La Enzima Hexoquinasa - Universidad de Chile

UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS AGRONÓMICAS
CÁTEDRA DE BIOQUÍMICA
CAPÍTULO IV
OXIDACIONES BIOLÓGICAS
Prof. Dr. Manuel Pinto Contreras
1
Oxidaciones Biológicas
Oxidaciones Biológicas
Durante el proceso de la fotosíntesis la energía luminosa queda almacenada en compuestos
meta estables como la glucosa, compuesto que sirve de almacen de la energía para
la realización del trabajo biológico en las células.
Para poder obtener esta energía almacenada en la glucosa las células heterótrofas van a estar
obligadas a desdoblarla mediante el proceso inverso de la fotosíntesis, la respiración. Si la
fotosíntesis correspondía a un fenómeno de reducción: mediante la energía radiante, el C se
lleva desde su estado de máxima oxidación, el CO2 a un estado de reducción elevado la
glucosa mediante la incorporación de y H+ sólidos del agua; la respiración, es el proceso
inverso, de oxidación, mediante el cual, la energía acumulada en la glucosa ( 673 Kcal mol -1
) va a ser liberada en la serie de pasos, y aprovechada en efectuar trabajo biológico.
La reacción general de la respiración se puede describir entonces:
C6H12O6 + O2
CO2 + H2O
AG = - 673
Kcal/mol -1
El uso de esta energía, no sólo lo hacen las células productoras de la glucosa fotosintética, sino
también otras células incapaces de fotosintetizar como las de las raices en los vegetales a
donde llega este compuesto transportando como sacarosa.
Esta forma de obtención de la energía la utilizan también todos los organismos heterótrofos,
como los animales, hongos y la mayoría de las bacterias. Todos estos organismos
oxidan preferentemente a la glucosa con frecuencia después de su obtención de
compuestos orgánicos macromoleculares, como el almidón y el glicógeno.
En la mayoría de los organismos autótrofos y heterótrofos el desdoblamiento de la glucosa se
efectúa en forma “aeróbica” o sea mediante el consumo de oxigeno. Algunos micro
organismos, como algunos tejidos de organismos superiores, también pueden efectuar
un desdoblamiento de la glucosa en ausencia de oxígeno.
Estos son del tipo “anaeróbico”
y muchas veces el oxígeno tiene un efecto tóxico para esos microorganismos.
El desdoblamiento anaeróbico de la glucosa se le conoce con el nombre de Fermentación. En
este caso no se produce una oxidación
total del combustible (glucosa
), liberándose compuestos como ácido láctico, etanol, metano, ácido butírico, etc., que le
han dado el nombre a varios tipos de fermentaciones que serán estudiadas en un capítulo
aparte.
Desdoblamiento Aeróbico de los Carbohidratos (Respiración)
Tanto en los animales como en los vegetales, la obtención de la energía químicamente utilizable
se realiza mediante los mismos procesos bioquímicos.
2
Oxidaciones Biológicas
Esta obtención de la energía, por lo general, se efectúa a partir de una hexosa, normalmente la
glucosa, la cual se oxida completamente a CO2 y H2O mediante un gran número de reacciones
que pueden agruparse en tres grandes procesos:
a) La glicólisis
b) El ciclo de los ácidos tricarboxilicos o ciclo de Krebs
c) La oxidación terminal o fosforilación oxidativa
Durante la glicólisis o glucólisis, la molécula de glucosa después de ser fosforilada se escinde
en 2 triosafosfatos que finalmente terminan como ácido pirívico.
Estas reacciones que ocurren en el citoplasma celular ocurren con un fuerte descenso en energía
libre el cual se aprovecha da para la síntesis de ATP.
Hasta el paso del ácido pirúvico las reacciones no necesitan O2 y son iguales en organismos
aeróbicos y anaeróbicos. Desde aquí se separan en:
a) Reacciones sin oxígeno en que la degradación del azúcar termina en un compuesto aún rico en
energía de 2 ó 3 átomos de carbono que puede ser : etanol, ácido lactico, metano, ácido
butírico.
b) Reacciones con oxígeno en que el desdoblamiento continúa hasta la formación de un acetato
activado, (Acetil CoA) capaz de ser utilizado en el ciclo de los ácidos tricarboxilicos o ciclo de
Krebs .
En el ciclo de los ácidos tricarboxilicos, el acetato activado compuesto de 2 carbones, es
completamente decarboxilado liberando CO2 e hidrógeno bajo la forma de compuestos reducidos:
NADH2 y el FADH2.
Estos compuestos reducidos serán desdoblados mediante la oxidacón terminal, en donde el
hidrógeno reacciona con el oxégeno molecular a través de las reacciones de la cadena respiratoria
de las mitocondrias. La energía de estas reacciones, que son fuertemente exergónicas, queda
atrapada en el ATP sintetizado en la denominada "fosforilación oxidativa".
De esta forma esta cadena de reacciones, conocida como "cadena respiratoria" se
constituye en el principal proveedor de energía para las células.
3
Oxidaciones Biológicas
Origen de la Glucosa para la Glicólisis
Las moléculas de glucosa que participan en las reacciones de la glicólisis pueden venir
directamente de la fotosíntesis en el caso de las células fotosínteticas o bién a partir del
desdoblamiento de disacáridos y polisacáridos de reserva. Pero antes de entrar a esta serie de
reacciones, estas moléculas deben ser activadas como ésteres fosfóricos proceso en el cual se
consume ATP.
Desdoblamiento enzimático de los hidratos de carbono de reservas
Los polisacaridos de reserva como almidón en los vegetales y el glicógeno en los animales
constituyen la principal fuente de glucosa para la glicólisis. Ambos compuestos penetran en la
secuencia glucolítica mediante su desdoblamiento por enzimas específicas.
En el caso de los organismos vegetales la degradación enzimática del almidón hasta glucosa es
posible por dos vías:
a) Desdoblamiento hidrolítico por las enzimas amilasas hasta el disacarido maltosa que a su
vez es desdoblado por la enzima maltasa a glucosa.
Esta vía es la más común de utilización de los glucidos a partir del almidón de los órganos de
reservas: germinación por ejemplo.
b) Desdoblamiento fosforolítico por enzimas fosforilasas con la formación de glucosa – 6 fosfato. Este mecanismo parece ser común en el desdoblamiento de polisacaridos de reservas
en animales y vegetales.
Desdoblamiento hidrolítico
Las enzimas amilasas que participan en este proceso, pertenecen a la categoría de las enzimas
hidrolasas que provocan la hidrólisis en enlaces glicosídicos (glicosidasas). Existen dos tipos
de amilasas: La  - amilasa y la  - amilasa . Ambas se diferencian en el modo de desdoblar las
moléculas de almidón.
La  - amilasa se encuentra ampliamente distribuida en el reino vegetal y también en la
saliva humana y en el páncreas. Está presente particularmente en las semillas con reservas de
hidratos de carbono como el trigo, la cebada, etc, de donde ha sido posible aislarla en forma pura.
Su peso molécular es alrededor de 60.000.
La  - amilasa está probablemente presente sólo en el reino vegetal y se ha aislado también a
partir de semillas de trigo y cebada durante la germinación.
La  - amilasa desdobla las macromoléculas de amilosa y amilopectina de las cuales se
compone en general el almidón primeramente en pequeños fragmentos de 6 a 7 unidades de
glucosa.
4
Oxidaciones Biológicas
Corresponde a una endoenzima, ya que actúa sobre los enlaces  (1-4) glucosídicos, formando
oligosacáridos. Cuando existen cadenas laterales de unión  (1-6) éstas no constituyen un
problema para la acción de esta enzima sobre los enlaces  (1-4), pero no puede desdoblar
las uniones  (1-6) de la amilopeptina. La unión 1-6 se conserva en el disacárido isomaltosa
que también aparece como producto del desdoblamiento. Bajo una acción prolongada de 
-amilasa desdoblada todo el polisacárido a maltosa.
La  - amilasa puede efectuar el desdoblamiento de la amilasa y la amilopeptina solo a
partir de los extremos no reductores de estas moléculas. Cada vez dos unidades de glucosa son
separadas en forma de maltosa. La  - amilasa es una "exoenzima" que tampoco puede
desdoblar los enlaces  (1-6) de la amilopeptina. Por esta razón las moléculas de amilopeptina
solo puede ser hidrolizada parcialmente (50%) por esta enzima quedando estos de un peso
molécular bastante elevado.
CH2OH
H
H
O
H
OH
H
H
OH
O
Isomaltosa
CH2
H
H
O
OH
H
OH
OH
H
OH
La degradación completa de la amilopectina sólo es posible cuando existe una acción
combinada de la
amilasa.
La  y  amilasa puede ser reemplazada también
por una isoamilasa que desdobla especificamente las uniones (1-6). El efecto conjunto de
ambas amilasas se aprecia durante la germinación de semillas de cereales como el trigo y la
cebada en donde la hidrólisis del almidón proporciona principalmente maltosa.
El desdoblamiento de la maltosa a dos moléculas de glucosa está a cargo de otra enzima, la
maltasa, que normalmente se encuentra junto con las amilasas.
CH2OH
CH 2OH
5
Oxidaciones Biológicas
CH2OH
H
H
H
O
H
O
H
O
H
H
H2O
2
OH
H
OH
H
OH
H
O
OH
OH
OH
OH
H
Maltasa
H
OH
H
OH
OH
Maltosa
Glucosa
La maltasa pertenece al grupo de enzimas  - glicosidasas (rompen enlaces  glicosídicos), y
durante la reacción transfiere el grupo OH del agua a un resto de glucosa.
En cada rompimiento de un enlace glicosídico se produce la incorporación de una molécula de
agua como aceptor de uno de los restos del almidón.
Desdoblamiento fosforolítico
Tanto las células vegetales como animales usan sus reservas de almidón o glucógeno mediante
otra reacción más económica desde el punto de vista energético.
En esta reacción en lugar de usar agua como aceptor de los restos del almidón, usan ácido
fosfórico. La reacción es catalizada por dos enzimas: la almidón fosforilasa para el caso de
los vegetales o la glucógeno fosforilasa en el caso de los animales.
La fosforilasa actúa desde el extremo no reductor del polisacarido separando cada vez el resto
de glucosa a la cual se adhiere el resto fosfórico y un hidrógeno va hacia la unidad de glucosa en
la posición terminal.
Las moléculas de amilasa son completamente hidrolizadas por la fosforilasa, en cambio las
amilopeptinas y el glicógeno sólo lo son en forma parcial. La fosforilasa al igual que la
amilasa no desdobla los enlaces (1-6). Estos enlaces son hidroliza dos por otra enzima
específica la amilo 1,6 glucosidasa.
La energía de la unión glucosídica que pierde con el desdoblamiento hidrolítico como calor y que
alcanza alrededor de G° = - 4,3 Kcal mol-1, en el caso del desdoblamiento fosforolíticos se
conserva en su mayor parte por formación del ester fosfato en la molécula de la glucosa - 1
fosfato. Esto significa un ahorro importante de energía puesto que para que la glucosa pueda
entrar a la glicólisis es necesario que entre fosforilada como glucosa - 6 - fosfato.
6
Oxidaciones Biológicas
Así la glucosa producida por la hidrólisis debe aún gastar un ATP para fosforilarse y entrar a
la glicólisis mientras que la glucosa - 1 - fosfato sólo debe transformarla mediante la acción
de la enzima fosfoglucomutasa.
Glucosa 1 fosfato
Kcal mol-1
Glucosa 6 fosfato
Gº = -1,74
fosfoglucomutasa
Esta es una reacción fácilmente reversible y de bajo costo energético.
La glucógeno fosforilasa del músculo esquelético posee dos formas:
-Fosforilasa “a” forma muy activa, de PM 380.000 y con 4 sub-unidades.
-Fosforilasa “b” forma menos activa.
La fosforilasa “a·” se puede disociar en 2 moléculas de fosforilasa “b” mediante la acción
de una fosforilasa-fosfatasa.
fosforilasa “a” - activa
Las fosforilasas del higado possen
una estructura muy distinta a la
de los músculos.
+
2 moléculas de fosforilasa “b” - activa
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Oxidaciones Biológicas
Incorporación de disacáridos
Los disacáridos ingeridos por los organismos heterótrofos son generalmente hidrolizados a
monosacáridos que pueden ser incorporados a la glicólisis.
Las reacciones más importantes que ocurren en los animales son:
CH2OH
CH 2OH
CH2OH
H
H
H
O
H
O
H
O
H
H
H2O
2
OH
H
OH
H
OH
H
O
OH
OH
OH
OH
H
Maltasa
OH
H
H
OH
OH
glucosidasa
Maltosa
2 Glucosa
CH2OH
CH 2OH
CH2OH
OH
O
H
H
O OH
O OH
H
H2O
OH
OH
H
O
OH
H
+
H
H
OH
H
H
H
H
H
OH
OH
H
OH
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Oxidaciones Biológicas
-galactosidasa
Lactosa
D Glucosa
CH2OH
OH
H
OH
OH
H
H
H
H
D Galactosa
OH
CH2OH
H
Invertasa
H
O
OH
H
O
O
H
OH
OH
CH 2OH
H
OH
OH
H
Sacarosa
CH2OH
H
O
H
OHCH 2
O
H
H
OH
H
OH
+
OH H
OH
OH
CH2OH
H
D- Glucosa
OH
OH
D Fructosa
H
H
9
Oxidaciones Biológicas
La Glicólisis
Como ya se ha mencionado, la glucosa destinada a ser desdoblada por las reacciones de la
glicólisis viene por lo general, del desdoblamiento de las reservas. Si este desdoblamiento
ocurre mediante la fosforólisis, la glucosa 1 fosfato resultante, sólo debe sufrir una transmutación
sin mayor gasto energético, para transformarse en glucosa 6 fosfato y, quedar lista para ser
desdoblada.
D Glucosa 1 fosfato
D-glucosa 6 fosfato
Gº
=
-1,74 Kcal mol-1
esta transmutación se efectúa mediante la acción de la enzima fosfogluco - mutasa.
Pero si la glucosa no está fosforilada, ella debe ser fosforilada previamente antes de entrar a la
glicólisis.
La fosforilación de la D-glucosa constituye, pues la primera reacción en la que se consume ATP.
Esta reacción se podría decir que prepara a la glucosa para las reacciones sub-siguientes al
formar una molécula con carga negativa. Es bajo esta forma que normalmente se encuentra
la glucosa en la célula, existiendo muy
poca cantidad de glucosa libre.
La reacción de fosforilación es catalizada por dos tipos de enzimas la hexoquinasa y la
glucoquinasa.
ATP + D-glucosa
ADP + D-glucosa - 6P
Gº
= - 4,0 Kcal mol-1
Gº
= -8,0 Kcal mol-1
La hexoquinasa es la enzima más comunmente empleada por las células vegetales y animales.
Esta enzima también cataliza la fosforilación de otras hexosas como fructosa, la D-manosa
y otros derivados de las hexosas como la glucosamina. Presenta una mayor afinidad con las
aldohexosas que son las cetohexosas
glucosa
fructosa
10
Oxidaciones Biológicas
2) Conversión de la Glucosa - 6P en Fructosa - 6P
La enzima que cataliza esta reacción es la glucosa fosfato isomerasa que ha sido aislada desde
el tejido muscular.
D-Glucosa 6P
D-Fructosa 6 fosfato
Gº
=
+ 0,4 Kcal mol-1
Gº = 0,6 Kcal mol
-1
Esta reacción es fácilmente reversible y se realiza en la célula sin dificultad.
gluco. P. isomerasa es específica para la glucosa y la fructosa 6 fosfato.
3)
La enzima
Fosforilación de la D-Fructosa 6- P a D-Fructosa 1,6 difosfato
Con esta reacción la molécula de fructosa es activada por segunda vez mediante la
incorporación de otro grupo fosfato en la posición 1 quedando como fructosa 1-6 difosfato. La
enzima que cataliza esta reacción es la 6 fosfofructo quinasa y
ATP + D-fructosa - 6 Fosfato
ADP + D-fructosa 1-6 difosfato
Gº
= -3,4 Kcal mol-1
es una enzima muy importante en la regulación de la glicólisis
Gº = -5,3 Kcal mol-1
Esta reacción es esencialmente irreversible en la célula. Debe recordarse que la mayor parte de
las reacciones catalizadas por enzimas reguladores son irreversibles esta reacción puede ser
revertida mediante una hidrólisis catalizada por la hexosa difosfatasa, otra enzima alostérica de
importancia en la regulación de la biosíntesis de glucosa.
Fructosa 1,6 difosfato + H2O
Fructosa 6 fosfato + Pi
Hexosa difosfatasa
Gº
Kcal mol
-1
= -4,0
11
Oxidaciones Biológicas
Acción de la fosfoglucomutasa
Cataliza la reacción fácilmente reversible
G1 1P
G1 6P
También puede catalizar
D - manosa 1P
D manosa 6P
pero a una velocidad 100 veces menos que el caso anterior.
La fosfoglucomutasa contiene un resto de serina de gran importancia para la catálisis.
OH
HO-CH2-C-COO
NH3
Este resto de serina durante la reacción se esterifica en su grupo hidroxilo también puede
esterificarse mediante el inhibidor.
Fosfogluoridato de diisopropilo
H
O
NH
CH - CH2OH
C
O
CH3
CH 3
+
HC -
F
CH3
O - P - O - CH
CH 3
O
N
C
CH
CH3
CH2
CH 3
O
HC - O - P - O
- CH
CH3
CH3
O
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Oxidaciones Biológicas
Resto activado de
la serina
Ester diisopropil fosfórico de la enzima
La Glucosa 1-6 difosfato también actúa como intermediario durante la reacción catalítica.
Fosfoenzima - Gl 1P
Derfosfoenzima
Desfosfoenzima + Gl 1-6P
Fosfoenzima
Fosfoenzima + Gl 1P
+
Gl 1 =
+
Fosfoenzima
Gl
+
6 DP
6P
Gl -
6P
Esquema
1 P
E-P+
1
P
E+
6 P
+
E-P+
6 P
6 P
La Enzima Hexoquinasa
La hexoquinasa de la levadura ya ha sido cristalizada ( PM 96.000 ) en los animales
aparece en forma de 3 isoenzimas que difieren en su afinidad por la glucosa.
Es una enzima regulador que es inhibido por su propio producto de reacción (gluc. 6P).
Así cuando la célula tiene una concentración elevada de gluc. 6P no necesita que la enzima esté
actuando y, por lo tanto, separa la fosforilación.
La Glucoquinasa
Sólo actúa sobre la D-Glucosa y no sobre otros azúcares.
Esta enzima posee un Km mucho
más alto que la hexoquinasa (Km =10 mM y 100 mM respectivamente) necesitando una
concentración de glucosa mucho más elevada para mostrarse plenamente activa.
-
No es inhibida por la Glucosa - 6P
- Está presente en el higado donde predomina, pero no en los músculos.
- Actúa cuando la glucosa en la sangre es temporalmente elevada como ocurre después de la
13
Oxidaciones Biológicas
ingestión de alimentos azucarados.
- El paciente que sufre de diabetes carece de esta enzima.
- En estos casos la concentración de la glucosa en la sangre es elevada debido a la secreción
defectuosa de la hormona insulina en el páncreas. La insulina aumenta la actividad de la glucoquinasa.
- La reacción por ambas enzimas necesita un catión divalente
Mg+2 ó Mn+2.
- Esta reacción no es reversible bajo la acción de ninguna de las 2 enzimas, puesto que son
reacciones altamente exergónicas.
-La desfosforilación enzimática de la D-gluc. 6P para generar glucosa libre en la sangre se realiza
por otra enzima, la Glucosa 6 fosfato
Gluc. 6P + H2O
Glucosa + HPO4
Gº
= -
3,3 Kcal mol-1
reacción exergónica también (ver hidrólisis del ATP)
4) Escisión de la Fructosa 1-6 difosfato en Dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehido - 3 fosfato.
Esta reacción es catalizada por la enzima fructosa difosfato aldolos
D-Fructosa 1,6 difosfato
Dehidroxiacetona fosfato + D gliceraldehido 3 fosfato
D- Fructosa 1,6 difosfato
Dehidroxiacetona fosfato + D-gliceraldehido 3 Fosfato
Gº =
+ 5,73 Kcal mol-1
Gº =
- 0,3
Kcal mol-1
CH2PO3
C=O
CH2OH
Dihidroxiacetona fosfato
H-C=O
H-C-OH
CHOPO3
D-gliceraldehido 3 fosfato
14
Oxidaciones Biológicas
5. Interconversión de los fosfatos de triosa
Sólo el D-gliceraldehido 3P puede degradarse directamente en las reacciones anteriores de la
glicólisis. Por lo tanto, la deshidroxiacetona fosfato por la acción de la enzima triosa fosfato
isomerasa pasa a gliceraldehido 3P, manteniendo el equilibrio.
Con esta reacción se completa la primera fase de la glicólisis, en donde la molécula de glucosa
se ha preparado mediante 2 fosforilizaciones y una excisión final. La fase siguiente es una fase
de oxido-reducciones y de formación de ATP a partir de ADP.
6.
Fosfofructosa quinasa
Se trata de una enzima alostérica. La fosforilización de la fructosa 6 fosfato es el punto de
control más importante de la glucotesis. Posee un PM de aprox. 380.000 (bastante elevado),
además posee varios moduladores alostéricos:
a) Se inhibe por altas concentraciones de ATP , citrato, órganos de cadena larga.
b) Es estimulada por el ADP y el AMP, cuando hay una gran cocentración de ATP en la célula
o bién de ác.orgánicos como citrato la enzima se inhibe. Por el contrario y la concentración de
ATP y citrato es baja la enzima se activa ( la concentración de AMP y ADP debe aumentar).
Fructosa difosfato aldolasa
Se encuentran en animales y vegetales y reciben el nombre de aldosas de la clase I. Aquella
aislada desde el músculo PM. 160.000.
Es oligomérica (4 sub-unidades) con grupos
SH libres algunos de los cuales son esenciales para su actividad
Oxidación del gliceraldehido 3 fosfato ác. 1,3 difosfoglicérìico.
Esta reacción es una de las más importantes, ya que en ella se conserva la energía de la
oxidación del grupo aldehido del gliceraldehido 3P en el producto el 3 fosfogliceril fosfato o
ác. 1,3 difosfoglicico.
La reacción global es:
D-3-fosfogliceraldehido + NAD + Pi
1,3 difosfoglicerato + NADH + H+
Gº
= + 1,5 Kcal
mol-1
Mientras que las reacciones de la glicólisis estudiada hasta ahora se han efectuado con cambios
de energía débiles, la deshidrogenación del 3 fosfogliceraldehido es fuertemente exergónica
( Gº = -10,3 Kcal mol). Cuando la oxidación tiene por producto un ácido carboxílico.
15
Oxidaciones Biológicas
H
O
C
H-
COO
C - OH
+ H2O + NAD
H - C - OH
H2C - O - PO3
+ NADH + H
H2C - O - PO3
Gº
=
-10,3 Kcal mol.
Como se trata de una oxidación biológica, el aceptor de los electrónes y protones va a ser al
NAD+, la glicólisis es el NADP+ y como recordamos el NADP actúa en la fotosíntesis.
Sin embargo, con la acción del NAD se conserva sólo los electrones y el hidrógeno en forma
reactiva,
pero
no
la
cantidad
considerable de energía producida al ser oxidado el 3-fosfogliceraldehido. La célula
evita que esta energía se libere como calor, incorporando al ácido carboxílico libre, se forma un
anhidrido mixto de del ácido fosfórico, el ácido 1,3 difosfoglicérico que es
COOH-C-OH
H2C-O-PO3
O
COO
H-C-OH
C +
H3PO4
H2C-O-PO3
ác. 3 fosfoglic_é“rico
H-C-OH
H2C-O
O
O
-
P
-
O
O
PO3
ác. 1,3 difosfoglic_é“tico
un fosfato de elevado contenido energético, cuya hidrólisis estandar tiene un G° más negativo
que el del ATP.
La suma de ambas reacciones nos da la reacción global ya presenta cuyo Gº va ser igual a:
16
Oxidaciones Biológicas
Gº total = Gº1 + Gº2
Gº total = -10,3 + 11,8
Gº total = + 1,5 Kcal mol-1
Se está en presencia aquí del acoplamiento de una reacción fuertemente exergónica, por lo
tanto, productora de energía y de otra endergónica o consumidora de energía, en donde el
intermediario común es el ácido 3-fosfoglicérico. De esta forma la energía liberada de la
oxidación del grupo aldehido se conserva en forma del grupo acetil-fosfato de elevado
contenido energético.
La enzima que cataliza esta reacción es la 3-fosfogliceraldehido - deshidrogenasa.
Transferencia del fosfato desde el 1,3 difosfoglicerato al
ADP
Mediante la acción de la enzima fosfoglicerato quinasa el ác. 1,3 difosfoglicerato transfiere el
fosfato del grupo acetil a ADP.
1,3 fosfoglicerato
+
ADP
3 fosfoglicerato
+
ATP
Gº
= -4,5 Kcal mol
Esta reacción es bastante exergónica.
La suma de esta reacción con la anterior se puede escribir
Gliceraldehido 3 fosfato + Pi + ADP + NAD
Gº
= 1,5 + (- 4,5)
Gº
= -3 Kcal mol-1
3 Fosfoglicerato + ATP + NADH + H+
Así por medio de ambas reacciones la energía de la oxidación de un grupo aldehido se ha
conservado como ATP. Todas estas reacciones fueron demostradas por WARBURG en la
década del 30.
Conversión de 3 fosfoglicerato en 2 fosfoglicerato
Por medio de la acción de la enzima fosfogliceratomutasa que provoca el desplazamiento
17
Oxidaciones Biológicas
intramolecular del resto del ácido fosfórico desde la posición 3 a la 2 , el
3 fosfoglicerato se transforma en 2 fosfoglicerato.
Esta reacción posee un cambio débil en energía libre y es reversible en la célula.
La enzima actúa de modo similar que en el caso de la transmitación de la gluc. 1-P a gluc. 6-P;
cada molécula de ác. fosfoglicérico que se origina, ha servido con anterioridad como captor de la
reacción, en este caso como ác. 2,5 difosfoglicerato.
Esquema
1
1
E-P + 2
E+P
3P
E-P 2 P
P
COO
3
COO
COO
COO
H-C-O-P
+
H2C-O-P
H-C-OH
(enzima)
H-C-O-P
H2C-O-P
2,3 difosfoglicerato + 3-fosfoglicerato
H-C-O-P
H2C-OH
H2C-O-P
2-fosfoglicerato + 2,3 difosfoglicerato
Deshidratación del 2 fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato
Esta reacción es catalizada por la enzima enolasa (PM. 85.000) que elimina una molécula
de agua formandose un compuesto enólico el ácido fosfoenolpirúvico. Con esta reacción el resto
del ácido fosfórico esterificado se convierte en la unión rica en energía del enolfosfato.
2-fosfoglicerato
fosfoenolpiruvato + H 2O
Gº
= +
0,44 Kcal mol-1
Fosfogliceraldehido - deshidrogenasa
- Posee cuatro unidades identicas con un centro catalítico c/u
el cual está unida la molécula de NAD.
- Posse además en el centro activo un grupo sulfídrico que es esencial para la actividad
18
Oxidaciones Biológicas
catalítica.
Modo de Acción:
1) apoenzima
La enzima se une al NAD+
E - SH
oxidado (coenzima).
NAD+ (coenzima)
2)
NAD+
E - SH
El grupo aldrhido del sustrato forma un enlace tiohemiacetal
con dicho grupo sulfidilo.
RCHO sustrato
NAD+
E=S
H
S-C-R
OH
trans . e-
3)
NADH
E
El NADH abandona luego el centro
activo de la enzima al intercambiarse con un NAD + oxid.
libre del medio.
S-C-R
O
NAD+
NADH
4)
NAD
E
S-C-R
El grupo acetil es luego transferido desde el sulfihidrilo
de la enzima al fosfato inorgánico para formar ác 1,3
difosfoglicérico, quedando la forma oxidada del complejo
enzima NAD+ listo para reanudar la reacción.
19
Oxidaciones Biológicas
O
Pi
NAD+
La enzima es una enzima alostéric su efecto es el NAD+
que a su ve es uno de sus sustratos.
E
SH
+
R-C-O
PO-23
O
COO
COO
H-C-O-P
(enolasa)
H2C -OH
C-O-P
CH 2
Transferencia del Fosfato desde el Fosfoenolpiruvato de ADP
La hidrólisis de fosfoenolpiruvato posee un cambio de energía bién estandar de unas 14,8 Kcal
mol-1. Esta liberación de energía tan alta hace que este compuesto posea un alto potencial
transferidos de grupos fosfatos. Mediante la enzima fosfopiruvato quinasa en presencia de
ADP el fosfoenol piruvato va a pasar a piruvato cediendo un fosfato al ADP.
Fosfoenolpiruvato + ADP
Piruvato + ATP
Gº
= - 7,5
Kcal mol-1
( fosfopiruvato quinasa)
COOH-C-O - P
CH2
COO
+
ADP
H-C -OH
+
CH2
COO
C=O
+ ATP
CH3
20
Oxidaciones Biológicas
fosfoenolpiruvato
piruvato
Esta reacción es muy exergónica y es irreversible en condiciones intracelulares.
La piruvato quinasa es también una enzima reguladora y su acción está determinada por el
nivel de ATP en la célula. Cuando éste es relativamente elevado la enzima deja de actuar.
Enolasa (PM. 85.000) necesita la presencia de Mg2 y Mn2
fluoruro.
es inhibida fuertemente por el
Mediante la eliminación de una molécula de agua desde los C2 y 3 del 2-fosfoglicerato se
produce una reacción de oxido reducción intramolecular, provocando que el C2 quede
más oxidado y el C3 más reducido.
A pesar de la relativamente pequeña variación de la energía libre de esta reacción, hay una gran
variación de la E. libre de la hidrólisis del grupo fosfato reaccionante y del producto.
La hidrólisis del 2-fosfoglicerato es
14,8 Kcal mol-1
-4,2 Kcal mol-1
a hidrólisis del fosfoenolpiruvato es -
COO
COO
2-fosfoglicerato
H-C-O - PO3
+
H2 O
H-C-OH
H2C-OH
Gº
= - 4,2 Kcal mol
-1
COO
H-C-O-PO3
CH2
+ H2O
más reducido
Fosfoenolpiruvato
21
Oxidaciones Biológicas
Balance de la glicólisis
En una primera etapa, para activar la molécula de glucosa se ocupan dos moléculas de ATP.
Una para la formación
de
glucosa 6-P
y
otra para la síntesis de
Fructosa 1,6 difosfato. Esta inversión inicial de energía rinde beneficios, puesto que posteriormente se recuperan 2 ATP por cada triosa-fosfato, es decir 4 ATP en total, en el paso del 1,3
difosfoglicerato a 3 fosfoglicerato y del fosfoenolpiruvato a piruvato.
Osea la ganacia neta es de 2 ATP por molécula de glucosa desdoblada. Esta ganancia
pareciera modesta, pero es necesario señalar que el producto final parcial, el ácido
pirúvico, representa un compuesto relativamente rico en energía que posteriormente puede ser
degradado vía ciclo de Krebs y su energía almacenada como ATP durante la fosforilación
oxidativa.
El hidrógeno excindido que se encuentra bajo la forma de 2 moléculas de NADH + H+,
representa una fuente de energía potencial, ya que también como se verá más adelante, podrá
generar ATP durante su oxidación y durante la fosforilación oxidativa.
La glicólisis desdobla así la glucosa, sin el uso de oxigeno conservando la energía mediante la
generación neta de 2 ATP y 2 NADH + H+ por molécula de glucosa desdoblada.
22
Oxidaciones Biológicas
CADENA RESPIRATORIA
Oxidación terminal: Cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa
Como ya se ha indicado anteriormente la ganancia de energía por el desdoblamiento de
moléculas, especialmente glúcidos se obtiene mediante la oxidación final de los
compuestos reducidos, NADH2 y FADH obtenidos durante la glicólisis y el ciclo de Krebs.
El proceso global de oxidación de estos compuestos va acompañado de un descenso fuerte de
energía libre, alrededor de G = - 52 Kcal mol-1, energía que es aprovechada para la síntesis de
ATP.
El hidrógeno del NADH2 o del FADH2 no se une en una sola reacción con el oxigeno, sino
que mediante una serie de reacciones intermedias que componen la denominada
cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria. De esta forma la liberación de
toda la energía del NADH2 o el FADH2 ocurre en forma gradual y puede ser fácilmente
controlada para que quede almacenada como ATP y no se pierda toda como calor. Así, pues la
función primordial de esta cadena oxidativa es la síntesis de ATP a partir de ADP y de fosfato
inorgánico.
Al igual que la cadena transportadora de electrones de las reacciones luminosas de la
fotosíntesis en los cloroplastos, esta cadena respiratoria, está constituida por una serie de catalizadores de oxido-reducción ubicados en serie en las menbranas mitocondriales. De esta forma los
electrones y o el hidrógeno de un compuesto con unpotencial electroquímico negativo elevado
(con alta presión de electrones) como es el caso del NADH2, puede transferir los electrones a otro
de potencial menos positivo, es decir, de mayor afinidad por los electrones.
El cambio de energía libre en este caso está descrito por la fórmula ya estudiada anteriormente,
Gº = -n F E°
y por lo tanto, toda reacción entre dos pares de redox de la cadena respiratoria que preenten
un desceno en la energía libre superior a 10 - 12 Kcal mol-1 (0,50V) va a representar un
lugar termodinámicamente factible de ser usado para el acoplamiento del fosfato inorgánico el
ADP. Es necesario recordar que en condiciones biológicas se necesitan alrededor de 10 a 12
Kcal para sintetizar 1 mol de ATP ( o bién 0,50 V)
El sistema de oxido reducción de la cadena respiratoria
En la Figura ( ) se indica la secuencia de los diferentes componentes de la cadena
transportadora ubicada en las mitocondrias.
En esta cadena los compuestos transportadores de electrones el flujo de éstos se produce en
23
Oxidaciones Biológicas
forma espontánea desde aquellos que poseen un alto potencial de oxido reducción a aquellos
ubicados en la parte inferior de la escala. Al principio de la cadena se encuentran con el par
redox formado por NADH2 NAD+ que poseen el potencial más electronegativo de la cadena
E°= - 0,32 voltios, por lo tanto, la más alta capacidad para oxidarse o entregar electrones a otro
aceptor de potencial más positivo.
Esta es una flavoproteina que contiene como grupo transferidor de electrones y protones al
FAD, el cual al reducire pasa a FADH2 con un potencial E° = - 0,05 volt.
Análogamente esta flavoproteina reducida se va a oxidar y pasar sus electrones y protones a
una molécula de ubiquinona o coenzima que posee un potencial E = - 0,05 volt.
Esta quinones se encuentran en plantas y animales y ya se discutió su modo de actuar cuando
se vió la cadena transportadora de elctrones de la fotosíntesis. La ubiquinona se diferencia de la
plastoquinona A que actúa en la fotosíntesis en que tiene dos grupos metoxi en lugar de los
grupos metilos en el anillo, y 10 en vez de 9 unidades de isopreno en la cadena lateral ( ver
fórmula de la platoquinona capítulo fotosíntesis). Algunos autores discuten la posición exacta
de la ubiquinona en la cadena respiratoria.
La oxidación de la ubiquinona la efectúan algunos citocromos específicos designados con las
letras c, b, a y a 3.
El citocromo B posee un potencial E° = 0,00 volt. el citocromo C de E° = 0,26 volt, y el
citocromo A de E° = 0,29 volt y el citocromo A3 que se encuentra al igual que D está dentro de
un complejo enzimático denominado la citocromo A oxidasa, de potencial de alrededor de E° =
0,5 volt. Este complejo es el que cataliza finalmente la transferencia de electrones al oxigeno
que forma una pareja redox con el agua cuyo potencial electroquímico es E° = 0,82 volt.
La transferencia de elctrones se efectúa acompañada de protones desde NADH2 a la
ubiquinona. Posteriormente con la oxidación de la ubiquinona el hidrógeno es ionizado
2H
2H+ + 1e- y liberado continuando solo la transferencia de electrones, entre los
citocromos. Cada citocromo acepta 1e-, mediante el cambio de valencia del hierro contenido en
su molécula Fe+3 + eFe+2, por lo que se presume que para el paso de los 2 eprovenientes de la oxidación del NADH2, se necesitan 2 equivalentes de citocromo.
Como ya se mencionó la transferencia de electrones desde el citocromo B al oxigeno se efectúa
mediante un complejo enzimático denominado citocromo-oxidasa al cual pertenecen 2 a 6
unidades de citocromo A. El citocromo A3 puede entrar en contacto directo con el oxigeno
O-2 e inmediatamente reacciona con hidrógeno H+ para formar agua, Con esta última
reacción se termina la transferencia de electrones y protones con la liberación correspondiente y
controlada de la energía.
La liberación total de energía, durante el traspaso de los electrones desde NADH2 al oxigeno se
puede calcular, considerando los potenciales electroquímicos de ambos pares redox.
NADH2 -- NAD +
H2
+
E= -0,32 v
2e ===
½ O2 + 2H + 2e --- H2O
E = + 0,82 v
24
Oxidaciones Biológicas
E = 0,82 -(- 0,32)
Eº = 1,14 volt.
y como,
G° = -n F A E luego
G° = -2 x 23.06 (Kcal/mol-V) x 1,14v
G° = -52,6 Kcal/mol NADH2
Así con la oxidación completa de un mol de NADH2 en la cadena respiratoria se liberan
52,6 Kcal, las que van a ser utilizadas en parte para la sintesis de ATP.
Como se vió, este descenso no es brusco, sino gradual, por lo que, en la cadena deben existir
lugares en donde el cambio de potencial entre dos pares redox permita por lo menos desde el
punto de vista termodinámico, la liberación suficiente de energía para el acoplamiento del Pi al
ADP. Así analizando el traspaso de elctrones desde el NADH2 a la flavoproteina o bién a la
ubiquinona, se tiene un cambio de potencial igual a:
NADH2 -- NAD + 2H + 2e ==== FAD + 2e + 2H --- FADH2
- 0,32v
E° = - 0,05 + 0,32
E° = + 0,27 v
por lo tanto, un
E° = - 0,05 - (-032)
G° igual a:
G° = - 2 x 23,06 x 0,27
G° = - 12,5 Kcal/mol NADH2
y como en condiciones biológicas se necesitan alrededor de 12 Kcal para la sintesis de un mol de
ATP, entonces este punto de la cadena respiratoria tiene la cantidad de energía necesaria para la
sintesis del ATP.
Entre la ubiquinona y la flavoproteina FADH2 y el citocromo C existe un
E = 0,26 v. con
una liberación de energía por cada par de electrones transportados igual a
G°= -12 Kcal, por lo que este representa energéticamente hablando otro sitio para la sintesis de
ATP.
Un tercer sitio en donde se libera suficiente energía para la sintesis del ATP, está asociado
con el complejo citocromo-oxidasa, pero sobre el cual se sabe relativamente poco debido a
que el potencial E del citocromo A3 no se conoce con exactitud.
Si se considera este
potencial igual a 0,5 v. entonces entre el citocromo A y el A3 habrá también una liberación de
alrededor de 12 Kcal.
25
Oxidaciones Biológicas
El cambio de energía libre estandar ( G) de la oxidación del NADH2 ya a sido señalado
como igual a 53 Kcal/mol.
Este total de energía liberada sirve entonces para la
síntess de 3 ATP, luego como G ATP = 7,3 Kcal, entonces la cantidad de energía aprovechada
para la síntesis de ATP durante la oxidación de un mol de NADH2 va a ser igual a:
3 x 7,3 = 22,0 Kcal, por lo tanto, la eficiencia energética en condiciones estandar de este proceso
es igual a:
Ej. = 22,0
53
x
100 = 41,5 %
lo que es bastante alto. En la célula en donde no existen condiciones estandar esta eficiencia
debe ser aún mayor.
El balance para la cadena respiratoria se puede escribir en forma global como sigue:
NADH2 + 3 ADP + 3 H3PO4 +
½ O2 === NAD + 3 ATP + 4 H2O
Se produce la formación de un mol de agua por la oxidación del NADH2 + 3 moles de agua
que se forman al adicionarse el ác. fosfórico al ADP.
Cuociente P/O Se denomina cuociente P/O a la relación que existe entre la cantidad de
ATP producido por una unidad de oxígeno utilizado. Este cuociente es de 3 para cuando el
ATP es formado a partir de la oxidaci_¢“n del NADH2 ( ver ec. global), es decir, se producen
3 moles de ATP por mol de oxígeno absorbido. En cambio cuando se produce la oxidación del
FADH2 , debido a que su potencial electroquímico es cercano a 0 (E° = 0,05 v) y no 0,32v.
como en el caso del NADH2, la liberación de energía va a ser menor ( G°FADH2 = 38
Kcal/mol ). Por lo tanto, según la cadena transportadora de electrones Fig.( ) en este caso van
a existir solo dos sitios con suficiente liberación de energía para la síntesis del ATP, o sea un P/O
= 2.
Balance total de la degradación aerobia de la glucosa
A continuación es conveniente analizar el balance total de la energía producida por la
degradación de un mol de glucosa durante el proceso respiratorio.
Glicólisis
C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2 H3PO4 === 2 C3H4O3 + 2NADH2 + 2 ATP
ác. piruvico.
26
Oxidaciones Biológicas
Los 2 moles de NADH2 rinde por oxidación:
2NADH2 + 6 ADP + 3 H3PO4 + O2 === 2 NAD+ + 8 H2O + 6 ATP
los dos moles de ác. pirúvico, sustrato rico en energía que se degrada el el ciclo de Krebs previa
activación a acetil CoA rinde:
2C3H4O3 + 2 NAD + CoA ----- 2 acetil A + 2NADH2 + 2 CO2
ác. pirúvico
luego estos dos NADH2 van a dar por oxidación :
2NADH2 + 6 ADP + 6 H3PO4 + O2 ==== 2NAD + 8 H2O + 6 ATP
Como cada vuelta del ciclo de Krebs oxida un grupo acetilo produciendo 3 NADH2 y un FADH2,
entonces la oxidación de los dos grupos acetilos va a dar 6 NADH2 y FADH2. Los 6 NADH2
van a proporcionar entonces 18 ATP ( 3ATP/NADH2) y los 2 FADH2 van a proporcionar 4 ATP
(2 ATP/FADH2) lo que va a dar un total de 22 ATP. Además la oxidación del grupo acetilo en
el ciclo de Krebs va a dar origen a un GTP por vuelta, luego en dos vueltas seran formados 2
GTP los que pasarán a constituirse en 2 ATP según se vió anteriormente. En total la oxidación
completa de los dos acetilos suma 24 ATP.
Resumiendo, la ecuación global para la oxidación de una molécula de glucosa es:
C6H12O6 + 38 ADP + 38 H3PO4 + 6 O2 --- 6CO2 + 44 H2O + 38 ATP
La ganancia neta es entonces de 38 ATP por mol de glucosa oxidado, lo que en términos
energéticos corresponde a:
7,3
x
38 = 277 Kcal/mol en condiciones standar.
Ahora
si
la
energía libre de la oxidación de la glucosa es G° = -673 Kcal/mol, la eficiencia energética
de este proceso va a ser igual a:
Ef =
277 x 100 = 41 %
673
In vivo es posible que alcance un valor más alto, ya que las condiciones no son estandar, y como
se ha visto la energía libre de la hidrólisis del ATP en las celulas alcanza un valor mayor a las
7,3 Kcal/mol.
DEGRADCION OXIDATIVA DE LOS AMINOACIDOS
(Incompleta)
Degradación oxidativa de los aminoácidos
27
Oxidaciones Biológicas
La función principal de los aminoácidos es la de ser constituyente de las proteinas , como
tanbién, la de ser precursores de otras
importantes
biomoléculas tales
como: las hormonas, las purinas, las pirimidinas, los fosfrinos y algunas vitaminas.
Otra función importante es la de servir como combustible, para la cual los aminoácidos
experimentan la pérdida de sus grupos aminos y el esqueleto carbonado restante puede entonces
seguir dos caminos:
- ser completamente oxidado a CO2 por la vía del ciclo de Krebs.
- ser convertido en glucosa por la vía de la moglucogénesis o en ácidos grasos.
Está claro que aquellos aminoácidos transformados en glucosa también podran eventualmente ser
completamente oxidado por la vía de la glicólisis y el ciclo de Krebs.
En los animales vertebrados los aminoácidos son oxidados activamente por lo que los grupos
aminos liberados deben ser excretados vía orina en forma de compuestos nitrogenados, principalmente úrea.
En las plantas (como también en bacterias) la oxidación completa de los aminoácidos es
poco común, sólo se produce cuando hay una nutrición anormal de la planta. Por lo
general en los vegetales hay una mayor tendencia hacia la síntesis de aminoácidos y proteínas
que hacia su degradación debido a que estos organismos están practicamente en crecimiento
continuo.
Proteolisis
La mayor parte de los aminoácidos libres en el metabolismo proviene de la degradación de las
proteínas. Estas, en el caso de los vertebrados pueden tener un origen externo ( alimentos ) o un
origen interno.
Esta degradación de las proteínas proviene fundamentalmente de la mantención del equilibrio
dinámico de los organismos y que se hace más evidente cuando éstos dejan de crecer. Es decir,
a medida que hay biosíntesis de macromoléculas, al mismo tiempo hay una degradación de
aquellas que están envejecidas. En tejidos jovenes en crecimiento activo, como es el caso de
los meristemas, y en organismos unicelulares que se dividen con mucha rápidez, esta degradación
es mínima en relación a la síntesis. En cambio en los vertebrados este proceso es importante,
registrandose por ej., una degradación de unos 400 grs. de proteínas diarias para un hombre de
unos 70Kg., alimentado con una dieta media. En semillas con reservas proteícas como las
leguminosas, la protelisis constituye un factor determinante en el suministro de aminoàcidos
libres.
La degradación proteíca, corresponde a una reacción exergónica, es decir, la constante de
equilibrio ( Keq.) de la reacción hidrolítica es mayor que uno y por lo tanto, la reacción está
desplazada hacia la formación de peptidos o de aminoácidos.
28
Oxidaciones Biológicas
El proceso general se puede explicar de manera que una molécula de proteína es
desdoblada en sus aminoácidos que la componen mediante una hidrólisis enzimática.
Las enzimas que participan en este proceso son denominadas proteasas y que según su manera
de actuar se pueden dividir en :
a) endopeptidasas, que son enzimas que atacan internamente a las proteínas y polipeptidos de
elvado peso molecular ( PM), dando como resultado fragmentos de peptidos de bajo PM.
b) exopeptidasas, que atacan por los extremos a la cadena de las proteínas y polipeptidos.
Las endopeptidasas más conocidas son las enzimas de la digestión en los vertebrados:
pepsina, tripsina, quimotripsina.
En los vegetales las endoproteasas más conocidas
son la ficina del latex de la higuera y la papaina del latex de papaya.
En los vertebrados la digestión de las proteínas comienza en el estómago con la acción de la
pepsina ( PM 33.000) excretada por la mucosa gástrica. Esta enzima posee una especificidad
muy amplia, pero ataca preferentemente a los enlaces peptídicos en los que intervienen
aminoácidos cromáticos como la metionina y la lucina.
Rinde fundamentalmente peptidos y pocos aminoácidos libres.
La tripsina y la quimotripsina actúan en el intestino delgado y son secrtetados a el desde el
páncreas. La tripsina hidroliza los enlaces peptidicos en los que intervienen los grupos
carboxílicos de la arginina y de la lisina, y la quimotripsina actúa sobre los enlaces que
contienen grupos carboxílos de aminoácidos cromáticos.
En el intestino delgado actúan también las carboxipeptidasas A y B que son exopeptidasas que
hidrolizan a las proteínas desde su extremo carboxilo.