ¿Cuál es el glucosa en glucosa 6-fosfato requiere de ATP, y considera la posi- efecto del arseniato en las células que experimentan la glucólisis? bilidad de que la administración de glucosa 6-fosfato podría aho- rrarle energía al paciente. ¿Debe llevar a la práctica la sugerencia O NADϩ NADH ϩ Hϩ O del residente? CH C OAsO32Ϫ HCOH ϩ AsO43Ϫ 7. Los investigadores aislaron una levadura mutante con deficien- GAPDH HCOH cia de la enzima fosfofructocinasa. La levadura mutante podía desa- rrollarse con glicerol como fuente de energía, pero no con glucosa. H2COPO32Ϫ H2COPO32Ϫ Explique por qué. O AsO43Ϫ O 8. Los investigadores aislaron una fosfofructocinasa (PFK) de le- C OAsO32Ϫ H2O C OϪ vadura mutante en la cual una serina en el sitio de unión del fructo- sa 2,6-bisfosfato estaba sustituido por un residuo aspartato. La susti- HCOH HCOH tución del aminoácido anuló por completo la unión de fructosa 2,6-bisfosfato (F26BP) a PFK. Ocurrió una notable declinación del H2COPO32Ϫ H2COPO32Ϫ consumo de glucosa y la producción de etanol en el mutante com- parado con la levadura testigo. 14. En varias especies de bacterias, la actividad de la GAPDH es controlada por el cociente NADH/NAD+. ¿Aumenta o disminuye la a) Proponga una hipótesis para explicar por qué la PFK mutante actividad de la GAPDH cuando se eleva ese cociente? Explique. no puede unirse a fructosa 2,6-bisfosfato. b) ¿Qué revela la declinación en el consumo de glucosa y en la 15. La fosfoglicerato cinasa de los eritrocitos está unida a la mem- producción de etanol de la levadura acerca del cometido de la brana plasmática. Esto permite a la reacción de la cinasa acoplarse a fructosa 2,6-bisfosfato en la glucólisis? la bomba de Na, K-ATPasa. ¿De qué manera la proximidad de la enzima a la membrana facilita la acción de la bomba? 9. Explique por qué el yodoacetato fue útil para determinar el orden de los intermediarios en la glucólisis, pero proporcionó infor- 16. Los eritrocitos sintetizan y degradan 2,3-bisfosfoglicerato mación falsa acerca del sitio activo de la enzima. (2,3-BPG) como una desviación respecto a la vía glucolítica, como se muestra. 10. Los bioquímicos utilizan análogos del estado de transición para determinar la estructura de un intermediario de vida corta en Gliceraldehído 3-Pi- una reacción catalizada por enzima. Dado que la enzima se une con fuerza al estado de transición, un compuesto que semeje a éste debe GAPDH ser un potente inhibidor competitivo. El fosfoglucohidroxamato se une con fuerza 150 veces mayor que la dihidroxiacetona fosfato a la 1,3-Bisfosfoglicerato 2,3-Bisfosfoglicerato triosa fosfato isomerasa. Con base en esta información, proponga PGK una estructura para el intermediario de la reacción de la triosa fosfa- to isomerasa. 3-Fosfoglicerato OH El 2,3-BPG reduce la afinidad por oxígeno de la hemoglobina al unirse a la cavidad central de la forma desoxigenada de la hemoglobina. N OϪ Esto fomenta el suministro de oxígeno a los tejidos. Un defecto en una C de las enzimas glucolíticas puede afectar las concentraciones de 2,3- BPG. La siguiente gráfica representa las curvas de unión a oxígeno para CH2OPO32Ϫ eritrocitos normales y deficientes en hexocinasa y piruvato cinasa. Identifique cuál curva corresponde a cuál deficiencia enzimática. Fosfoglucohidroxamato 11. ¿Cuál es la proporción de gliceraldehído 3-fosfato (GAP) a dihidroxiacetona fosfato (DHAP) en células a 37 °C en condiciones 354 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

Saturación de oxígeno (%) 100 Eritrocitos muerte acelerada por sustrato a menos que haya un “guardián en la 90 normales entrada”, esto es, un mecanismo que inhiba uno de los primeros 80 pasos de la vía. En la levadura, la hexocinasa es inhibida por un me- 70 10 20 30 40 50 60 canismo complejo mediado por la trehalosa 6-fosfato sintasa (TPSI). 60 p O2 (torr) Las levaduras mutantes en los cuales la TPSI es defectuosa (no hay 50 un “guardián en la entrada”) mueren si se cultivan en condiciones de 40 alta concentración de glucosa. Explique por qué. 30 20 23. Estudios recientes han demostrado que el microorganismo 10 halófilo Halococcus saccharolyticus degrada glucosa en la vía de Ent- 0 ner-Doudoroff y no en la vía glucolítica presentada en este capítulo. 0 Se muestra un esquema modificado de la vía de Entner-Doudoroff. 17. El vanadato, VO43–, inhibe la GAPDH, no al actuar como Glucosa análogo de fosfato, sino al interactuar con grupos –SH esenciales en NADPϩ la enzima. ¿Qué ocurre con las concentraciones celulares de fosfato, ATP y 2,3-bisfosfoglicerato (problema 16) cuando se incuban eri- NADPH trocitos con vanadato? Gluconato 18. El mecanismo de la fosfoglicerato mutasa vegetal difiere del mecanismo de la fosfoglicerato mutasa de los mamíferos, que se des- H2O cribe en el texto. El 3-fosfoglicerato (3PG) se une a la enzima vege- 2-Ceto-3-desoxigluconato (KDG) tal, le transfiere su fosfato, y luego la enzima lo transfiere de vuelta al sustrato para formar 2-fosfoglicerato (2PG). ¿Cuál es el destino de la ATP marca de [32P] cuando se agrega 3PG marcado con [32P] a a) hepa- tocitos cultivados o b) células vegetales cultivadas? ADP 19. ¿Cuáles intermediarios de la glucólisis se acumulan si hay pre- 2-Ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato (KDPG) sentes iones fluoruro? Piruvato Gliceraldehído 3-Pi 20. Suponiendo un cambio de energía libre estándar de 30.5 kJ • mol–1 para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi, ¿cuántas molécu- 1,3-BPG las de ATP pueden producirse en teoría en el catabolismo de la glu- cosa a a) lactato o b) CO2 (cuadro 13-1)? Piruvato 21. Organismos como la levadura que se cultivan en condiciones a) ¿Cuál es el rendimiento de ATP por mol de glucosa para esta vía? anaeróbicas pueden convertir piruvato en alcohol por un proceso lla- b) Describa en términos generales qué tipos de reacciones nece- mado fermentación, como se describe en el texto. En vez de conver- sitarían seguir la vía de Entner-Doudoroff en este organismo. tirse en lactato, el piruvato producido en la glucólisis puede transfor- marse en etanol en una reacción de dos pasos. El paso 1 es catalizado 24. Los tripanosomas que viven en el torrente sanguíneo obtienen por descarboxilasa pirúvica; el paso 2 es catalizado por deshidrogena- toda su energía libre de la glucólisis. Toman glucosa de la sangre del sa alcohólica. El producto, etanol, se difunde fuera de la célula ¿Cuál hospedero y excretan piruvato como producto de desecho. En esta es la importancia del paso 2 para la célula de levadura? parte de su ciclo vital, los tripanosomas no realizan ninguna fosfori- lación oxidativa, pero usan otra vía dependiente de oxígeno, ausente O CO2 O en los mamíferos, para oxidar NADH. 1 H3C C COOϪ H3C CH a) ¿Por qué es necesaria esta otra vía? b) Sería necesaria esa vía si el tripanosoma excretara lactato en Piruvato Acetaldehído vez de piruvato? c) ¿Por qué esta vía sería un buen blanco para fármacos antipa- NADH NADϩ rasitarios? 2 H3C CH2 OH 13-2. Gluconeogénesis Etanol 25. Una biopsia hepática de un niño de cuatro años indicó que la actividad de la enzima fructosa 1,6-bisfosfatasa era 20% del valor 22. El término diseño turbo se ha usado para describir vías como normal. Las concentraciones sanguíneas de glucosa del paciente fue- la glucólisis que tienen uno o más pasos consumidores de ATP se- ron normales al principio de un ayuno, pero luego disminuyeron de guidos por uno o más pasos productores de ATP con rendimiento neto de producción de ATP para la vía en su conjunto. Los modelos Problemas | 355 matemáticos han demostrado que las vías “turbo” tienen el riesgo de

manera súbita. También fueron elevadas las concentraciones de pi- A veces, el glucosa 1,6-bisfosfato se disocia de la enzima. ¿Por qué la ruvato y alanina, al igual que el cociente gliceraldehído 3-fosfato/ disociación del glucosa 1,6-bisfosfato inhibe la enzima? dihidroxiacetona fosfato. Explique la causa de estos signos. Ser O Ser Ser O 26. Los “esqueletos de carbono” de la mayoría de los aminoácidos CH2 O P OϪ CH2 OH CH2 O P OϪ pueden convertirse en glucosa, un proceso que suele requerir de mu- chos pasos enzimáticos. ¿Cuáles aminoácidos pueden entrar en la vía OϪ OϪ gluconeogénica de manera directa después de sufrir desaminación (una reacción en la cual el carbono con el grupo amino se convierte CH2OPO23Ϫ CH2OPO32Ϫ CH2OH en una cetona)? HH O HH O HH O 27. La brasilina, un compuesto presente en extractos acuosos de H H H la madera de sapán, se ha usado para tratar la diabetes en Corea. La brasilina incrementa la actividad de la enzima que produce fructosa OH H OH H OH H 2,6-bisfosfato, y el compuesto también estimula la actividad de la HO OH HO OPO23Ϫ HO OPO23Ϫ piruvato cinasa. H OH H OH H OH a) ¿Cuál es el efecto de agregar brasilina a los hepatocitos (células Glucosa 6-fosfato Glucosa 1,6-bisfosfato Glucosa 1-fosfato hepáticas) en cultivo? b) ¿Por qué la brasilina podría ser un tratamiento eficaz para la 33. La trehalosa es uno de los principales azúcares en la hemolin- diabetes? fa de los insectos (el líquido que circula en el cuerpo de estos anima- les). Es un disacárido que consiste en dos residuos glucosa unidos. 28. La metformina es un fármaco que reduce la expresión de la En la hemolinfa, la trehalosa sirve como una forma de almacena- fosfoenolpiruvato carboxicinasa. Explique por qué la metformina miento de glucosa y también ayuda a proteger al insecto de la dese- podría ser útil en el tratamiento de la diabetes. cación y el congelamiento. Su concentración en la hemolinfa debe regularse de manera estrecha. La trehalosa se sintetiza en la grasa 13-3. Síntesis y degradación de glucógeno corporal del insecto, que tiene una participación en el metabolismo análoga a la del hígado en los vertebrados. Estudios recientes en el 29. Incluso durante esfuerzos leves, los individuos con enferme- insecto Manduca sexta revelan que durante la inanición, la concen- dad de McArdle experimentan calambres musculares dolorosos a tración de glucosa en la hemolinfa disminuye, lo que causa un incre- causa de un defecto genético en la glucógeno fosforilasa, la enzima mento en la actividad de glucógeno fosforilasa del tejido graso y que degrada glucógeno. Y sin embargo los músculos de estos indivi- un decremento de la concentración de fructosa 2,6-bisfosfato. duos contienen cantidades normales de glucógeno. ¿Qué reveló esta ¿Qué efecto tienen estos cambios en la concentración hemolinfática observación a los investigadores acerca de las vías para la degrada- de trehalosa en el insecto en ayuno? ción y la síntesis de glucógeno? Cuerpo graso Hemolinfa 30. Un paciente con enfermedad de McArdle realiza ejercicio is- Glucosa quémico (anaeróbico) por todo el tiempo que le es posible. Se le Glucógeno Glucosa Trehalosa extrae sangre cada pocos minutos durante el periodo de ejercicio y se le examina en busca de lactato. Las muestras del paciente se compa- Glucólisis Trehalosa ran con muestras testigo de un paciente que no sufre enfermedades del almacenamiento de glucógeno. Los resultados se muestran en laConcentración sanguínea34. El glucógeno se degrada por un proceso de fosforólisis, que figura. ¿Por qué la concentración de lactato aumenta en el pacientede lactato, mg/100 mLproduce glucosa 1-fosfato. ¿Qué ventajas tiene este proceso sobre normal? ¿Por qué no hay un incremento correspondiente en la con- la hidrólisis simple, que produciría glucosa en vez de glucosa fos- centración de lactato del paciente? forilada? 60 13-4 Vía de las pentosas 40 Testigo 35. La mayoría de las vías metabólicas incluyen una reacción ca- talizada por enzima que obliga a un metabolito a continuar en la vía. 20 Paciente a) Identifique el primer paso obligatorio de la vía de los fosfatos 0 de pentosa. Explique su razonamiento. 0 5 10 15 20 25 30 b) La hexocinasa cataliza una reacción irreversible al comienzo Tiempo, minutos de la glucólisis. ¿Obliga este paso a la glucosa a continuar en la glucólisis? 31. Los pacientes con enfermedad de von Gierke tienen una defi- ciencia de glucosa 6-fosfatasa. Uno de los signos más notables de la 36. Un metabolito dado puede seguir más de una vía metabólica. enfermedad es prominencia del abdomen por crecimiento del híga- Enumere todos los posibles destinos de la glucosa 6-fosfato en a) do (hepatomegalia). Explique la hepatomegalia de los pacientes con una célula hepática y b) una célula muscular. enfermedad de von Gierke. 37. El glutatión reducido, un tripéptido que contiene un residuo 32. El mecanismo de la enzima fosfoglucomutasa es similar al de Cys, se encuentra en los eritrocitos, donde reduce peróxidos orgáni- la mutasa vegetal descrita en el problema 18 y se muestra enseguida. cos que se forman en estructuras celulares expuestas a altas concen- traciones de oxígeno reactivo. 356 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

2 ␥-Glu Cys Gly ϩ R O OH O SH Peróxido orgánico CH Glutatión reducido H C OH O ϩ NADϩ GAPDH CH2 O P OϪ T. tenax ␥-Glu Cys Gly OϪ S Gliceraldehído 3-fosfato S ϩ R OH ϩ H2O O ␥-Glu Cys Gly ϪO C Glutatión oxidado H C OH O ϩ NADH ϩ Hϩ El glutatión reducido también ayuda a conservar la estructura nor- mal del eritrocito y a mantener el ion hierro de la hemoglobina en H2C O P OϪ el estado de oxidación +2. El glutatión se regenera como se muestra en la siguiente reacción: OϪ ␥-Glu Cys Gly 3-Fosfoglicerato S 42. Varios estudios han demostrado que el metabolito glucosa ϩ NADPH ϩ Hϩ 1,6-bisfosfato (G16BP) regula varias vías del metabolismo de los carbohidratos inhibiendo o activando enzimas clave. En el cuadro S siguiente se resume el efecto del G16BP en algunas enzimas impor- tantes. ¿Qué vías se encuentran activas cuando está presente G16BP? ␥-Glu Cys Gly ¿Qué vías están inactivas? ¿Cuál es el efecto global? Explique. 2 ␥-Glu Cys Gly ϩ NADPϩ Enzima Efecto del G16BP SH Hexocinasa Inhibe Fosfofructocinasa (PFK) Activa Utilice esta información para predecir los efectos fisiológicos de Piruvato cinasa (PK) Activa una deficiencia de glucosa 6-fosfato deshidrogenasa. Fosfoglucomutasa Activa 6-Fosfogluconato deshidrogenasa Inhibe 38. Se realizaron experimentos en células cultivadas para determi- nar la relación entre actividad de glucosa 6-fosfato deshidrogenasa 43. El flujo a través de las vías antagónicas de la glucólisis y gluco- (G6PDH) y tasas de proliferación celular. Las células se cultivaron neogénesis se controla de varias maneras. Explique cómo afecta cada en un medio enriquecido con suero, el cual contiene factores de uno de los siguientes mecanismos el metabolismo de la glucosa. crecimiento que estimulan la actividad de G6PDH. Prediga el modo en que el cociente NADPH/NADP+ celular cambiaría en las si- a) La acetil-CoA activa la piruvato carboxilasa. guientes circunstancias: b) La alanina inhibe la piruvato cinasa. a) Se retira el suero del medio de cultivo. 44. Los individuos con intolerancia a la fructosa carecen de fruc- b) Se agrega DHEA, un inhibidor de la glucosa 6-fosfato deshi- tosa 1-fosfato aldolasa, una enzima hepática esencial para catabolizar drogenasa. fructosa. En ausencia de dicha enzima, la fructosa 1-fosfato se acu- c) Se agrega el oxidante H2O2. mula en el hígado e inhibe la glucógeno fosforilasa y la fructosa d) Se retira el suero y se agrega H2O2. 1,6-bisfosfatasa. 39. Escriba un mecanismo para la hidrólisis no enzimática de a) Explique por qué los individuos con intolerancia a la fructosa 6-fosfogluconolactona a 6-fosgluconato. exhiben hipoglucemia (baja concentración sanguínea de glucosa). b) La administración de glicerol y dihidroxiacetona fosfato 40. Determinadas enzimas del hongo del suelo Aspergillus nidulans no alivia la hipoglucemia, pero sí lo hace la administración de utilizan NADPH como coenzima para convertir nitrato en el ion galactosa. Explique. amonio. Cuando el hongo se cultivó en un medio que contenía nitra- to, se descubrió que las actividades de varias enzimas implicadas en el 45. Varios estudios han demostrado que el aluminio inhibe la metabolismo de la glucosa aumentaban. ¿Cuáles enzimas son buenos PFK en las células hepáticas. candidatos para la regulación en estas condiciones? Explique. a) Compare la producción de piruvato en el hígado perfundido 41. La vía glucolítica en la arqueobacteria Thermoproteus tenax difiere de ratas testigo y tratadas con aluminio, empleando fructosa de la vía presentada en este capítulo. La reacción de la fosfofructocinasa como fuente de energía. en T. tenax es reversible y depende de pirofosfato en vez de ATP. Además, b) ¿Cuáles serían los resultados experimentales si se usara glucosa T. tenax tiene dos isoenzimas GAPDH. La “GAPDH fosforilante” es si- en vez de fructosa? milar a la enzima descrita en este capítulo. La segunda isoenzima es la “GAPDH no fosforilante”, irreversible, que cataliza la reacción mostra- 46. La xilulosa 5-fosfato actúa como molécula de señalización in- da. T. tenax depende de reservas de glucógeno como fuente de energía. tracelular que activa cinasas y fosfatasas en células hepáticas. Como ¿Cuál es el rendimiento en ATP de un mol de glucosa oxidado por la vía resultado de esta señalización, ocurre un incremento en la actividad que usa la enzima GAPDH no fosforilante? de la enzima que produce fructosa 2,6-bisfosfato, y la expresión de genes para la síntesis de lípidos aumenta. ¿Cuál es el efecto neto de estas respuestas? Problemas | 357

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA Brosnan JT: Comments on metabolic needs for glucose and bolism in the integration of metabolic pathways, Am. J. Physiol. the role of gluconeogenesis, Eur. J. Clin. Nutr. 1999;53:S107- Endocrinol. Metab. 2006;291:E1-E8. [Describe las funciones S111 (1999). [Revisión muy amena en la que se analizan posi- del glucógeno en hígado y músculos.] bles razones de por qué los carbohidratos se emplean de manera universal como combustibles metabólicos, por qué la glucosa se Özen H: Glycogen storage diseases: new perspectives, World almacene en la forma de glucógeno, y por qué la vía de los fosfa- J. Gastroenterology 2007;13:2541-2553. [Describe los sínto- tos de pentosa es importante.] mas, bioquímica y tratamiento de las principales formas de esas enfermedades.] Greenberg, CC, Jurczak MJ, Danos AM, Brady MJ: Glyco- gen branches out: new perspectives on the role of glycogen meta- 358 | CAPÍTULO 13 Metabolismo de la glucosa

CICLO DEL ÁCIDO capítulo CÍTRICO 14 El sabor agrio de las frutas cítricas, como los limones, se debe a su concentración relativamente elevada de ácido cítrico, un compuesto de seis carbonos con tres grupos ácido carboxílico. De hecho, todos los tipos de organismos contienen ácido cítrico, o citrato, porque es un intermediario del ciclo del ácido cítrico, una vía fundamental en el metabolismo de virtualmente todas las células. ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO EEl capítulo 14, que cubre el ciclo del ácido cítrico, de manera lógica sigue al capítulo sobre el metabolismo de la glucosa, porque aquel ciclo representa la fase final del metabolismo de los carbohidratos. Sin embargo, debe tenerse presente que el ciclo del ácido cítrico también es una vía para el catabolismo final de los ácidos grasos (véase capítulo 17) y muchos aminoácidos (véase capítulo 18). Este capítulo no se limita a las enzimas y reacciones del ciclo del ácido cítrico, sino que también aborda el modo en que una vía metabólica circular puede surgir en el transcurso de la evolu- ción y cómo es que el ciclo del ácido cítrico forma parte de una red de vías sintéticas y degradativas. ■ | 359

BIOPOLÍMEROS El ciclo del ácido cítrico es una vía metabólica que convierte átomos de carbono en CO2 y, al Proteínas Ácidos nucleicos Polisacáridos Triacilgliceroles hacerlo, conserva energía metabólica que en úl- tima instancia impulsa la síntesis de ATP. Este ciclo representa la fase final de la oxidación de combustibles metabólicos, incluidos carbohi- MONÓMEROS dratos, ácidos grasos y aminoácidos (figura 14-1). Las ocho reacciones del ciclo del ácido cítrico Aminoácidos Nucleótidos Monosacáridos Ácidos grasos ocurren en el citosol de las procariotas y en las mitocondrias de las eucariotas. A diferencia de las vías lineales, como la NH4+ glucólisis (véase figura 13-3) o la gluconeogé- NAD+ NAD+ nesis (véase figura 13-10), el ciclo del ácido cítrico siempre vuelve al punto de partida, y en esencia se comporta como un catalizador de múltiples pasos. Es fácil visualizar el modo INTERMEDIARIOS en que una vía metabólica lineal pudo surgir en de 2 y 3 carbonos la historia evolutiva por la adición de pasos sucesivos, pero comprender la evolución de una vía circular como el ciclo del ácido cítrico NAD+, Q Ciclo Fotosíntesis representa un desafío mayor. Sin embargo, si del ácido se comparan las capacidades metabólicas de organismos que carecen de algunos o todos los cítrico pasos de este ciclo, es posible postular el modo CO2 en que pudo haberse originado la vía. Un examen del ciclo del ácido cítrico tam- bién ilustra una característica importante de las NADH, QH2 vías metabólicas en general, a saber, que una vía es menos parecida a un elemento de fontanería O2 y más a una telaraña o red. En otras palabras, la ADP vía no funciona como un ducto, en el cual en- tran sustancias por un extremo y salen transfor- Fosforilación oxidativa madas por el otro. Más bien, los intermediarios de la vía pueden participar en muchas reaccio- ATP nes, dependiendo de las necesidades de la célu- la. El ciclo del ácido cítrico no tiene igual en el H2O número de conexiones metabólicas que estable- NAD+, Q ce: es una vía central cuyos intermediarios son Figura 14-1. Ciclo del ácido cítrico en contexto. El ciclo del ácido cítrico es una vía tanto precursores como productos de una gran variedad de moléculas biológicas. metabólica fundamental cuyo material de partida son unidades acetilo de dos carbonos Los átomos de carbono ingresan en el ciclo derivadas de aminoácidos, monosacáridos y ácidos grasos. Éstos se oxidan al del ácido cítrico en forma de grupos acetilo deri- producto de desecho CO2, con la reducción de los cofactores NAD+ y ubiquinona (Q). vados de aminoácidos, ácidos grasos y carbohi- dratos. Dado que ya se ha considerado el catabolismo de carbohidratos, se usará piruvato, el producto final de la glucólisis, como el punto de partida del estudio del ciclo del ácido cítrico. Se examinarán las ocho reaccio- nes de este ciclo y se analizará el modo en que esta secuencia de reacciones pudo haber surgido en el transcurso de la evolución. Por último, se considerará al ciclo del ácido cí- trico como una vía multifuncional que se conecta con otros procesos metabólicos. 14-1. Reacción de la piruvato deshidrogenasa CONCEPTO CLAVE El producto final de la glucólisis es el compuesto de tres carbonos piruvato. En los • El complejo de la piruvato organismos aeróbicos, estos carbonos se oxidan en última instancia a 3 CO2 (aun- que los átomos de oxígeno no provienen de oxígeno molecular sino de agua y fos- deshidrogenasa incluye tres fato). La primera molécula de CO2 se libera cuando el piruvato se descarboxila a tipos de enzimas que de manera una unidad acetilo. La 2a y la 3a moléculas de CO2 son productos del ciclo del colectiva extraen un grupo ácido cítrico. carboxilato de un piruvato y producen acetil-CoA y NADH. 360 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico

(a) (b) Figura 14-2. Modelo del complejo El complejo de la piruvato deshidrogenasa contiene de la piruvato deshidrogenasa de B. múltiples copias de tres enzimas distintas stearothermophilus. Imágenes basadas La descarboxilación del piruvato es catalizada por el complejo de la piruvato des- en estudios de microscopia hidrogenasa. Este complejo enzimático, y las enzimas del ácido cítrico en sí, se crioelectrónica del complejo de la localizan dentro de la mitocondria (un organelo rodeado por una doble mem- piruvato deshidrogenasa. a) Vista de la brana y cuyo interior se denomina matriz mitocondrial). En consecuencia, el superficie. b) Vista en corte que muestra piruvato producido por glucólisis en el citosol debe transportarse primero al inte- el centro de 60 subunidades E2. En este rior de las mitocondrias. modelo la capa externa sólo contiene E3; en el complejo de piruvato Por conveniencia, los tres tipos de enzimas que constituyen el complejo de la pi- deshidrogenasa nativo, la capa externa ruvato deshidrogenasa se llaman E1, E2 y E3. Juntas catalizan la descarboxilación contiene tanto E1 como E3, que oxidativa del piruvato y la transferencia de la unidad acetilo a la coenzima A: ocupan posiciones similares. El espacio entre las dos capas de proteína es de Piruvato ϩ CoA ϩ NADϩ acetil-CoA ϩ CO2 ϩ NADH unos 75 a 90 Å. (Cortesía de Jaqueline L.S. La estructura de la coenzima A, un derivado de nucleótido que contiene la vitamina pantotenato, se muestra en la figura 3-4A. Milne y Sriram Subramaniam, National Cancer En E. coli, el complejo de la piruvato deshidrogenasa contiene 60 subunidades Institute, National Institutes of Health.) proteínicas (24 E1, 24 E2 y 12 E3) y tiene masa aproximada de 4 600 kD. En los mamíferos y algunas bacterias, el complejo enzimático es aún mayor, con 42 a 48 E1, 60 E2 y 6 a 12 E3 más proteínas adicionales que mantienen el complejo junto y regu- lan su actividad enzimática. El complejo de la piruvato deshidrogenasa de Bacillus stearothermophilus consta de un centro de 60 subunidades E2 que forman un dodecae- dro (un poliedro de 12 lados) rodeado por una capa proteínica externa (figura 14-2). La piruvato deshidrogenasa convierte piruvato en acetil-CoA La actividad de la piruvato deshidrogenasa requiere de varias coenzimas, cuyas fun- ciones en la reacción de cinco pasos se describen enseguida. 1. En el primer paso, catalizado por E1 (también llamado piruvato deshidroge- nasa), se descarboxila piruvato. Esta reacción requiere del cofactor pirofosfato de tiamina (TPP, figura 14-3). El TPP ataca el carbono carbonilo del piruvato, y la Anillo tiazolio O O Figura 14-3. Pirofosfato de tiamina OP O P OϪ CH3 CH2 OϪ (TPP). Este cofactor es la forma CH2 OϪ fosforilada de la tiamina, también conocida como vitamina B1 (véase N CH2 ϩN S sección 12-2). El anillo tiazolio central H3C N C es la porción activa. Un protón ácido (rojo) se disocia, y el carbanión NH2 H resultante es estabilizado por el nitrógeno con carga positiva cercano. El Pirofosfato de tiamina TPP es un cofactor para varias descarboxilasas distintas. 14-1 Reacción de la piruvato deshidrogenasa | 361

Figura 14-4. Lipoamida. Este grupo Ácido lipoico Lys prostético consta de ácido lipoico (una vitamina) unido por un enlace amida al S CH2 O NH grupo ε-amino de un residuo Lys de la CH2 proteína. La porción activa de la lipoamida de 14 Å de largo es el enlace S CH disulfuro (rojo), que puede reducirse de manera reversible. CH2 CH2 CH2 CH2 C NH (CH2)4 CH Lipoamida CO salida de CO2 deja un grupo hidroxietilo unido a TPP. Este carbanión es estabi- lizado por el grupo anillo tiazolio (con carga positiva) del TPP: CH3 ϩN CH3 CH3 CϪ S ϩN ϩN ϩ Hϩ CS CO2 CS O OϪ H O CϪ CH3 C ϪO C C CH3 Hidroxietil-TPP CO O OH CH3 Piruvato 2. El grupo hidroxietilo se transfiere entonces a E2 del complejo de la piruvato deshidrogenasa. El aceptor hidroxietilo es un grupo prostético lipoamida (figura 14-4). La reacción de transferencia regenera el cofactor TPP de E1 y oxida el grupo hidroxietilo a un grupo acetilo: CH3 CH3 CH3 ϩN Hϩ ϩN Hϩ ϩN CS CS CϪ S H O CϪ CH3 H O C CH3 O C CH3 S S S S HS HS Lipoamida 3. A continuación, E2 transfiere el grupo acetilo a coenzima A, lo que produce acetil-CoA y deja un grupo lipoamida reducido. Coenzima A CoA SH Acetil-CoA O CH3 O C CoA S C CH3 Sϩ HS HS HS 362 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico

Recuérdese que la acetil-CoA es un tioéster, una forma de moneda energética (véase sección 12-3). Parte de la energía libre generada por la oxidación del grupo hidroxie- tilo a un grupo acetilo se conserva en la formación de acetil-CoA. 4. Los dos pasos finales de la reacción restablecen el complejo de la piruvato deshi- drogenasa a su estado original. E3 reoxida el grupo lipoamida de E2 transfiriendo electrones a un grupo disulfuro Cys-Cys en la enzima. FAD HS FAD S Sϩ SH ϩ S HS SH S 5. Finalmente, NAD+ reoxida los grupos sulfhidrilo reducidos de Cys. Esta reac- ción de transferencia de electrones es facilitada por un grupo prostético FAD (la estructura del FAD, un derivado de nucleótido, se muestra en la figura 3-4C). NADϩ NADH ϩ Hϩ FAD FAD SH S SH S Durante la reacción de cinco pasos (que se resume en la figura 14-5), el largo grupo lipoamida de E2 actúa como un brazo oscilante que visita los sitios activos de E1, E2 y E3 dentro del complejo multienzimático. El brazo toma un grupo acetilo de una subunidad E1 y lo transfiere a la coenzima A en un sitio activo de E2. Enton- ces el brazo oscila hacia un sitio activo de E3, donde se reoxida. Algunos de los complejos multienzimáticos también contienen brazos oscilantes, a menudo unidos a dominios proteínicos con bisagras para maximizar su movilidad. NADϩ FAD SH 5 SH NADH ϩ Hϩ OH S FAD CO2 CH3 CϪ TPP S 4 S S 1 Hidroxietil-TPP Lipoamida HS HS OO 2 CH3 C C TPP O 3 O OϪ CH3 C S CH3 C S CoA Piruvato Acetil-CoA HS CoA Acetil-dihidrolipoamida Figura 14-5. Reacciones del complejo de la piruvato deshidrogenasa. En estas cinco reacciones, un grupo acetilo del piruvato se transfiere a CoA, se libera CO2, y el NAD+ se reduce a NADH. 14-1 Reacción de la piruvato deshidrogenasa | 363

Un complejo multienzimático como el complejo de la piruvato deshidrogenasa puede ejecutar una secuencia de reacción de pasos múltiples de manera eficiente porque el producto de una reacción puede convertirse con rapidez en el sustrato de la reacción siguiente sin alejarse por difusión ni reaccionar con otra sustancia. Exis- ten pruebas de que enzimas individuales de la glucólisis y del ciclo del ácido cítrico se asocian de manera laxa entre sí, de modo que la estrecha proximidad de sus sitios activos puede incrementar el flujo de intermediarios a través de sus respectivas vías. El flujo por el complejo de la piruvato deshidrogenasa es regulado mediante inhi- bición por producto: tanto NADH como acetil-CoA actúan como inhibidores. La actividad del complejo también es regulada mediante fosforilación y desfosforilación controladas por hormonas, lo que se ajusta a su función de guardián de la entrada de un combustible metabólico en el ciclo del ácido cítrico. REPASO DE CONCEPTOS • Describa la importancia funcional de las cinco coenzimas que participan en las reacciones catalizadas por el complejo de la piruvato deshidrogenasa. • ¿Cuál es la ventaja de un complejo multienzimático? 14-2. Las ocho reacciones del ciclo del ácido cítrico CONCEPTOS CLAVE Una molécula de acetil-CoA derivada de piruvato es un producto del catabolismo • El ciclo del ácido cítrico es una de carbohidratos así como del catabolismo de aminoácidos, dado que los esqueletos de carbono de muchos aminoácidos se degradan a piruvato. La acetil-CoA es también serie de ocho reacciones en un producto directo de la degradación de determinados aminoácidos y ácidos gra- las cuales un grupo acetilo se sos. En algunos tejidos, el grueso de la acetil-CoA proviene del catabolismo de ácidos condensa con oxalacetato, se grasos más que de carbohidratos o aminoácidos. pierden dos CO2, y el oxalacetato se regenera. Cualquiera que sea su fuente, la acetil-CoA ingresa en el ciclo del ácido cítrico para • Cada ronda del ciclo del ácido su posterior oxidación. Este proceso es altamente exergónico, y la energía libre se cítrico genera tres NADH, una QH2 conserva en varios pasos en la forma de nucleótido trifosfato (GTP) y cofactores re- y un GTP o ATP. ducidos. Por cada grupo acetilo que entra en el ciclo se producen dos moléculas de • El flujo a través del ciclo del ácido CO2 completamente oxidadas, lo cual representa una pérdida de cuatro pares de cítrico es regulado principalmente electrones. Estos electrones se transfieren a 3 NAD+ y una ubiquinona (Q) para pro- por retroinhibición en tres pasos. ducir 3 NADH y 1 QH2. La ecuación neta para el ciclo del ácido cítrico es por tanto: • Es probable que el ciclo del ácido cítrico haya surgido en la historia acetil-CoA ϩ GDP ϩ Pi ϩ 3 NADϩ ϩ Q evolutiva por la combinación de vías oxidativas y reductivas. 2 CO2 ϩ CoA ϩ GTP ϩ 3 NADH ϩ QH2 En esta sección se examina la secuencia de ocho reacciones catalizadas por enzima Véase figura animada. Resumen del del ciclo del ácido cítrico, concentrándose en unas pocas reacciones de interés. Toda metabolismo oxidativo de combustible. la vía se resume en la figura 14-6. 1. La citrato sintasa añade un grupo acetilo al oxalacetato En la primera reacción del ciclo del ácido cítrico, el grupo acetilo de la acetil-CoA se condensa con el compuesto de cuatro carbonos oxalacetato para producir el com- puesto de seis carbonos citrato. COOϪ H2O HSCoA COOϪ O Citrato CH2 CO sintasa HO C COOϪ ϩ CH3 C SCoA CH2 CH2 COOϪ COOϪ Citrato Oxalacetato Acetil-CoA 364 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico

COOϪ O COOϪ CH2 CO CH3 C SCoA C COOϪ Acetil-CoA CH2 CH2 HO COOϪ CoASH Oxalacetato 1 citrato sintasa COOϪ Citrato COOϪ CH2 NADH CH COOϪ HO C H NADϩ 8 malato 2 aconitasa COOϪ deshidrogenasa CH OH COOϪ Malato Isocitrato CH2 3 isocitrato NADϩ COOϪ deshidrogenasa 7 fumarasa COOϪ COOϪ H2O CH2 NADH CH2 ϩ CH CO CO2 HC COOϪ COOϪ COOϪ ␣-Cetoglutarato Fumarato QH2 COOϪ CH2 6 succinato CH2 CH2 4 ␣-Cetoglutarato NADϩ deshidrogenasa deshidrogenasa ϩ CH2 CO CoASH Q COOϪ 5 succinil-CoA SCoA NADH Succinato Succinil-CoA ϩ sintetasa CO2 GTP GDP ϩ ϩ Pi CoASH Figura 14-6. Reacciones del ciclo del ácido cítrico. La citrato sintasa es un dímero que experimenta un gran cambio conformacional al unirse al sustrato (figura 14-7). La citrato sintasa es una de las pocas enzimas capaces de sintetizar un enlace car- bono-carbono sin usar un ion metálico como cofactor. Su mecanismo se muestra en la figura 14-8. El primer intermediario de la reacción puede ser estabilizado por la formación de enlaces de hidrógeno de barrera baja, más fuertes que los enlaces de hidrógeno ordinarios (véase sección 6-3). La coenzima A liberada durante el paso final puede ser reutilizada por el complejo de la piruvato deshidrogenasa o emplearse más tarde en el ciclo del ácido cítrico para sintetizar el intermediario succinil-CoA. La reacción catalizada por la citrato sintasa es altamente exergónica (ΔG°´ = -31.5 kJ • mol–1, que equivale a la energía libre implicada en la ruptura del enlace tioéster de la acetil-CoA). Más adelante se explica porqué el funcionamiento eficiente del ciclo del ácido cítrico requiere que este paso tenga un gran cambio de energía libre. 14-2 Las ocho reacciones del ciclo del ácido cítrico | 365

Figura 14-7. Cambios (a) (b) conformacionales en la citrato 2. La aconitasa isomeriza citrato a isocitrato sintasa. a) La enzima en ausencia de sustratos. Las dos subunidades de la enzima dimérica se colorean en azul y verde. b) Cuando el oxalacetato (rojo, en su mayor parte sepultado) se une, cada subunidad experimenta un cambio conformacional que crea un sitio de unión para acetil-CoA (se muestra un análogo de acetil-CoA en anaranjado). Este cambio conformacional explica por qué el oxalacetato debe unirse a la enzima antes que el acetil-CoA pueda hacerlo. (Estructura de la citrato sintasa de pollo sola (pdb 5CSC) determinada D.-I. Liao, M. Karpusas y S.J. Remington; estructura de la citrato sintasa con oxalacetato y carboximetil- CoA (pdb 5CTS) determinada por M. Karpusas, B. Branchaud y S.J. Remington.) La segunda enzima del ciclo del ácido cítrico cataliza la isomerización reversible del citrato a isocitrato: COOϪ COOϪ COOϪ CH2 H2O CH2 H2O CH2 C COOϪ H C COOϪ HO C COOϪ CH2 CH HO C H COOϪ COOϪ COOϪ Citrato Aconitato Isocitrato El nombre de la enzima proviene del intermediario de la reacción. El citrato es una molécula simétrica, aunque sólo uno de sus dos brazos carboxi- metilo (–CH2–COO–) sufre deshidratación y rehidratación durante la reacción de la aconitasa. Esta especificidad estereoquímica intrigó por muchos años a los bioquí- micos, pero es una característica de todas las reacciones catalizadas por enzima (re- cuadro 14-A). 3. La isocitrato deshidrogenasa libera el primer CO2 La tercera reacción del ciclo del ácido cítrico es la descarboxilación oxidativa de iso- citrato a α-cetoglutarato. El sustrato se oxida primero en una reacción acompañada por la reducción de NAD+ a NADH. Entonces el grupo carboxilato en posición β respecto a la función cetona (esto es, a dos carbonos de distancia de la cetona) se elimina como CO2. Un ion Mn2+ en el sitio activo ayuda a estabilizar las cargas ne- gativas del intermediario de reacción. COOϪ NADϩ Hϩϩ NADH COOϪ COOϪ COOϪ CH2 O CH2 O CO2 CH2 Hϩ CH2 HC HCH HCC HCC HO C H OϪ C O OϪ C OϪ CO C C C C O OϪ O OϪ O OϪ O OϪ Isocitrato ␣-Cetoglutarato 366 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico

His 274 N N N N H H Asp 375 ϪOOC OH COOϪ HO ϪO O C CH2 O C CH2 C COOϪ 1. Oxalacetato y luego acetil-CoA se unen a la enzima Citrato 4. La hidrólisis libera CoA y citrato N HSCoA ϩ Hϩ H2O N ON N H ϪOOC CH Oxalacetato CH2 O Acetil-CoA OH O COOϪ H2C C SCoA ϪOOC C CH2 C SCoA H ϪO O Citril-CoA CH2 COOϪ C HO O C N 2. Asp 375, una base, extrae un O N 3. El enolato ataca al oxalacetato protón del grupo acetilo para ϪOOC C H producir un enolato, que es ϪO Hϩ para producir un intermediario estabilizado por un enlace de hidrógeno con His 274. Éste citril-CoA es el paso más lento de la reacción, o limitante de la velocidad CH2 H2C C SCoA COOϪ HO O C 4. La α-cetoglutarato deshidrogenasa libera el Figura 14-8. Reacción de la citrato segundo CO2 sintasa. La α-cetoglutarato deshidrogenasa, como la isocitrato deshidrogenasa, cataliza una reacción de descarboxilación oxidativa. También transfiere el fragmento restante de cuatro carbonos a CoA. COOϪ COOϪ CH2 CoASH CO2 CH2 CH2 CH2 CO CO NADϩ NADH S CoA COOϪ Succinil-CoA ␣-Cetoglutarato 14-2 Las ocho reacciones del ciclo del ácido cítrico | 367

La energía libre implicada en la oxidación del α-cetoglutarato se conserva en la for- mación del tioéster succinil-CoA. La α-cetoglutarato deshidrogenasa es un comple- jo multienzimático que recuerda al complejo de la piruvato deshidrogenasa tanto por su estructura como por su mecanismo enzimático. De hecho, la misma enzima E3 es miembro de ambos complejos. Las reacciones de la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogena- sa liberan ambas CO2. Estos dos carbonos no son los que entraron en el ciclo del ácido cítrico como acetil-CoA; éstos se liberan en rondas posteriores del ciclo (figura 14-9). Sin embargo, el resultado neto de cada ronda del ciclo es la pérdida de dos carbonos como CO2 por cada acetil-CoA que ingresa en el ciclo. RECUADRO 14-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA Asimetría en el ciclo del ácido cítrico En 1937, Hans Krebs describió una serie de reacciones que COOϪ COOϪ llegaron a conocerse como el ciclo del ácido cítrico (o ciclo de Krebs). En el esquema original de Krebs, el piruvato reacciona con CO CH2 oxalacetato para producir CO2 y citrato (aún no se descubrían HO C COOϪ CoA y acetil-CoA). CH2 COOϪ CH2 Piruvato CO2 COOϪ Oxalacetato Citrato Oxalacetato Citrato Malato Aconitato COOϪ COOϪ CH2 CH2 Fumarato Isocitrato C COOϪ Aconitato C COOϪ Succinato ␣-CetoglutaratoCO2 CH CH COOϪ COOϪ CO2 COOϪ Isocitrato COOϪ CH2 CH2 El resto de la vía, en que el citrato experimenta reacciones CH COOϪ CH COOϪ adicionales para liberar otras dos moléculas de CO2 y regenerar HO C H HO C H oxalacetato, es similar a la vía como se le conoce en la actualidad. COOϪ COOϪ Sin embargo, en experimentos en los cuales los materiales de COOϪ ␣-Cetoglutarato COOϪ partida estaban marcados con isótopos, de los que se dispuso en el CH2 CH2 decenio de 1940-49, pusieron en duda la identificación de Krebs CH2 CH2 del citrato como el primer intermediario del ciclo de reacción. El CO CO material de partida para un experimento fue oxalacetato que COOϪ COOϪ contenía un átomo del isótopo pesado 13C. Se esperaba que el átomo marcado pasara a formar parte del citrato y luego, dado que el citrato es una molécula simétrica, la marca isotópica se distribu- yera de manera simétrica en intermediarios posteriores del ciclo del ácido cítrico, como el α-cetoglutarato. Esta expectativa puede representarse en un diagrama (los carbonos con la marca isotópica se representan en rojo): Sin embargo, cuando el α-cetoglutarato se recuperó y analizó, sólo uno de sus carbonos tenía la marca (el carbono carboxilato 368 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico

UN VISTAZO MÁS DE CERCA Continuación contiguo al grupo carbonilo). La conclusión fue que el citrato no podría dar por resultado que un grupo carboximetilo (en verde) podría ser un intermediario en el ciclo del ácido cítrico, y Krebs, reaccionara de modo distinto que el otro. solícito, rebautizó la vía como ciclo de los ácidos tricarboxílicos y la modificó de manera que el citrato quedó simplemente como el producto de una reacción secundaria: Piruvato CO2 Oxalacetato Aconitato Citrato Malato Fumarato Isocitrato En consecuencia, el citrato marcado daría origen sólo a una Succinato CO2 molécula de α-cetoglutarato marcada. Consideraciones adicionales revelaron que ni siquiera es necesaria una fijación de tres puntos ␣-Cetoglutarato para que una enzima distinga dos grupos en una molécula como el citrato, los cuales se relacionan por simetría especular. El lector CO2 puede convencerse de lo anterior con un estuche sencillo de modelos de química orgánica. Ya habrá advertido que los sistemas Aunque parecía ajustarse a los datos, la vía modificada era biológicos son de manera inherente quirales (véase recuadro 4-A). incorrecta, porque la interconversión de aconitato y citrato mezclaría los carbonos marcados como si el citrato fuera parte de la El descubrimiento de Ogston, que en retrospectiva parece vía misma, que era lo que se propuso originalmente. La verdad fue obvio, es consistente con lo que se sabe acerca de la estructura y expuesta en 1948 por Alexander Ogston, quien señaló que si bien especificidad de reacción de las enzimas. De hecho, unos pocos el citrato es simétrico, sus dos grupos carboximetilo dejarían de ser años después de la observación de Ogston, los enzimólogos idénticos cuando se unieran a una enzima asimétrica. Ogston identificaron las enzimas del ciclo del ácido cítrico y verificaron mostró que una fijación de tres puntos del citrato a una enzima que en efecto el citrato se encontraba en la vía circular y no era un producto secundario. 5. La succinil-CoA sintetasa cataliza la fosforilación a nivel del sustrato El tioéster succinil-CoA genera gran cantidad de energía libre cuando se escinde (ΔG°´ = -32.6 kJ • mol–1). Esta energía libre es suficiente para impulsar la síntesis de un nucleósido trifosfato a partir de un nucleósido difosfato y Pi (ΔG°´ = 30.5 kJ • mol–1). El cambio de energía libre para la reacción neta es cercano a cero, por lo cual la reacción es reversible. De hecho, el nombre de la enzima proviene de la reacción inversa. En el ciclo del ácido cítrico de los mamíferos, la succinil-CoA sintetasa ge- nera GTP, mientras que las enzimas vegetales y bacterianas producen ATP (recuér- dese que el GTP equivale en términos energéticos al ATP). Una reacción exergónica acoplada a la transferencia de un grupo fosforilo a un difosfato de nucleósido se denomina fosforilación al nivel del sustrato para distinguirla de la forforilación oxidativa (véase sección 15-4) y la fotofosforilación (véase sección 16-2), que son vías más indirectas para sintetizar ATP. ¿De qué manera la succinil-CoA sintetasa acopla la escisión del enlace tioéster a la síntesis de un nucleósido trifosfato? La reacción es una serie de transferencias de grupos 14-2 Las ocho reacciones del ciclo del ácido cítrico | 369

Figura 14-9. Destinos de los átomos Acetil-CoA Citrato 1 de carbono en el ciclo del ácido Oxalacetato cítrico. Los dos átomos de carbono que se pierden como CO2 en las reacciones 2 catalizadas por isocitrato deshidrogenasa (paso 3) y α-cetoglutarato deshidrogenasa (paso 4) no son los mismos carbonos que entraron en el ciclo como acetil-CoA (rojo). Los carbonos acetílicos se convierten en parte del oxalacetato y se pierden en rondas posteriores del ciclo. Isocitrato 3 α-Cetoglutarato 4 Succinil-CoA fosforilo en que interviene un residuo His del sitio activo (figura 14-10). El intermedia- rio de la reacción de fosfo-His debe desplazarse una gran distancia para llevar el grupo fosforilo entre el grupo succinilo y el nucleósido difosfato (figura 14-11). Figura 14-10. Reacción de la succinil- 1. Un grupo fosfato desplaza CoA CoA sintetasa. en succinil-CoA. El producto, COOϪ COOϪ fosfato de succinilo, es un fosfato CH2 de acilo, que genera gran cantidad OϪ de energía libre cuando se escinde CH2 CH2 ϩ HO P OϪ CH2 CO O HSCoA CO SCoA OPO23Ϫ Succinil-CoA Fosfato de succinilo 2. El fosfato de succinilo dona N su grupo fosforilo a un residuo His en la enzima, produciendo Residuo His un intermediario fosfo-His y liberando succinato N H COOϪ N CH2 ϩ Hϩ CH2 N GDP ϩ Pi N PO32Ϫ H COOϪ GDP PO32Ϫ Succinato GTP 3. El grupo fosforilo se transfiere N entonces a GDP para formar GTP Fosfo-His 370 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico