Bioquímica de Harper
Índice de Capítulos
Capítulo 1: Bioquímica y medicina
Capítulo 2: Biomoléculas y métodos bioquímicos
Capítulo 3: Agua y pH
Sección I
Estructura y funciones de proteínas y enzimas
Capitulo 4: Aminoácidos
Capítulo 5: Péptidos
Capítulo 6: Proteínas. Estructura y función
Capítulo 7: Proteínas. Mioglobina y Hemoglobina
Capítulo 8: Enzimas. Propiedades generales
Capítulo 9: Enzimas. Cinética
Capítulo 10: Enzimas. Mecanismos de acción
Capítulo 11: Enzimas. Regulación de la actividad enzimática
Sección II
Bioenergética y el metabolismo de carbohidratos y lípidos
Capítulo 12: Bioenergenética. La función del ATP
Capítulo 13: Oxidación biológica
Capítulo 14: Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
Capítulo 15: Carbohidratos de importancia fisiológica
Capítulo 16: Lípidos de importancia fisiológica
Capítulo 17: Panorama del metabolismo intermediario
Capítulo 18: El ciclo del ácido cítrico. Catabolismo de la acetil-CoA
Capítulo 19: Glucólisis y oxidación del piruvato
Capítulo 20: Metabolismo del glucógeno
Capítulo 21: Gluconeogénesis y control de la glucosa sanguínea
Capítulo 22: Vía de la pentosa fosfato y otras vías del metabolismo de las hexosas
Capítulo 23: Biosíntesis de ácidos grasos
Capítulo 24: Oxidación de los ácidos grasos. Cetogénesis
Capítulo 25: Metabolismo de ácidos grasos insaturados y de los eicosanoides
Capítulo 26: Metabolismo de acilgliceroles y esfingolípidos
Capítulo 27: Transporte y almacenamiento de lípidos
Capítulo 28: Síntesis, transporte y excreción del colesterol
Capítulo 29: Integración del metabolismo y el suministro de energéticos tisulares
Sección III
Metabolismo de proteínas y aminoácidos
Capítulo 30: Biosíntesis de aminoácidos no esenciales en la nutrición
Capítulo 31: Catabolismo de proteínas y del nitrógeno de aminoácidos
Capítulo 32: Catabolismo de los esqueletos de carbono de aminoácidos
Capítulo 33: Conversión de aminoácidos en productos especializados
Capítulo 34: Porfirinas y pigmentos biliares
Sección IV
Estructura, función y replicación de las macromoléculas informativas
Capítulo 35: Nucleótidos
Capítulo 36: Metabolismo de los nucleótidos de purina y pirimidina
Capítulo 37: Estructura y función de los ácidos nucleicos
Capítulo 38: Organización y replicación del DNA
Capítulo 39: Síntesis, procesamiento y metabolismo del RNA
Capítulo 40: Síntesis de proteínas y el código genético
Capítulo 41: Regulación de la expresión genética
Capítulo 42: Tecnología del DNA recombinante
Sección V
Bioquímica de la comunicación extracelular e intracelular
Capítulo 43: Membranas. Estructura, ensamble y función
Capítulo 44: Acción de las hormonas
Capítulo 45: Hormonas de hipófisis e hipotálamo
Capítulo 46: Hormonas tiroideas
Capítulo 47: Hormonas que regulan el metabolismo del calcio
Capítulo 48: Hormonas de la corteza suprarrenal
Capítulo 49: Hormonas de la médula suprarrenal
Capítulo 50: Hormonas de las gónadas
Capítulo 51: Hormonas del páncreas y vías gastrointestinales
Sección VI
Tópicos especiales
Capítulo 52: Estructura y función de las vitaminas hidrosolubles
Capítulo 53: Estructura y función de las vitaminas liposolubles
Capítulo 54: Nutrición
Capítulo 55: Digestión y absorción
Capítulo 56: Glucoproteínas
Capítulo 57: Matriz extracelular
Capítulo 58: Músculo
Capítulo 59: Proteínas plasmáticas, inmunoglobulinas y coagulación sanguínea
Capítulo 60: Eritrocitos y leucocitos
Capítulo 61: Metabolismo de xenobióticos
Capítulo 62: Cáncer, oncogenes y factores de crecimiento
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Bioquímica y medicina
Roberf K. Murray, MD, PhD
INTRODUCCIÓN
La bioquirnica es la ciencia que estudia las diversas moliculas que ce presentan en las células y organismos
vivos, asi como las reacciones quimicas que tienen
lugar en los mismos. Una comprensibn más completa
de todas 1% manifestaciones de la vida, demanda el
conocimiento de la bioquímica. AdemBs, los estudiantes de
que adquieren una base siilida de
la bioquimica estarhn en una posición firme para
enfrentarse, en la práctica y la investigación, a los dos
intereses centrales de las ciencias de la salud: 1 ) la
comprensión y conservación de la salud y 2) la apreciación y tratamiento eficaz de la enfermedad.
La bioquímica es la química
de la vida
La bioquimica puede definirse de manera más forma1
como la ciencia que se ocupa de la base química de
la vida (del griego, bios: vida).
La cblula es la unidad estructural de los sistemas
vivientes. La concfderaci0n de este concepto conduce
a una definicion funcional de la bioquímica como la
ciencia que se ocupa de los constituyentes químicos
de las células vivas y de las reacciones y procesos que
experimentan. Con esta definición, la bioquimica
abarca extensas heac de la biología celular, la biología
molecular y la genkitica moIecular.
El objetivo de la bioquímica es describir
y explicar, en términos moleculares,
todos los procesos químicos
de las células vivas
El interés principal de la bioquimica es la comprensión completa a nivel rnolecular de todos los procesos
químicos relacionados con las células vivas. Para
lograr este objetivo, los bioquimicos han necesitado
aislar las numerosa moléculas de que se componen
las cé1u]a1 determinar sus e s t ~ - ~ c t u Yr a analizar la
forma en que funcionan. Para dar un e j e m ~ l o10s
~
e~füermsde numerosos bioquímicos Para comprender
la base mOlecular
de la
-proceso quc
acompaiia de preferencia, pero no de manera exclusiva, a las células musculares- han emprendido la
purificación de muchas moléculas, siniples y complejas, seguida por detallados estudios de esh-uctura-funcibn. A iraves de estos esfuerzos, se han encontrado
algunas
de los fundamentos muleculares
de la contracción muscular.
Un obietivo adicional de la bioqliímica es intentar
la comprensión del origen de la vida; este fascinante
tema aún se encuentra en la etapa embrionaria.
El campo de la bioquimica es tan amplio como la
vida misma. Dondequiera que hay vida, se prodiicm
procesos quimicos. Los bioquimicos los estudian en
microorganismos, vegetales, insectos, peces, aves,
mamíferos y en el ser humano. Es lbgico que los
estudiantes de ciencias biomédicas centren su interes
en la bioquimica de los dos últimos grupos. No obstante, una apreciaci6n respecto a formas de vida
menos complejas tiene a menudo relevancia directa
con la bioquimica humana. Por ejemplo, las teorías
contemporaneas sobre la regulación de las actividades de genes y enzima5 en el ser humano provienen de
estiidios pioneros en pan enmohecido y bacterias. El
campo del DNA recombinante surgió de estudios en
bacterias y sus virus; su rapidez para la multiplicacibn
y la facilidad para extraer su material genético los hace
adecuados para análisis y manipulaciones gentticas.
El cor,ocimiento logrado por el estudio de genes virales causantes de ciertos tipos de cáncer en animales
(oncogenes viraIes) ha permitido avanzar profundamente-en el modo en que la célula humana se torna
cancerosa.
2
Bioquim icu d~ JIarper
(Capitulo I )
El: conocimiento de la bioquímica es
esencial en todas las ciencias
de la vida, incluyendo la medicina
las ciencias de la salud, en particular médicos, son la
comprensión y mnservacibn de la salud y la comprensión
y tratamiento eficaz de las enfcmedades. !,a hioquimica tiene un impacto tremendo en ambos. De
hecho, la interrelación entre bioquimica y medicina es
un amplio camino de doble sentido. Los estudios
bioquimicos han ilurriinado numerosos aspectos de
salud y enfermedad y, de manera inversa, cl estudio
de éstas ha abierto areas nuevas en bioquimica. En la
figura 1-1 se muestran algunos casos de esta via de
doble dirección. Por ejemplo, fue necesario el conocimiento de la estructura y Ilinción de las proteinas para
dilucidar la sencilla diferencia bioquimica entre la hcmoglnbina normal y la de las células falcifonnes. Por otra
parte, el analisis de esta última ha conwibuido de mancra
significativa a la comprensibn de la estructura y función
dc la hemoglobina normal y de otras proteínas. Podrian citarsc ejemplos análogos del beneficio reciproco
entre bioquimica y medicina para los demhs pares de
conceptos mostrados en la figura 1 -1 . Otro ejemplo
es el trabajo pionero de Garrod, mkdico inglCs, a
principios de este siglo. Estudió pacientes con cierto
número de trastornos relativamente raros (alcaptonuria. alhinismo, pentosuria y cistinuria; descritos
en loc últimos capítulos) y estableció que su origen era
genciico. Garrod designb a estas enfemcdades como
errores congdnitos del metabolismo. Sus punros de
vista proporcionaron una base importante para el desarrollo del campo de la genktica bioquímica humana.
La relaciún entre medicina y bioquímica tiene
implicaciones filosóficas importantes para la primera.
Hasta donde el tratamiento medjco se asiente en el
conocimiento de la bioquimica y otras ciencias básicas
pertinentes (como fisiología, microbiologia y nutricibn), la práctica de la medicina tendrá una base
racional que puede acomodar nuevos conocimientos.
Esto contrasta con culros de saliid no ortodoxos, que
a menudo se elevan a poco más que un mito sin
fundamento intelectual alguno.
Los fundamentos de la genética se apoyan en la bloquímica de los ácidos nucleicos; a su vez, los enfoques
geneticos han dilucidado numerosas áreas de la bioquímica. La fisiologia, estudio de la función corporal,
se traslapa casi por completo con la bioquimica. La
inmunoIogía, por su parte, emplea numerosas técnicas
bioquimicas y muchos de los aspectos inmunol0gicos
han encontrado uso extenso eiitre bioquimicos.
Asimismo, la farmacologia y la farmacia se apoyan en
un co~iocimientosblido dc bioquimica y Ilsiologia;
en particular, la mayoría de los firmacos son metabolizados por reacciones catalizadas por enzimas y las
comple,jas interacciones entre fármacos se comprenden mejor desdc el punto de vista bioquimico. También los venenos actúan por medio de rcaccjones o
procesos bioquimicos y este es el terna de la toxicologia. Cada vez más se emplean enfoques bioquimicos en el estudio de aspectos básicos de la patología
(estudio de la enfermedad}, como inflamación, lesión
celular y cancer. Muchos profesionales en rnicrobiologia, 7001ogía y botanica emplean métodos bioquímicos casi de manera exclusiva. Estas relaciones
110 sorprenden, debido a que la vida como se conoce
dcpende de reacciones y procesos bioquirnicos. De
hecho, han caído las viejas barreras entre las ciencias
de la vida y la bioquirnica se toma cada vez mas su
lenguaje común.
Una relación recíproca entre
la bioquímica y la medicina
ha estimulado adelantos mutuos
Como se estableciii al principio de este capítulo, las
dos preocupaciones principales de los estudiosos de
Actdos
nucEelc05
geneticas
Proteína
Anemia de células
falciforme5
t
I
t
Lípidos
Aterosclerosis
Carbohidratos
Diabetes
sacarina
MEDICINA
Figura 1-1. Ejemplos de la via de doble dirección (interrelación) que existe entre la bioquímica y medicina. El conocimiento
de los Compuestosmostradosen la porci6n superior del diagrama ha esclarecido las enfermedades mencionadas en la porcion
inferior; de manera inversa, análisis de los trastornos mostrados abajo han despejado numerosas áreas de la bioquimica
Debe aclararse que la anemia de cklulas falciformes es una enfermedad genetica y que tanto la aterosclerosiscomo la diabetes
sacarina tienen componentes geneticos
Bioquímicuy medicina
LOS PROCESOS BIOQU~MICOS
NORMALES SON LA BASE
DE LA SALUD
La Organización Mundial de la Salud (OMS) define
a la salud como un estado de "bienestar fisico, mental
y social completo y no unicamente fa ausencia de
enferrnedad o dolencia". Desde un punto de vista
bioquimico estricto, puede considerarse a la salud
como la situación en donde las miles de reaccioiies
intra y extracelulares que tienen lugar en el cuerpo
proceden a velocidades adecuadas a su supervivencia
máxima en el estado fisialogico. Sin embargo, este es
un concepto sumamente reduccionista; es necesario
enfatizar que atender la salud de los pacientes no sólo
requiere de un extenso conocimiento de los fundamentos biológicos sino tambien de principios sociales
y psicolbgicos.
Cuadro 1-1. Principales causas de enfermedad.
Tcd a s las cairsiisenunieradas actiian bajo
tia
dt! varios rnecanisnl o s bioquírnicos t
la
o t:n el cuerpo*
..
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
- .. --.
.
.. -
.
p
.
- -- -
Agcnt cs f i s i c o s - ~ r a i i a t i s m or n e c á n i c o ~
tcinper aturas extremas, cambios repentinos cn la
prcsióri atmosférica, radiacibn, choque elkctrico
Aeente quirnicos y famacos: Ciertos comnuestos
tvxicoc,, agentes terapéutica: ;, etcétera
Agente hiológicos: Vinis. ri ckettsias, b
lngos, fo rmas superiores de p:!~rásilos
.
~ 5 i i c n c i de
a o~igeno:Falta de Tumrnlsrro sangulneo,
deficiencia en la capacidad sanpiiinea para t~mspori
:ar
oxigeno, intouicaciiin de las enzimns oxidativas
Gen6tica: Alteraciones congenita~o rn,~
,,
oiies ininuiioliigicas: Anafilaxia
nd
nunológic; 1
iilihrio nut riconal: DÍ:ficiencia r
:S,
-
.
A-
La investigación bioquimica tiene
impacto en la nutrición y la medicina
preventiva
3
-M:---.
--
u>
Dtsequilibrio en docrino: 1>eficiencias o excesos
hurmonates
-* i\dapiado con autori7acion ae KObblnS SL,Colram RS,Kizmm
8.
V Tlie Pafhologic Rasis ojDtseasr, 3rd ed. Saunders, 19R4
Un prerrequisito importante en la conservaci6n dc la
salud es la ingestión óptima de cierto numero de
compuestos qufmicos; de entre ellos los principales
son vitaminas, varios aminoficidos, &cidos grasos,
minerales y agua. Dado que el objeto de la bioquimica
y la nutrición es precisamente el estudio de los diversos aspectos de estos compuestos, hay una selaci~n
estrecha entre las dos ciencias. AdemBs, con la intenci6n de restringir 30s costos en aumento del cuidado
médico, se enfatizan los esfiierzos sistemáticos para
conservar la salud y anticiparse a la enfermedad, es
decir, la medicina preventiva. Por tanto, cada vez
tiende a considermsc m6s el aspecto nutricional, por
ejemplo, en la prevención de aterosclerosis y c h c e r .
El conocimiento de la nutricibn depende en alto grado
de la bioquimica.
Todas las enfermedades tienen
una base bioquímica
Las enfermedades son manifestaciones de anorrnatidades de molécu tas, reacciones quimicas o procesos.
En el cuadro 1-1 se enumeran tos principales factores
como causa de padecimientos en el ser humano y los
animales. Todos ellos afectan a una o más reacciones quimicas criticas Q rnaleculas del cuerpo.
Los estudios bioquimicos contribuyen
al diagnóstico, pronóstico y trataltiiento
Existe un caudal de información respecto al uso de la
b i a q u i m i c a e n la prevención, d i a g n ó s t i c o y
tratamiento de la enfermedad; muchos casos se citarhn
a Io Eargo del libro. N o obstante, aquí se presentan s61o
siete ejemplos breves para ilustrar la envergadura del
tema y estimular e1 interés del lector.
I) Los seres humanos deben ingerir cierto numero de
rnol&culasorgánicas comple,ja~llamadas vitaminas
para conservar la salud. Si en la dieta hay deficiencia de determinada vitamina, se comprometen las
reacciones en que participan. Esta situación puede
manifestarse como una enfermedad por deficiencia
como escorbuto o raquitismo (resultado de Ingestidn
insufíciente de vitamina C y D, respectivamente).
Dilucidar la actividad de las vitaminas o sus derivados con acción biolbgica ha sido una inquietud
constante de bioquimicos y nutri6logos desde el
principio del siglo. Una vez que el estado patologico
por deficiencia de una vitamina se estableció, es
racional tratarla mediante la administracidn de la
vitamina apropiada.
2) El hecho de que numerosos vegetales en África son
deficientes en uno o más aminohcidos esenciales
(es decir, aminoacidos que deben ingerirse con los
alimentos para conservar la salud) ayuda a explicar
la desnutrición debilitante (kwashiorkor) que
padecen quienes dependen de esos vegetales como
fuente principal de proteínas. El tratamiento de
deficiencias de aminoácidos esenciales es racional
pero, desafortunadamente, n o siempre es posible.
Consiste en proporcionar una alimentacibn balanceada que contenga cantidades suficientes de
tales aminoácidos.
3) Los esquimales Tnuit de Gruenlandia consumen
cantidades abundantes de aceites de pescado ricos
en ciertos acidos grasos poliinsaturadosy se sabe
que su concentración plasrnática de colesterol es
baja, lo mismo que la frecuencia de aterosclerocis.
Estas observaciones han estimulado el interés en el
uso de esos Bcidos para reducir los valores plasrná~icosde colesteral.
Las enfermedades por deficiencia vitamínica
o de aminoácidos esenciales son ejemplos de desequi librios nutricionales (cuadro 1 -1 ). La aterosclerosis
puedc considerar~eun desequilibrio de la nutricjon, pero tambikn intervienen otros factores
(corno el genético).
4) El estado conocido como fcnilcetonuria si no se
trata, puede cotiducir en la infancia a retraso mental
grave. Desdc 1953, se conoce la base bioquimica
de este trastorno, el cual está. detcrminado gencticarnente y se debe a la actividad escasa o nula de
la enzima que convierte el aminoácido fenilalanina
en tirosina. Esto, a su vez, eleva la concentración
sanguínea de fenilalanina, lo que dafia al sistema
nervioso central en desmollo. Cuando se descubrió la naturaleza del daAo bioquímico, se trató la
enfermedad haciendo que los lactantes afectados
ingirieran una alimentación pobre en fenilalanina.
Una vez que se dispuso de pruebas bioquimicas
selectivas para diagnosticar feni lcetonuria al
nacimiento, pudo instituirse el tratamiento desde el
principio en el niño afectado.
5 ) La fibrosis quistica es una enfermedad genMica
común de las glindulas exocrinas y las glhndtilas
sudoríparas ecrinas. Se caracteriza por secseciones
anomalmente viscosas que obstruyen los conductos secretores del phncreas y los bronquiolos.
Ademhs. los pacientes con esta afección muestran
una concentración elevada de cloruro en el sudor.
A menudo, las víctimas mueren a temprana edad
por infecciones pulmonares. En 1989, se inform6
sohrc el aislamiento y la secuencia completa del
gen causante de esta enfermedad. El gen normal
codifica una proteína transrnembrana (regulador
de la conductancia transmembrana en la fibrosis
quísticaj formada de 1480 arninoacidos, la cual
funciona como un conducto del cloruro. En 70%
de los pacientes con la enfermedad se ha observado
una deleción de tres bases en el gen, lo cual hace
que en la proteina transmembrana falte el aminoacido 508, un residuo de fenilalanina. Se esth
determinando la forma en que esta omisión altera la
hnciún de la proteína transmembrana con produccion de moco demasiado denso. Este importante
estudio facilitarii la identificacion de portadores del
gen de la fibrosis quistica y se espera que conducirá
a un tratamiento rnás racional dc la enfermedad que
el existente hasta ahora, Por ejemplo, quizfi será
posible desarrollar fhrrnacos que corrijan la anor-
malidad en la proteina transmembrana; de igual
modo, podría introducirse un gen normal en las células pulmonares por manipulaciiin genética. Ida
fenilcetonuria y la fibrosis quistica son ejemplos
de enfermedades g e i a i c a s (cuadro 1-1 ).
6) El análisis del mecanismo de accihn de la toxina
bacteriana que causa el cálera ha proporcionado
infonacibn importante sobre el modo en que ocurren las manifestaciones clínicas de la enfermedad
(diarrea copiosa y pérdida de sal y agua).
7) El hallazgo de que los mosquitos transmisores de
parásitos (plasmodios) que causan el paludismo
pueden desarrollar resistencia bioquímica a la acción de insecticidas, tiene consecuenciac importantes s o b r e los intentos para erradicar esta
enfermedad. Este caso y el anterior, son ejemplos
de enfermedades causadas por agentes bioliigicos
(cuadro 1-1).
Muchos estudios bioquirnicos aclaran
mecanismos patológicos y, a su ver,
las enfermedades inspiran estudios
en áreas especificas de la bioquímica
Las observaciones iniciales reali~adaspor el mhdico
inglés Archibald Garrod en un grupo pequeño de
errores congknitos del metabolismo al principio del
decenio de 1900, estimulb la investigación de las vias
hiliqiiimicas afectadas en estas alteraciones. Los esfuerzos para comprender la base de la enfermedad
genktica conocida como hipercolesterr)lemia familiar, que lleva a aterosclerosis grave a edad temprana,
condujeron al notable progreso en el conocimiento de
los receptores celulares de los mecanismos de captación ddel colesterol por las cÉlulas. Los estudios actuales
de los onrogenes en células cancerosas han dirigido
la atención a mecanismos moleculares que interv-ncn
en el control de la inultiplicacibn celular normal. Estos
y otros numerosos ejemplos posibles ilustran la forma
en que el estudio de la enfermedad puede abrir areas
enteras de la funci6n celular para la investigación
bioquimica bhsica.
ESTE TEXTO AYUDARÁ A RELACIONAR
CONOCIMIENTOS BIOQU¡MICOS CON
PROBLEMAS CL~NICOS
En cl texto se encuentran dispersas, breves descripciones de los mecanismos bioquímicos en que sc basan
muchas enfermedades. En particular, las capítulos 63,
64 y 65 se refieren a las bases bioquimicas de varias
enfermedades importantes. En el apcndice se analizan
brevemente algunos conceptos basicos para interprctar los resultados de las pruebas bioquimicas de labo-
Bioyuimicu y medicina
5
Cuadro 1-2. Algunas investigaciones bialhgicas y pruebas de laboratorio aplicadas
al estudio de las enfermedadi
-:"
:---"
--- - .-.. .- -
-
-
2 -
..
"PrllnP-rl
al tratamiento
ratorio y se presenta una lista de las mas empleadas
junto con el intervalo en el cual varian sus valores
normales. El propbsito global es animar at lector a dar
a SU ~0nocitTlient0de bioquimica U n USO ~ l i n i c 0eficaz.
Las inve~tigacionesbioquimicas en relacion con
las enfermedades se resumen en el cuadro 1-2. En
varias secciones de este libro se presentan ejemplos
de muchos de estos usos.
RESUMEN
La bioquimica es la ciencia que se ocupa del estudio
de las diversas molkculas que componen las células y
organismos vivos así c o n o de sus reacciones quimicas, Debido a que la vida depende de estas reacciones,
la bioquimica se ha convertido en el lenguaje b;isico
de todas las ciencias biológicas.
bioquímica se interesa en la totalidad de las
forma? vivientes, desde virus y bacterias, relativamente
simples, hasta les cornpIejos seres humanos.
-
-...
Ejemplo
"."
D e r n o s t r ~ l ai,,,,,,,,,
-L.u-
1. Revelar, ;I ,,u,,
Au,,uu,,,L,,,ules y los mccanicmos dc
la enfermedad
2. Sugerir tratamientos racionales de las enfi
con base en las causas mencionadas antes (
3. Ayudar al diagnóstico de enfermedades especirlcas
4 , Actuar colmo pruebas para deteccibn y dlagnóstid:O
tcmpranci dc ciertas cnfemedades
5 . Ayudar ein la vigilancia de le. evolucifin (por qemp,lo
,,,,,,,,,cien, empeoramiento. remisibn o recaid,,111
de ciertas en remidades
6. Ay udar a evaluar la respuesta dc las cnfcrmedad
-.
.
-
de los de,,,,,
,,,,,,,,va
isis quistic:I
ileo de una dieta baja en fenilalanina para e
i fenilcetuiiiui-ia
to
.. . .. tvln
,
de Ia enrima piaqrnatica creatina. cinasri
(CK-MR)
en r I diagniistico de infarto de rniocardio
na
l ' m ~ileo de mediciones de tiroxina sangiilnea o d
estirnulante del tiroidcs (TSH. del inglCs rhiroii
TK
hnrr,nnne) en el diagnostico neonatal del hipotiroidismo
,.u,
l.
...
,
.
la
;hito
de laenzirr
c.
ca alaninaíiminotransferasa /AI,l')
ucibn de laihepatitis i nfrcciosa
- - ~a~iriuernbrionario
r,irilileo de mrurL1uiie.i de anti~eiiu
(CEA) sanguíneo en cierta
s tratados por cáncer de
i vigilancia
La bioquimica y la medicina tienen una relacion
estrecha. La salud depende del equilibrio armonioso
de [as reacciones bioquimicas que tienen lugar en cl
,,,mo,. y- la enfermedad
en
biornold~ulas, reacciones bioquimicas o procesos
biológicos,
Los adelantos en el conocimiento bioquirnico han
iluminado numerosas áreas de la medicina. De modo
inverso, a menudo el estudio de las enfermedades ha
revelado aspectos previamente no sospechados de la
bioquimica.
Con frecuencia, un enfoque bioquímico es fundamental para aclarar las caus& de Ias enfermedades e
idear terapéuticas apropiadas+
EE uso racional de varias pruebas bioquimicas de
laboratorio es un componente integral del diagnhstico
Y vigilmcia
Un conocimiento sólido de la bioquimica y de
otras disciplinas bQsicasrelacionadas es esencial para
la practica racional de la medicina y ciencias de la
salud afines. I
REFERENCIAS
Garrod AE: Inhorn errors of metabolism (Croonian Lec-
tures). Lance[ 1908;2: 1.73, 142,2 14.
Kornberg A: Basic rssearch: The lireline of medicine
FASBB J 1992:6:3143.
Scriver CR et al. (editors): The Melabelfc andiIhlecular
Bases nJ Inherited Disease, 7th cd McGraw Hill.
1995.
Willilims DL, Marks V: Scient13c Fooundaiions of Biochemi.~tryin Clin~calPractice, 2nd ed. Bunenuorth1 leinemann, 1994.
RiornoAéculas y métodos
bioquímicos
Este capitulo tiene cinca objetivos. El primero se
refiere a la camposici6n del cuerpo y a las principales clases de moléculas que se encuentran en 61. El
estudio de estas mol&culasconfonnagrnn parte de este
texto.
La ctluIa es la principal unidad estructural y
funcional de la biología. La mayor parte de las reacciones químicas dentro del cuerpo tienen lugar en las
c6lulas. Por tanta, el segundo objetivo es dar una
descripci6n concisa de los componentes de las c&lulas
y de la forma en que pueden aislarse; los detalles de
las funciones de estos componentes constituyen gran
parte de la estructura del libro.
El tercer objetivo concierne al hecho de que la
biquimica es una ciencia experimental. Es importante
comprender y apreciar el enfoque experimental y los
mbtodos usados en bioquimica, para permitir que su
estudio se convierta en un ejercicio rutinario del
aprendizaje. Más aún, la bioquímica no es un cuerpo
inmutable de conocimiento, sino un campo en evolución
constante. Los adelantos, como en otras lireas de la
bioquímica, dependen de la innovación en el enfoque
experimental y tecnológico.
El cuarto objetivo consiste en resumir de manera
breve los principales logros obtenidos en bioquímica. La visibn concisa de la ciencia, que se presentad aquí, ayudará a impartir en el lector un sentido
de la direccibn global del resto del texto.
El quinto objetiva se dirige a destacar lo poco que
conocemos en ciertas Areas, por ejemplo, sobre el
desarrollo, la di ferenciacidn y funcibn cerebral, el cáncer
y muchas otras enfermedades humanas. Quizá esto
sirva de estimulo a algunos lectores para contribuir a
la investigacibn de estas Areas.
EL CUERPO HUMANO SE COMPONE
DE UNOS CUANTOS ELEMENTOS
QUE COMBINADOS FORMAN UNA
EXTENSA VARIEDAD DE MOLÉCULAS
Los principales elementos san carbono,
hidrágeno, oxígeno y nitrógeno
Se ha determinado la composición elemental del cuerpo
humano y en el cuadro 2-1 se muestran los principales
resultados. El carbono, oxígeno, hidrbgeno y nitrógeno son los constituyentes principales de casi
todas las biomol&culas.El fosfato es un componente
de los Iicidos nucleicos as1 como de otras moléculas y
tambikn se distribuye ampliamente en su forma ionizada en el cuerpo humana. Por su parte el calcio tiene
una funci6n importante en innumerables procesos
biolbgicos y sobre él esta enfocada buena parte de la
investigacibn. Los elementos enumerados en la tercera columna desempefían diversas funciones.
Muchos de ellos se manejan casi diariamente en la
prhctica mkdica al atender a pacientes con desequilibrios electroliticos (K', Na', C1- y Mg2+},anemia por
deficiencia de hierro (Fe2+) y enfermedades de la
tiroides (1-1.
Las cinco principales biomolécufas
complejas son DNA, RNA, proteínas,
polisacaráridos y Iípidos complejos
Como se muestra en el cuadro 2-2, las principales
biomol~culascomplejas encontradas en las células y
tejidos de los animales superiores (incluyendo al ser
humano) son DNA, RNA, proteínas, polisacfiridos
Biuqriim ica de Hrrrper
8
Cuadro 2-1. Composición ekemental aproximada
del cuerpo humano (con base en peso seco)*
-
Carbono
50
Ovigeno
I lidrógeno
N itrógcno
Azufre
alcio
F.cjsforo
-- 0.00005
* Reproducido con autorizacibn de West ES. l o d d WR. T?xzbook
ofRiochcmist~.3rd e d . Macmillan, 1961.
ques estructurales de los Iipidos, aunque éstos no son
polimeros de acidos grasos. Al DNA, RNA, proteinas
y polisacaridos se les conoce como hiopolimeros
debido a que esthn compuestos de unidades repetidas de
sus bloques estructurales (los mon6meros). Las
rnol~culasantes mencionadas constituyen esencialmente el "ingrediente vital" de este texto; la rnayor
parte se ocupa de describir sus características bioquímicas y las de sus bloques estructurales. Por lo
general se encuentran las mismas moleculas complejas en los organismos inferiores, pero pueden diferir
de los que se muestran en el cuadro 2-2. Por ejemplo,
las bacterias no contienen giucogeno o triaci!gliceroles, pero poseen otros polisacaridos y Iípidos.
y lipidos. Lac moiéculac complejas se construyen a
partir de biomoMculas simples, tainbien enumeradas.
Los bloques estructurales del DNA y el RNA (Ilarnados colectivamente ácidos nucleicoc) son los
desoxinucleótidos y los ribonucle6tidos, respcctivamente. Por su parte, las bases estructurales de las
protehas con los arninoitcidos, mientras que los polisacaridos estan constituidos por carbohidratos simples; en el caso del glucógeno (polisacárido principal
de los tejidos humanos), el carbohidrato es la glucosa.
Los ácidos grasos pueden considerarse como los blo-
Proteínas, I ípidos, carbohid ratos, agua
y minerales son los principales
componentes del cuerpo humano
Ya se mencionb cual es la composici6n elemental del
cuerpo humano. Su composición quimica se muestra
en el cuadro 2-3; proteina, grasa, carbohidrato, agua y
minerales son los elementos principales. E1 agua coristituye la proporción mayor, aunque su cantidad varia
ampliamente en los difcrentes tejidos. Su naturaleza
polar y su propiedad de formar puentes de hidrogeno
hacen al agua idealmente adecuada para su función
como solvente en el cuerpo. En el capítulo 3 se presentan con mayor detalle las propiedades del agua.
Cuadro 2-2. Biomol&culas orghnicas comptejas
principales de células y tejidos. Los &cidos nucleicos,
proteinas y plisadridos son biopolimems, constrriidm
a partir de las bases estructurales mostradas. Por
lo general, tos lipidos no son biopolimaros y no
bases estructurates
todos tienen ácidos grasos como
-.
- ..
-.
..
la
=
1
-
ases
- [estructurales 1
D
-"
(
-
I
Riboni
?--
-
La célula fue reconocida como la unidad fundamental
de la actividad biológica por Schleidcn y Schwann y
por otros pioneros como Virchow en el sigloXIX. Sin
embargo, en los aRos posteriores a la Segunda Guerra
principales
~uncioni
-,
R
P
-
LA CÉLULA ES LA UNIDAD
BÁSICA DE LA BIOLOG~A
--
"
nolde par
:Prrotelnica
-
.-
sis
-
~ AminoAcidos
~
~ Numerosas:
~
por
~ lo gene~
ral son las moEculas que
~
Cuadro 2-3. Composici6n química normal
d
Sn que pesa
65 kg"
.
-.
.-
.---
-
-
---
Proteínas
1
Grasas
Carbohidrato
(elucóeeno)
Agua?
"q
! 11
9
I
.
."
. A "
P0rce-D"
17.0
13.8
--
15
'
4. I
i 51I
-- s
.-i
autor17ación de D:avidson SD, Parsmore R,
d_
Milierales
* Reproducido con
--L ipidos
,
1
1
branas y almaccnaje por
tiempo prolongado dc
energía como triacil-
aliccroles
Hrock JF: Iiuman ,l'uiri rion and Di ererrcs, 5th ed. Churchill
Livingstone, 1973.
El valor para el agua pucdc variar ampliamente entre los riircrentes tejidos, siendo tan bajo como 22 5% para e l hueso sin
mtdula Además, el porcentaje dcf agua tiende a disminuir
confunnc alimenta 13 grasa curpura)
Biomoléculas y métodos hioquímrcos * 9
Mundial, tres sucesos ayudaron al inicio de un periodo
de actividad sin paralelo en la bioquimica y la biologia
celular. Fueron: 1 ) la disponibilidad creciente del microscopio electrónico; 2) la introducci~nde rnktodos
que permiten separar las células bajo condiciones
relativamente poco agresivas de modo que se preserve
su función: 3) el desarrollo y disponibilidad de una
ultracentrifuga refrigerada de alta velocidad, capaz
de generar fuerzas centrífugas suficientes para aislar
los constituyentes de las celuias separadas sin sobrecalentarlos y, por tanto, sin desnaturali7arlos. El uso
del microscopio electrónico reve16 muchos de los
componentes ce!ularec que hasta entonces eran
desconocidos o deficientemente observados, en tanto
que la rotura de las células y la ultracentrifugación
permitió su aislamiento y anhlisis in vitro.
Retículo
endopllrsmico
h
Citoesqueleto
El hepatocito de rata muestra
características comunes a muchas
células eucariotas
En la figura 2-1 se muestra un diagrama de la estrucmra de una ckIuEa hepatica (hepatocito) de rata; es
probabEe que ésta sea la célula m8s estudiada desde el
punto de vista bioquímico, en parte por su disponibilidad en cantidades relativamente grandes, por su facilidad para fraccionarse y por la diversidad de siis
funciones. El hepatocito contiene todos los organelos
principales que se encuentran en [as células eucariotas
(cuadro 2 4 ) ; es decir, niicleo, mitocondrias. retículo
endoplásmico, ribosomas libres, aparato de Golgi,
lisosomas, peroxisornas, membrana plasrnatica y ciertos
elementos citotsque2eticos.
Para disgregar células y aislar
moléculas intracelulares y organelos
subcelulares se usan técnicas físicas
Para estudiar con profundidad la funcidn de cualquier
organelo, es necesario primero aislarlo en forma relativamente pura, sin contaminacion importante de
otros organelos. El proceso habitual para conseguirlo
se llama fraccionamiento subcelular y, por lo general,
comprende tres procedimientos: extraccibn, homogeneización y centrifugaci6n. Gran parte de los trabajos iniciales en esta irea utilizaron higado de rata.
A. Extracción
Como primer paso hacia el aislamiento de un organelo
(o molécula) especifico, es necesario extraerlo de las
cAulas en que se localiza. La rnayoria de los organelos
y muchas ~iomoleculasson bastante Ihbiles y propensos a perder sus actividades biolbgicas. De acuerdo a
ello, deben extraerse en condiciones poco agresivas
Membrana
plasmalica
Peruxisoma
citoso1
Lisosoma
Figura 2-1. Representacibn esquematica d e una d l u l a
hep8tica d e rata, con sus organefos principales
(es decir, usando soiuciones acuosas y evitando sitiiaciones extremas de pH, presibn osmótica y temperaturas altas). En realidad, muchos de los psocedimientos para aislar organelos se efectria aproximadamente
entre 0 y 40 "C (por ejemplo, en un cuarto frlo o utilizando
materiales conservados en hielo). A la temperatura
ambiente puede haber pérdida significativa de la actividad, en parte por la acción de varias enzima5 digestivas
(proteasas, nucleasas, etcktera), liberadas cuando se
rompen las cdlulas. Una solución comun para la extraccion de organelos consiste en sacarosa 0.25 moVL
(Esosmótica), ajustada a un pH de 7.4 con un amortiguador de hcido cIorhidrico-TRIS (tris [hidmimetil]
am jnomewno), 0.05 moW, que contiene iones K' y Mg2'
a concentraciones casi fisiol~gicas;a esta solución se
le conoce con las siglas STKM (del ingles, Sucrosu,
Tris, Kulium y Magnesiurn). No todos los solventes
usados para la extraccibn son tan suaves como el STKM ;
por ejemplo, para extraer lipidos y ácidos nucleicos se
emplean solventes orghnicos.
10
Bioquimica de Harper
imdro 2 4
poriancia
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-fraccibn*
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Marc:ador
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(Cupitulo 2)
--.
.
Funcio'nes princi
A
A
DNA
los cromo!iornas
Lugar donde se desarrvl
. .. ,la la sintesi
Mitoconorion
-~ibosoma*
biut&nico d ~ h i d r o g ~ n ~ a
Alta contenido de RNA
dirigida pc
lo c A ( t r r gosforilaci b n oxidativa-ASitio de la sínitesis protteí!
icibn del mRNA a pro-
! teina)
:f ículo endc
Glucosa.
-
Li:
LoS rihosomas unidos a la mernbrama son un
tanite de síntesis proteinica
Siritesis de varios Iípidas
Ox idación de n u m e ~ o s o s ~ e n ~ i 6 t i (c coist o c m m o _ i ~ 4 ~ o ~
io dc almacenaje de muchas hiilrolasas (e
e
alizan
reacciones deg:radativas)
.insporte dc molCculm dentro y tiuera dc las
herencxa y comunicacibn interce
Di:jtribucion intracelular de protein
Reacciones de glucosilac:i6n
Reacciones de sulfatación
gradación iie ciertos ácidos gracos y amino
iducción y degtadrtcíiin.-de
- peroxido de h d !
crofilamentos, microtiÚbulos, filamentos intl
u
ATPEI~
Mi
Aparato de Golgi
Pe
-
.Ciitoesy ueletc
-
1
Cata! asa
Oxidasa del Qido iirica
No tien!e marcadc
+
'OS'
ieshidroge
.. - -nasa
Citosol*
1 En:zlmas-ae !a gtuco~isis,--síntesis de:-hcidos
". &
* Un organelo se puedc dcfinir como una entidad. suba
:eEulwquue está limiida oormembranav se aislarior ccntxifup aci6n a altas
.
..
De acuerdo a Ia definicihn, los r i b m a 5 , ei crioesqueieto y ei citosoi no son organclos. Sin embargo, aqui se les considera junto con
ellos dehido a que, por lo general. también se aislan p r centrifugacibn F'ueden ctasiiiicarse comcb entidades ci fracciones subcelulares
Un organelo al sisl arse por un ciclo ii c ccetrifug aci6n diferencial rara vi2s: es puro; 1Jara obtener una fraccib n pura, habi tudmente eS
necesario pnr lo menos, c ierto numerci de ciclos.
fracciones de citoesqueleto se pi ieden recont xer por mii:roscopia el
carxteristicñs que contiei1P"
Laq
B. Homogeneización
Para extraer un organela (o biomolkcu1a) de las c&lulas, primero es necesario romperlas bajo condiciones
suaves. Los 6rganos (hígado, rifion, cerebro) y las
células que contienen se pueden separar de manera conveniente mediante el proceso de homogeneizacibn;
éste consiste en girar manualmente o por medio de un
motor, un agitador dentro de un tubo de vidrio de
dimensiones adecuadas que contiene los fragmentos
desmenuzados del &gano en estudio con un medio
hornogeneizante apropiado como STKM. La rotacibn
controlada del agitador ejerce una fuerza mechica en
las dtulas y las rompe l i h d o sus constituyentes en la
sacarosa. Resulta una suspensión que contiene
muchos organelos intactos, la cual se conoce como
homogenado.
C. Centn'fugacidn
El subfraccionamiento del contenido de un homogenada por centrifugación diferencial ha sido una tkcnica de importancia capital en bioquimica. El mttodo
por análisis
oforesis de
S
clásico utiliza una serie de tres pasos de centrifugación
diferencial, con velocidades sucesivamente mayores
(figura 2-2) y cada uno produce un sedimento y un
sobrenadante. El sobrenadante de cada paso es centrifugado en el siguiente. Este prmedimiento proporciona
tres sedimentos, que son las fracciones nuclear, rnitocondrial y rnicrosbmica. Ninguna de las fracciones
está compuestade organelos absolutamente puros. Sin
embargo, se ha establecido con precisión por el uso
del microscopio electrbnico y por mediciones de enzimas "marcadoras" adecuadas y de componentes
químicos (por ejemplo, DNA y RNA) que los constituyentes principales de cada 1 de las 3 fracciones son
nucleos, mitocondrias y microsomas, respectivamente. Una enzima o un compuesto químico "marcador" es aquel que esta casi exclusivamente
confmado a un organelo particular, corno la fosfatasa
hcida en los lisosomas y el DNA en el núcleo (cuadro
2 4 ) . Por tanto, sirve para indicar la presencia o ausencia, en una fracción determinada, del organelo en el
que esth contenido. La fraccibn microsbmica (mi-
Biomol~culusy métodos biquimicos
-
Sobrenadante (1)
15 o00 g
x 5
'
JI
Sobrenadante (3)
min
P
Fraccibn
Fraccibn
microsbmica
nuclear
Figura 2-2. Esquema de separacibn de fracciones cubceluTares por centrifugaeibn diferencial. fl tejido hornogeneuado (por
ejemplo, hepfitico) se sujeta primero a centrifugacibn a bala velocidad para obtener la fraccidn nuclear (que contiene tanto
núcleo como dlulas enteras) y el sobrenadante (1). Este ultimo se decanta y sujeta a centrifugacion a veloadad intermedia
para producir la fraccibn mitocondr~af(que contiene rnitocondrias, lisosomas y peroxisomas) y el sobrenadante (2) este se
decanta y sujeta a centrifugacibna alta velocidad para obtener la fracción microsórnica (que contiene una mezcla de ribosomas
libres y reticuio endoplAsmico liso y rugoso) y una soiucibn final clara, el sobrenadante (3). Este último corresponde
aproximadamente al citocol o savia celular. Modificando de varias maneras el mktodo, por lo general, es posible aislar mda
organelo en forma casi pura
crosomas) contiene principalmente una mezcla de
reticulo endoplásrnico liso, retículo endopliismico rugoso (es decir, que tiene adheridos ribosomas) y rEbosornas libres. E! contenido del irltimo sobrenadante
corresponde a la savia celular (citosol). Las modificaciones a este proceso bácico, que utilizan medios
diferentes de homogeneizacibn o protocolos distintos
de centrifugacion (por ejemplo, el uso de gradientes,
continuos o discontinuos, de sacarosa), han pem itido
el aislamiento, en fonna más o menos pura, de todos
los organelos ilustrados en la figura 2-1 y enumerados
en el cuadro 2 4 . El esquema descrito anteriormente
es aplicable en tkrminos generales a la mayoría de los
6rganos y las dlulas; sin embargo, los fraccionamientos celulares de este tipo deben ser valorados con
mediciones de enzimas o de compuestos químicos
marcadores y por el rnjcroscopio electrónico, hasta
que el procedimiento global pueda considerarse estandarizado.
La importancia de los estudios d e fraccionamiento subcelular en el desarrollo de la bioquímica y la biologia celular, no se exagera por su
enfoque experimental y amplio uso, constituye una
parte fundamental en el estudio de las funciones de los
organelos celulares. La infomaci6n de estas funciones, resumida en el cuadro 2 4 , representa uno de los
mayores logros de la investigac i 6n bioquimica
(vkase despubs).
El enfoque experimental tiene
tres componentes
Los componentes principaEes del enfoque experimental son tres: 1) el aislamiento de biomoldculas y organelos (vdase Centrifugación, antes) contenidos en
las células; 2) la deteminacibn de la estructura de las
biomoléculas, y 3) el aniilisis, utiIizando diversas
preparaciones, de la funcion y el metabolismo (es
decir, sintesis y degradacibn) de las biornoltculas.
El enfoque experimental
requiere del aislamiento
de biomoléculas
Como en el caso de los organelos, conocer la funci6n
de cualquier biomoidcula requiere que primero se le
aisle en fonna pura. En el cuadro 2-5 se resumen los
mktodos principales empleados para separar y purificar biomolkculas. Aquí no se detall&, pero algunos
se explicarán de modo breve en otras partes del libro.
Para purificar una biomol&culase necesita casi siempre una cornbinaci6n de mitodos hasta lograr la homogeneidad (la forma pura sin contarninacibn por
cualquier otra biomolécula).
Es importante apreciar que los adelantos en bioquimica dependen del desarrolIo de ttscnicas nuevas
C u a d r o 2 -5. Prin cipales nmbtodas risados p ara
separar y purificar biamoléc:ulas. Mu chos de e 110s
son adecu:ados paríi analiza t los comr)orientes i4 "e
1 -- -...
1
- v eii
_ - virus
..-existen en ius
extractos celulart.~
matcriales bioq uimicos. El uso en secuenciaI de varias d e
estas tbcnicas permiitirA, por 10 general1, la purifícacihn de In mmJaJ,,s ,a de las bilirliurrcuid~.Para maY ores deta lles respt: ~ f a cadla uno de los rnétodos
d e investig,aci6n bioquimica, el lector d ebe dirigiirse
sI los texto1s especiallimdos
. ..-
-
A--
- A
4
mnrrrir:ri
.
.
-
-
..
- -.
-
- .
.
--. .
.-.-
Fraccionarniento srli no (por ejemrnyilo, prec
sulfato dc:amonio)
Cromatogt-afia
En papel
Por intercambio ibnrco (intercan
Por afinidad
En capa fina
Gas-l1qu1do
En fase li quida a alt
Filtración itn gel
Electroforr:sis
En papel
Con alto vvltaje
En agarosa
En acetato de cclulosa
En gel de almidiin
En poliacrilamida
Poliacrilamida y dot
I!ltracentrifugacibn
--
I
sódico (S1
-
de anliIisis, purificacibn y determinación de estmcturas. Por ejemplo, el campo de la bioquimica de los
Iípidos avanzó con rapidez gracias a la introduccibn
de la crornatografia en capa fina y gas-liquido. El
anklisís de la membrana y de muchas proteínas era
extremadamente dificil hasta la introducción de la
electroforesis en gel de poliacrilamida-dodecilsulfato sódico (EGPASDS); el detergente dodecilsulfonato sódico permiti6 la "solubilización" para la
electroforesis de muchas proteinas que antes no
habían logrado disolverse. Asimismo, el desarrollo de
métodos para la secuenciacihn y clonacion del DNA
ha tenido un efecto revolucionario en el estudio de los
ácidos nucleicos y de la biología en general.
El enfoque experimental
requiere la determinación
de la estructura de biomole~ulas
Una vez que una biornoIecula ha sido purificada es
necesario determinar su estnictura. De este modo
puede hacerse una correlacion entre estnictura y función. En el cuadro 2 4 se enumeran los metodos
principales en uso para analizar la estructura de las
CYuadro 2- 6. Principiales meto
determinacibn de la1s estructi
--
. .
-
ados para la
iomolécu las
. . .
Anaiisis cielncntñl
....... .
Espectroscopia ultrnvioleta, visilsle, infrarr o,ja y de resonancia magnética nuclear (RMt'4
Uso de hidrólisis ácida o alcalina para degrasdar la hiomolecula balo estudio en sus const,,,,,,,,,,
11so de una serie dc enz ¡mas de esplecificidad conocidapara
degradar la biornolrScula (por ejemplo, piroteasas, r1 ucleaqas o glucosidast 1s)
~spectrometriade mas:
Mdtodos es[)ecificos para secuenciaci6n (por cjcmplo, de
protcinas o de ácido: ; nucleicos;b
Cristalografiia de rayos X
m
m
biornoléculas. El lector con algunos conocimientos de
química orghnica los encontrara familiares. Ciertas
enzimas cuya especificidad se conoce, son medios
muy poderosos para revelar estas caracteristicas
estructurales. El perfeccionamiento en la resolución
respaldado por los adelantos tebricos y tecnolbgicos,
está convirtiendo cada vez más a la espectrometria
de masa y a la de resonancia magnetita nuclear
(RMN), en los métodos de elección rutinarios para
estos analisic. Las estructuras de las cadenas extremadamente complejas de los carbohidratos contenidos en ciertas biomoléculas, como las glucoproteinas,
se pueden ahora aclarar por la elevada resolucibn de
la espectrometría RMN. Una infomacion m8s detallada se logra con la difraccibn de los rayos X y la
cristalografia. Su uso fue decisivo para revelar las
estructuras dctalIadas de varias proteínas, enzimas y
la naturaleza de la doble hélice de DNA.
El enfoque experimental
requiere análisis de la función y
metabolismo de biomoléculas,
utilizando varias preparaciones
La investigacihn bioquímica inicial en el ser humano
y los animales se hizo con el anima1 intacto. Son
ejemplos los estudios de la respiracibn y el destino de
las sustancias ingeridas. Pronto se descubri6 que el
animal íntegro erademasiado complejo para permitir dar
respuestas definitivas a numerosas interrogantes. En
concordancia, se hicieron preparaciones más sencillas
in vitro, que eliminaron muchas de las complicaciones
experimentadas con el animal intacto. El cuadro 2-7
resume los diversos tipos de preparaciones de que se
dispone ahora para estudiar los procesos bioquimicos;
la mayosia de tos conocimientos presentados en este
texto se han obtenido gracias a su uso. El enlistado se
,a 2-7. Je rarquia de las preI
..
---. .
-.
id0
-
Esruaios a ni vcl del
animal int;
-.
p
.
i}rgano aislado
perfundido
,-
-.--p.
ccrtes de teji
7-
.- .. -. .
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utilizadias para e
.......
.
- .
35
procesi
-
Comentar
-- -- --
rueaen sc.
1. Bxtirpaci6n de un 6rgano (por ejemplo. hepatectomia)
2. Alteraciones en la alimentación (por qjemplo, ayuno-posprandial)
3. AdministraciOn de un fármaco (por ejemplo. fenobarbital)
4. Administracihn de una toxina (por qemplo, tetracloruro dc carbono)
5. uso de iin anirrial cori una enferrned:id especific:a (por cjernplo, diabc:tes sacarina)
6. Emp leo de tecn icas sofistjcadas corrio espectri3scopia R:MN y tam ografia po:r emisibn dc
nositrones
.' .- - - .-.
Los Cstiid~ub
achrc n ~ v c sur1
i a rricnriuu iibiuiugicoh, pcru uueucri x r uiliciics CYCirricruretar debido
a la intcracción
orgánich
mediada por
la circulacion
.
..-.-ia nervioso1 central
- .
En particular higado, ~oraz6ny rifiiin son adecuado:
método permite el estudio de un organo aislado de la influencia dc otros o dcl sistema nervioso
..Este-Especfalnnente se ha n usado cortes de tejido hephtict)
Aislíi los cortes tisu1ares de otras influencias. pero lar; preparaciimes tiende
o
. .
de alguna
1s heras, cn parte debido al suministro inadecuado
-. . . . .ac. .nutrientcs
....
i . Aplicable en particular a lm células sanguínea, que pueden ser purificad
7.En m u c h a breas de la biología son indispensahles los culiivos
de-teji
. -. .
-.
-t . Asegura una prcparacibn qiie no contiene cklul;Ls
..
... :...
.,.
...
2. Pueden agregarse o removerse comnuestos esneciiiuis rnor eiemniri. nur ui~hisisiv ehrudiar sus
p
.
8
p
-
L - . . . - 2 A A A - L . . . .
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A
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A
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efectos
pa
-.ra pproduciir orgnnelos: celulares i
.3. Pucdc ser- subfraccionado
.- -- por centrifugacibn
s,
para
estu
d
i
la
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func
~
b
de
n
mitr
icondrias, r*eticuIoencloplásmico
Ampliamente usados
.
OrganeIos cetulares
-. aislados
-ente usadoS, por ejemplo, en cstudios de la funcibn mitocondrial
Subfraccionamiento de
organelos
.....-..
....Aislamiento
aci=. t=
pai rc v irni uLi aiiálisis de cualquier reacciiin o vía quirnica
ri~acióndi:metabulinas
-tos y emir
" .
Clonacidn de genes qu~ tl aislamiento del gen clonado es esencial para cstudtar los detalles de su estructura y rcgulaclbn:
It la enzimia o proteinla n la que 1
codifican r
t ambitn iuede revel ar b secuencia de am
A
" "
s.-.---A""
"
presenta en orden decreciente de complejidad. Igual
que el uso de animal integro tiene desventajas, las
demás preparaciones tambiéin tienen sus limitaciones.
De los procesos usados in vitro pueden derivar resultados erroneos (artefactos); por ejemplo, Ea homogeneizacién de las células puede liberar enzimas que
digieran parcialmente a las moléculas celulares.
LAS ESTRATEGIAS PARA
EL ESTUDIO DE REACCIONES
BIOQU~M~CAS
SON COMPLEJAS
Y EN MÚLTIPLES NIVELES
Gran parte de esta obra se dedica a los procesos
bioquimicos complejos (por ejemplo, slntesis de proteinas y contracción muscular), incluyendo las vías
rnetabólicas. Una vía metabhlica es una serie de
reacciones responsables de la síntesis de un com-
puesto complejo a partir de uno o miis compuestos
simples o de la degradación de una sustancia hasta su
producto final. La existencia de un proceso bioquimico complejo o de cienas vias metabhiicas puede
inferirse de las observaciones a nivel del animal intacto. Por ejemplo, observaciones directas de nuestros
congeneres indican que los músculos se contraen.
Sabemos que la glucosa sirve como fuente de energia
para el ser humano y otros animales; por tanto, podemos deducir que debe ser degradada (metabolizada)
en el cuerpo para producir energia. Sin embargo, la
comprensi6n total de la forma en que la glucosa se
metaboliza en las cklulac humanas -su conocimiento
está aún lejos de ser completo- se requieren anhlisis
a diferentes niveles. Lafiqura2-3 muestravarios tipos
de observaciones y anhlisis utilizados en un intento
por comprender los procesos bioquimicos, como la
degradación inicial de la glucosa para producir ener-
14
(Capituio 2)
Bioquimiccr de Hurper
gia (proceso conocido como glucblisis). El esquema
de la figura 2-3 se aplica en un nivel general a todos
los procesos bioquimicos principales por lo cual representa una estrategia global para diIucidarlos; cada
uno de los procesos (glucblisis, oxidación de los Acidos grasos, etcétera) debcdn tenerse en mente al
estudiar el texto, aunque no siempre encontrarán lugar
todos los puntos mencionados.
Algunos puntos importantes del cuadro 2-7 y de
la figura 2-3 ameritan discusión. 1) A pesar de la
posibilidad de artefactos, es absohtamente necesario
aislar e identificar cada uno de los componentes de un
proceso bioquimico en forma pura para comprenderlo
a nivel molecular. Más adelante se encontrarán numerosos ejemplos de esto. 2) También es importante
~ o d e reconstituir
r
in vitro el vroceso en estudio. mediante el ensamblaje sistemático de sus componentes
individuales. Si el proceso no se realiza al ser reensambladas sus partes, una explicacibn puede ser que
algun componente critico ha escapado a la identificaci6n y, por tanto, no se ha afiadido. 3) Los adelantos
tecnologicos recientes (por ejemplo, en espectroscopia RMN y en tomografia por emisión de positrones [TEP]) han permitido la detección de ciertas
biomoléculas a nivel del &gano intacto y la vigilancia
de Eos cambios en sus cantidades con e1 tiempo. Estos
desarrollos indican que se esti haciendo posible efectuar anhlisis sofisticados de muchos procesos bioquímicos in vivo. 4) Cuando los resultados obtenidos
con el uso de varios planteamientos a diferentes
niveles son congruentes, entonces sejustifica concluir
que se ha logrado un progreso real en la comprensión
del proceso bioquímico en estudio. Si utilizando diversos enfoques, se obtienen incongruencias imporiantes, en toncesdekn inrestigme sus causas hastaobtener
explicaciones racionales. 5 ) Las preparaciones y
niveles de anhlisis delineados pueden utilizarse para
estudiar alteraciones bioquimicas en animales con
estados metabólicos alterados (como ayuno o ingestión de alimentos) o enfermedades especificas (por
ejemplo, diabetes sacarina, o cincer). 6) Muchos de
los mktodos y enfoques indicados pueden aplicarse a
estudios de ctlulas o tejidos humanos normales o
enfermos. Sin embargo, debe tenerse cuidado de obtener material fresco y prestar atención particular a las
consideraciones tticas que se aplican a la experimentaci6n en el ser humano.
Los Esótopos radiactivos pesados
han contribuido de manera importante
en el ecclarecimienta de procesos
bioquímicos
La introduccibn del uso de isbtopos en la bioquimica
en el decenio de 1930 tuvo un impacto notable; en
consecuencia, su uso merece discusibn especial. Antes
de su empleo, era muy dificil "marcar" las biomo-
Deduccibn de la existencia del proceso bioquímico de la vla
metabólica por las observaciones hechas a nivel del animal intacto
&
Anhlisis de sus mecanismos de control in vrtro
J
Anhlisis de sus mecanismos de mntrol in vivo
.1
AnBltsis de bc efectos de enfermedades específicas sobre di (por
epmpio. errores cong8nitos del metahlismo. cáncer)
&
SU locallzaubn en uno o mas brganoc
1
Su localizacibn en uno o mAs organelos celulares o fracciones sub-
celulares
3.
Determinación del número de reacciones que intervienen en 81
4
Purificación de sus susb-atos. productos, enzimas y uifactores individuales u otros componentes
&
Establecimientode los mecanismos de control utilizados en él
.1
Su reconstruccibn
L
Estudios del proceso o vla a nivel genbnm por los mktodos de la
tecnología del DNA recombinante
Figura 23. Esquema de la estrategia general utilizada para
analizar un proceso bioqulmim o una vía metabblica. Los
planteamientos enumerados no necesrtan efectuarse obligadarnente en la secuencia precisa indicada aquí Sin embargo, por lo general mediante su uso se han dilucidado los
detalles de los procesos o vías bioquimicos Por tanto, &te
es el esquema que se aplica de modo común a M a s las vias
rnetabblicas principales explicadas e n los capítulos siguientes
Itculas de modo que sus destinos metabblicos pudieran vigilarse de modo conveniente. Los estudios
iniciales, en particular los de Schoenheimer y sus
colaboradores, se aplicaron a la utilización de ciertos
isótopos estables (por ejemplo, D2 y NI5)combinados
con su identificación por espectrometría de masa, para
dilucidar muchos problemas bioquimicos. Por ejemplo,
pudieron sintetizarse varios arninoAcidos, azúcares y
iicidos gsasos que contenian un isótopo estable
adecuado y, entonces, administrarse a un animal o
agregarse a una preparacibn in vitro para trazar su
destino metabólico (por ejemplo, vidas medias y conversi611 a otras biomoltculas). Los compuestos marcados con is6topos estables se utilizaron para
investigar muchos aspectos del metabolismo de proteinas, carbohidratos y lipidos. De estos estudios, se
dedujo que el metabolismo es un proceso muy activo,
en donde Ea mayoría de los compuestos en una cdlula
se estan sintetizando y degradando de manera continua, aunque a velocidades que difieren amplia-
mente. Schoenheimer llam6 a estos hallazgos "la
naturaleza d i n h i c a del metabolismo".
La introducción subsiguiente de los is6topos radiactivos y de instrumentos capaces de medirlos también
fue muy importante. En el cuadro 2 4 se muestran los
isdtopos principales, estables y radiactivos, usados en
los sistemas biológicos. El uso de los dos tipos de
isótopas es decisivo para el desarrollo de cada irea de Ia
bioquimica. La investigación de las biomoléculas
complejas y simples, in vivo o ipi vim, se apoya fweftemente en su empleo. El gran avance logrado en la
secuenciacib de los hcidos nucleicos y en la rnedici~n
de cantidades extremadamente pequeflas de compuestos que se encuentran en los sistemas biolbgims
se debe a la radioinmunovaloración que también
utiliza isotopos.
LOGROS IMPORTANTES
CARACTERIZAN LAS
CONTRIBUCIONES DE LA
BIOQU~MICAA LA CITOLOG~A
Y A LA MEDICINA
Los siguientes piirrafos resumen los descubrimientos
principales en el campo de la bioquimica, en particular
en relacibn con la bioquimica humana. Gran parte de
este texto desarrolla los temas que aquI se enumeran.
1) Se ha determinado la composición quimica global
de c&lulas,tejidos y 6rganos; los compuestos principales se han aislado y sus estructuras se han
establecido.
2) Se comprenden, por la menos a un nivel general,
las funciones de muchas biomoléculas simples, las
cuales se describirhn en los capitulas subsiguientes. Tambitn se han establecido las funciones de
biomol&culas complejas. Es de capital interks el
conocimiento actual de que el DNA es el material
gendtico que transmite su información a un tipo de
RNA (RNA mensajero, o mRNA) y este RNA a su
vez dicta la secuencia lineal de los aminoácidos en
g. Isatopo,S princip
investigaici6n bioc
-.--
.J
-
. m.mies
esra
I):
41:
Y'
r
-.
1s oropos racliictivnr
las proteínas. E! flujo de 3a información del DNA
puede ser representado convenientemente como
DNA +RNA -+ proteina. Sin embargo, se conocen
excepciones importantes de algunos de los enunciados anteriores. El RNA es el material gendtico
de ciertos virus. Además, en algunas circunstancias
la información contenida en el RNA puede transcrjbirse al DNA; este proceso se conoce como
transcripción inversa y es usado, por ejemplo, por
el virus HIV-1 (virus de inrnunodeficiencia humana-1), causa posible del SIDA.
3) El desarrollo de la tecnología del DNA recornbinante constituye un logro fundamental. Esta tecnologla revolucion6 el estudio de la estructura y
funcibn de los genes y también tuvo un impacto
revolucionario en todos los campos de la biologia,
incluyendo la medicina.
4) Se han aislado los principales organelos de las células
animales y establecido sus funciones principales.
5) Se sabe que casi todas las reacciones que tienen
lugar en las células son catalizadas por enzimas;
muchas de estas han sido purificadas y estudiadas
y se han descubierto las caracteristicas generales
de sus mecanismos de acción. Aunque la mayoría de
las enzirnas son proteinas, en la actualidad se ha
establecido de manera firme que ciertas moldculas
de RNA tambidn tienen actividad biocatalitica.
6) Se han delineado las vías membólicas que intervienen
en la síntesis y degradacibn de numerosas biomolCculas simples y complejas. En general, se sabe
que 1a vía de sintesis de un compuesto es distinta
de su via de degradacion.
7) Se han esclarecida algunos aspectos de la regulacidn del metabolismo,
8) Se han reconocido las características generales de
la forma en que las cClulas conservan y utiIizan la
energia.
9) Se comprenden muchos aspectos de la esmctura y
funcion de las diversas membranas encontradas en
la ctlula; sus componentes principales son proteínas y lfpidos.
1(3 Se dispone de información importante a nivel general sobre el modo de accibn de las hormonas.
11)Se han descubierto las bases bioqufmicas para un
número considerable de enfermedades.
QUEDA MUCHO POR APRENDER
Aunque es importante saber que es mucha la información que se ha acumulado, tiene igual relevanciaapreciar
lo escaso del conocimiento en numerosas areas. Probablemente los dos problemas principales por resolver
respecto al establecimiento de sus bases bioquirnicas
son el desarrollo, la diferenciacibn y la función cere-
bral. Si bien está perfectamente asentada la naturaleza
quimica del material genético, casi nada se sabe acerca
de los mecanismos que activan y desactivan a los
genes eucariotas durante el desarrollo. Comprender la
regulación génica es tarnbitn un &ea clave en el
aprendizaje de la forma en que las células se diferencian
y toman cancerosas. El conocimiento de la división y el
crecimiento celular -tanto normal como malignoy su regulaci6n es muy primitivo. Virtualmente nada
se sabe can respecto a las bases bioquimicac de
fenómenos neurolbgicos complejos como la conciencia y la memoria. Sólo se riene informacibn muy
limitada de los mecanismos de la secrecion celular. A
perar de cierto progreso, se desconocen los fundamentos moleculmes de la mayoria de las enfermedades
genéticas principales, pero las tentativas proporcionadas por la tecnología del DNA recombinante
sugieren que en los próximos afios se logrará un
progreso notable en esta hrea. Es posible que en el año
2005 o antes se logre conocer la secuencia del genoma
humano; la informacihn disponible gracias a este esfuerzo masivo tendrh un impacto tremendo sobre la
biologia humana y la medicina.
RESUMEN
El carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrbgeno son los
constituyentes principales de gran parte de las biomoléculas. Ademls el calcio, fbsforo, potasio, sodio,
cloro, rnagnesio, hierro, manganeso, yodo y otros
elementos tienen gran importancia biol6gica y
medica. El agua, DNA, R N A , proteínas, polisacaridos y lipidos son las moléculas principales de
células y tejidos.
Las células son las unidades biolbgicas hndamentales. Contienen v e o s organelos que desempeiian
numerosas funciones especializadas. Estos organelos
pueden separarse por fraccionamiento subcelular y,
de este modo, estudiar sus fiinciones en detalle.
El avance de la bioquímica ha dependido del
aislamiento de biomolkculas celulares. de la dcterminación de sus estructuras así como del an8lisis de
su funcibn y metabolismo. Para investigar la estructura, funci6n y metabolismos d e las biomoléculas se
han utilizado diferentes planteamientos, desde el anima! íntegro al gen aislado. En particular, el uso de
isotopos. tanto estables como radiactivos, ha tenido
tremenda importancia en el adelanto del conocimiento
hjoquímico.
La representacihn:
Transcripcibn
DNA-
Traslación
RNA-Proteina
resume la fuerza propulsara de gran parte del esfuerzo
contemporáneo en bíoquímica. No obstante, se han
hecho muchos otros avances en el conocimiento de la
bioquimica, como la apreciacibn de la ~omposicibn
corporal y la comprensibn parcial de estructuras y
funciones de enzimac, hormonas y membranas. Se han
descubierto las bases bioquímicas y genéticas de numerosas enfermedades y la aplicación reciente de la
tecnología del DNA recombinante ha acelerado enormemente el progreso en esta área. Sin embargo, aún es
mucho lo que se desconoce; los retos principales para
el futuro incluyen definir ("mapear") el genorna humano y proporcionar explicaciones moleculares de los
mecanismos que intervienen en el desarrollo orghnico,
la diferenciacibn celular y !a función cerebral. M
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1994.
Victor W. Rodwell, PhD
Ld5 biomolecula~polarcs orghicas e inorgánicas de 1%
células vivienles existen y reaccionan de manera priniariri en un ambiente acuoso El agua, una molécula
notable esencial para la vida, solubiIi75~y modifica las
características de biomoléculas coino hcidos nucleicos,
protcinas y carbohidratos al formar puentes de
hidr6geno con sil? grupos fi~nciotiales.Estas interacciones mridifican las propiedades de las biomoléculas
y si15conformaciones en solucicin. ],os cambios le dan
a las molkciilas ias propiedades esenciales para el ciclo
de la vida. [,si$ biornoléculas -aun aquéllas relativamei1:e no pulares, tales como ciertos lipidos- tambiéti
inodificw las propiedades del agua La comprensión de
3us mecanismos honieostáticos utilizados por los organismos para conservar un entorno intraceliilar relativamente constante debe considerar el pH y el
amortiguarnierito en liquidos corporales y compartimienlos siibcelulares. Por ultimo, el comportamiento de disociación de los gmpos funcionales de
biomol~culasen soJuci6n acuosa a diversos valores
de pH e? critico cn la comprensióti de sus reacciones
y propiedades tanto en células vivas corno en el laboratorio
IMPORTANCIA B I O M ~ D I C A
Ida homeostasis, conservaci6n de la cornposic~óndel
rnedio interno que es esencial para la salud, incluye
considerar la distribucihn dcl agua en el cuerpo y la
preservaci~n del ptl así como de concentmciones
clecirol iticas apjopiadas. Dos terceras partes del agua
corporal total (55 a 65% del peso corporal eri varones
y alrededor de 10% menos en mujeres) cs liquido
intracelular. Del liquido extracelular remanente, el
plasma sanguineo constituye cerca de 25 por ciento.
La regulaciiin del equilibrio hídrico depende de
mecanismos hipcitaláinicos para controlar la sed, de la
hormona aiitidiurdtica y de la retención o excrecion
del agua por los riilones. 1.0s estados de depleción de
agua y exceso de Iíqiiido corporal son bastante comunes. En inuchos casos se acompañan de deficiencia o
exceso de sodio. Las causas de dealecibn hidrica son
a una disminución de la ingestión (por ejemplo, en
estados de coma) e increniento de la perdida (por
ejemplo, perdida renal en la diabetes sacarina, cuthnea
por sudaciún intensa y gastrointestinal eii diarrea intensa en lactantes y en ctilera). Las causas de exceso
de agua corporal se deben al incremento en la ingertión (por ejemplo, excesiva administración de liquidos
IV) y excrecibn escasa (por ejemplo, en insuficiencia
renal grave). Ciertos niecanismos osrnóticos y no
osmóticos protegen el agua y la htirneostasis osrn0tica
del liquido extracelular. Tanto la conservacibn del
agua por la atitidiuresis como la ingestihn de liquido
por la sed, sirven para mantener la homeostasis. Incrcmentos tan pequefios como 2% en la osmolaridad del
liquido r:xtraceluIar pueden provocar sed y Iiberacihn
de liorniona antidiurética (ADH) en la hipáfi~is.Un
mecanismc) algo menos sensible desencadena la Iiheración no osmólica de ADH y la sed, cuando disminuye
10nAel volumen de liquido circulante extracelular. La
diabetes insípida nefrogeiia, de origen genético, se
caracteriza por sed extrema, ingest icin abundante de
agua e incapacidad para concentrar la orina o para
responder a cambios sutiles en la osmolaridad de
liqiiido extracelular; esto se dehc a la incapacidad de los
osmorreceptores de ADH en los túbulos renales para
responder a la ADH.
La conservación del liquido extracelular dcntto
de un p1-E entre 7.35 y 7.45, cn donde el sistema
amortiguador de bicarbonato tiene una funcihn importante, es cscncial para la salud. Las alteraciones del
equilibrio acidobásico se diagnostican en el labora-
torio clínico por medicibn del pH de la sangre arteria1
y el contenido de COZde la sangre venosa. Las causas
de la acidosis (pH sangutneo < 7.35) incluyen cetoacidosis díabdtica y acidosis 1Actica; mientras que las de
la alcalosis (gH sanguineo > 7.45) comprenden el
vbmito de contenido ácido gástrico o el tratamiento
con ciertos diun5ticos. Un diagnóstico preciso y un
rápido tratamiento del desequilibrio hidrico y de las
alteraciones acidobiisicas se apoyan en gran medida
en la comprensi6n de los conceptos considerados en
este capitulo.
EL AGUA ES UN SOLVENTE
BIOLÓGICO IDEAL
El agua es una molécula tetraédrica
ligeramente asimétrica
La molCcula del agua es un tetraedro irregular con
oxígeno en el cenúo (figura3-1). Los dos enlaces con hidrbgeno se dirigen hacia dos vértices del tetraedro, en
tanto que los electrones no compartidos del oxigeno
en el orbital 2sp3 híbrido ocupan los dos vertices
restantes. El ángulo entre los dos Atomos de hidrogeno
(105 grados) es algo menor que el Angulo del tetraedro
(109.5 grados), formando una figura geomdtrica ligeramente asimktrica.
Las rnoléculas de agua forman
dipolos
Debido a la estructura tetraédrica asimktrica, la carga
eléctrica no se distribuye de manera uniforme alrededor de la moltcula de agua. El lado de1 oxigeno
opuesto a los dos hidrbgenos muestra cierta riqueza
de electrones, en tanto que del otro lado, los núcleos
Figura 3-1. Estructura tetrabdrica del agua
de hidrógeno escasos en electrones forman una regi6n de
carga positiva local. El término "dipoEoV se refiere a
moléculas como el agua que tienen carga electrica
(electrones) distribuida en forma desigual alrededor
de su estructura.
El amoniaco también es dipolar
y tetraédrico
En el amoniaco, los angulos de enlace entre
hidrbgenos (107 grados) se aproximan al ángulo del
tetraedro aun miis que en el agua (figura 3-2). Muchos
compuestos químicos son dipolos. Entre ellos se Incluyen alcoholes, fosfollpidos, aminohcidos y hcidos
nucleicos.
LAS MOLÉCULAS DE AGUA FORMAN
PUENTES DE HIDRÓGENO
Los puentes de hidrogeno confieren
una estructura macromolecular
Debido a su caríicter dipolar, las moléculas de agua
pueden asumir conf~rtmacionesordenadas (considerese un copo de nieve). Al igual que el hielo, el agua
liquida muestra una estructura rnacromolecular
ankloga a la disposicibn ggeom&tricade las molkculas
de agua en el hielo. La propiedad de las moltculas de
agua de unirse unas con otras tanto en estado líquido
como sblido surge del carhcter dipolar del agua. Se
conserva como liquido más que como sblido debido a
la naturdeza transitoria de estos complejos macromoleculares (la vida media de asociacibn-disociacidn de
las moléculas de agua es de alrededor de un microsegundo). En estado sdlido, cada moltcula de agua
se une con otras cuatro. En estado liquido, el número
es algo menor (mlis o menos 3.5). Con excepcibn de
Flgura 3-2. Estructura tetraMrica del amoniaw
Agua y pH
la naturaleza transitoria de las interacciones intermoleculares en el agua liquida, ksta se parece al hielo
en su estructura macromolecular mSis de lo que en un
principio se imaginaba.
El cariicter dipolar de las moldculas de agua favorece los enlaces mutuos en conformaciones ordenadas
con una geometría precisa dictada por la configuracibn
interna de cada molécula de agua (figura 3-3).
La interacción electrostAtica entre el nijcleo de
hidrdgeno de una moldcula de agua y el par de ekctrones no compartidos de otra se denomina puente de
hidrógeno. Comparados con enlaces covalentes, los
puentes de hidriigeno son bastante debiles. Romper un
enlace de hidrógeno en agua Iíquida requiere alrededor de 4.5 kcal de energía por mot -más o menos 4%
de la energía que se requiere para romper el enlace
O-H del agua ( 1 I O kcal/mol).
Los puentes de hidrógeno estabiliran
proteínas y ácidos nucleicos
En tanto que el metano (peso molecular 16) y el
amoniaco (peso molecular 17) son gases a la temperatura ambiente, e l agua (peso molecular 18) es un
liquido. ¿Por quc es ast? L a respuesta se apoya en la
capacidad del agua para formar puentes de hidrogeno,
lo cual explica tambien su viscosidad y su tensibn
superficial relativamente altas.
La propiedad del agua de servir como solvente
para iones y numerosas mol&culasorghnicas se debe
a su carácter bipolar y a su capacidad para formar
puentes de hidrhgeno. Las molCculas que pueden formar puentes de hidrógeno con el agua (por ejemplo,
compuestos con radicales 4 N o S H , aminas,
Figura 3 3 . Izquierda: Reunibn de dos mol&culasdipolares
de agua. La línea punteada representa un puente de
hidrógeno. Nbtese que una mol8wla dada de agua puede
actuar como donador o como aceptor de hidrbgeno, o ambas
cosas a la vez Derecha: Unldn de una rnol6cula central de
agua con otras cuatro mol6culas mediante puentes de hidrógeno. Esta estructura es típica deT hielo y, en menor
grado, del agua líquida.
a
19
esleres, aldehidos y cetonas) se sotvatan con facilidad
lo que por su solubilidad en agua aumenta. Así, las
proteinas solubles están recubiertas con una capa de
agua formada por intercambio de enlaces de hidrbgeno intermoleculares superfjciales por puentes de
hidrógeno intramoleculares del agua, lo que incrementa la solubilidad. El carácter dipolar del agua
afecta profundamente sus interacciones con las biomoltculas, En el ambiente acuoso de las cClulas vivientes se producen muchas interacciones entre cargas
y grupos polares de las biomoléculas. El DNA se pliega
de modo que expone su azúcar y sus grupos fosfato
polares a las moiéculas de agua. De manera similar,
residuos polares de proteinas se presentan primariamente en la superficie biopolímera donde participan
extensamente en interacciones con las moléculas de
agua. La figura 3 4 ilustra la formacibn de puentes
de hidrógeno entre el agua y grupos funcionales representativos de biomol~culas.N6tese que los alcoholes,
del mismo modo que el agua, pueden participar como
donadores y como aceptores de hidrógeno en la formación de puentes de hidrdgeno con agua o con otras
biomoltsculas.
Grupos apolares como aquellos presentes en
hidrocarburos no tienen capacidad para formar uniones hidrbgeno y, por tanto, son insolubles en agua. No
obstante, estos grupos no polares pueden afectar la
estructura hidrica. Cuando se añaden el agua, las
moléculas apolares forman gotas esfericas con una
supeficie mínima expuesta al agua; este fenbmeno se
ilustra con la tendencia del aceite de olivo en agua fria
para formar una sola gran masa flotante. La reduccibn
aE mlnimo de la superficie apolar expuesta al agua es
un proceso gobernado entrópicamente. La presencia
de moltculas apolares reduce el numero de posibles
orientaciones (grados de libertad) de las rnol~culas
Figura 3-4. Fomacibn de puentes de hidrbgeno entre un
alcohol y agua, entre dos molbculas de etanol y entre el
oxigeno carbonilo de un pbptido y el hidrbgeno del grupo
amino de otro pkptido adyacente.
'
adyacentes al agua por lo que se acompafía de un
incremento en la entropía. La reducción al minimo del
área de la superficie apolar expuesta permite el m k i m o
grado de libertad (por ejemplo, desorden máximo) de
las mo!éculas de agua cercanas y, por tanto, reduce al
mínimo el incremento en entropía. En el agua. los
hidrocarburos forman estructuras clatrato rígidas (semejante a cajas). De manera similar, en el ambiente
acuoso de las ctlulas vivientes, las partes no polares
de los biopolímeros tienden a situarse dentro de su
estructura. minimiírando asi su contacto con el agua.
Las moléculas de agua presentan
una tendencia ligera a disociarse,
lo cual es fisiolciqicarnente importante
La propiedad del agua de ioni~arse,aunque de modo
ligero, tiene importancia capital para la vida sobre la
tierra. Dado que el agua puede actuar como un hcido o
como una base, es posible representar su ionizacibn como
una transferencia protónica intermolecular, que foma un
ion hidronio (I.I,O&)y un ion hidr6xido (OH-):
., En realidad, el protbn transferido est6 asociado con un
racimo de: mol$culas de agua y existe en solucion, no
siilo como H30- sino como algo semejante a HrOz' o
H703'. Aunque para propósitos prhcticos este protbn
' al parecer 'Vesnudo" se escribe casi siempre como
"H'",no debe olvidarse que de hecho esta fuertemente hidratado.
Ya que los iones se recombinan de manera continua para formar rnolécu2as de agua y viceversa, no
puede definirse si un hidrógeno o un oxigeno deterrninado tiene el estado de ion o de una parte de una
moiécula de agua En un instante están como ion; un
momento después como una parte de una mol6cula.
Por fortuna, no es necesario considerar iones o molkculas individuales. Dado que 1 g de agua contiene 3.46 x
moléculas, su ionización puede describirse por
estadística. Es suficiente conocer la probabilidad de
que un hidrbgeno estC presente como ion o como parte
de una molécula de agua.
Establecer que la probabilidad de que un hidrbgeno exista como un ion es 0.01 significa que un
átomo de hidrhgeno tiene una oportunidad en 100 de
estar como ion y 99 posibilidades en 100 de estar
como parte de una rno4&culade agua. La probabilidad
real de que un Atorno de hidrhgeno en agua pura exista
coma ion hidr6geno es alrededor de 0.0000000018 o
1.S x 104. En consecuencia, la probabilidad de estar
como parte de una rnotecula es casi la unidad. Definido de otra manera, por cada ion hidrbgeno y cada
ion oxhidrilo en agua pura, hay 1.S bi tlones o 1 .X x
109 moléculas de agua. N o obstante, los iones
hídr0geno y oxhidrilo contribuyen de modo significativo a las propiedades del agua.
La disociacion del agua,
donde los t6rminos entre paréntesis representan concentraciones molares de iones hidrbgeno, iones oxhidrilo y rnolkculas de agua sin disociar*, rnlentras
que la K es la constante de disociación. Para calcular
este valor, recuérdese que una molkula de agua pesa 1&
g. Por tanto, un litro (1 000 g) de agua contiene 1000
+ I g = 55.56 moles. Asi, la concentración del agua
pura es 55.56 molar. Ya que la probabilidad de que un
hidrbgeno en agua pura exista como ion H' es de 1 .S
x 1 Omy, la concentración molar de iones H' (e de iones
OH-)en agua pura se calcula multiplicando la probabi tidad, 1.8 x 1 Q4, por la concentracion molar del
agua, 55.56 moIL. Este resultado es 1 x 10" rnoYL.
Ahora puede calcularse la K para el agua:
La elevada concentración de agua molecular (55.56
moYL) no se afecta de manera significativa por la
disociacibn. Por tanto, resulta conveniente considerarla en esencia como una constante, que luego puede
incorporarse a la constante de disociación, K, para
crear una nueva constante, K,, designada el producto
ibnico para el agua. La relación entre K, y K se
muestra a continuación:
Nótese que las dimensiones de K son moles por litro
y las de K, molesZpor litro2.Como su nombre sugiere,
el producto iónico, K,, es en cifras igual al producto
de las concentraciones rnolares de H ' y OH-:
* Estrictamente hablando, los tCrtninos entre parkntesis reprcsentan la actividad molar en lugar de la concentración
molar.
m
A 25 OC,K, = (1 0-'j2 = I O-'' (molJL)'. A temperaturas
que a
menores a 25 O C , K, es menor de 10-'"mientras
superiores a 25 O C , es mayor de 1 O-". Por ejemplo,
a la temperatura del cuerpo humano (37 "C),la concentración de iones H' en agua pura es algo mayor de
1 mol/L. Dentro de las lim itaciunes establecidas
por el efecto de la temperatura, K, = lW4 (mol/L)'
para todas las soluciones acuosas, incluso las que
contienen acidos o bases. Esta constante se usarii en
el cálculo de valores de pH para soluciones ácidas y
alcalinas.
EL pH ES EL LOGARlTMO NEGATIVO
DE LA CONCENTRACI~NDEL ION
HIDR~GENO
El término pH fue introdiicido en 1909 por Sorensen.
quien lo definió como el logaritrno negativo de l a
concentraci~nde iones hidrúgeno:
Los siguientes ejemplos ilustran el modo de calcular el pH de soluciones ácidas y alcalinas.
Ejemplo: cuál es el pH de una solución cuya
concentracibn de ion hidrógeno es 3.2 x 1O-' mol/L?
PH = - 109[H+]
= log (3.2 x lo4)
= - log (3.2) - log (104)
= - 0.5 + 4.0
= 3.5
-
Ejemplo: ¿Cuál es el pH de una colucihn cuya concentracion de ion oxhidrilo es 4.0 x 1O4 mol/L?
Para abordar este problema, hay que definir una
cantidad pOH, que sea igual a -1og [OH-] y que puede
derivarse de la definiciiin de Kw:
por tanto:
pH = - log [H']
Esta definición, aunque no es rigurosa*, es adecuada
para la mayor parte de los estudios bioquimicos. Para
calcular el pH de una solucihn se debe:
Para resolver el problema bajo estc enfoque:
1) Calcular la concentración del ion hidrdgeno,
W+l.
2) Calcular el logaritmo de base 10 de [w'].
3) El pH es el negativo del valor encontrado en
el paso 2. Por ejemplo, para agua pura a 25 O C :
pH = -lag [HJ = - log
= - (-7) = 7.0
],os valores de pH bajos corresponden a concentraciones elevadas de H- y los valores de pH altos a concentraciones bajas de H'.
Los ácidos son donadores de protones y las
bases son aceptores de pmtones. Sin embargo, se
hace una distinción entre ácidos fuertes (por ejemplo,
HCI, H:SOd), que se disocian completamente aun en
soluciones muy ácidas (pH bajo) y los iicidos débiles,
que se disocian solo de manera parcial en selucíones
bcidas. Una distinción semejante se hace entre bases
fuertes (por ejemplo, KOH, NaOH) y bases debiles
(por ejemplo, Ca[OH]:). S610 las bases ruerics sc
disocian a pH alto. Muchas sustancias bioquimicas
son Bcidos ddbiles. Las excepciones son tos intermediarios fosforilados, que poseen el grupo acido fosfórico primario fuertemente acídico.
Ahora:
Ejemplo: ¿Cuales son los valores del pH de a) 2.0 x
1OA2mol/L de KOH y de b) 2.0 x 1 Oa m o l k de KOH?
Los oxhidrilos proceden de dos fuentes: KOH y agua.
Dado que el pH esta determinado por el [HA]
totai (y
pOH por el [OH-] total), es preciso considerar los dos
orígenes. En el primer caso, la contribucion del agua
al [OH-] total es despreciable. No puede decirse lo
mismo en el segundo caso
Molaridad di:KOH
[OH-]
de KC)H
[OH-1 del agua
* pH = -log (actividad dcl H +).
2.0 x . -
(Capitulo 3)
Una vez que se ha comprendido el significado de la
contribucihn del agua, el pM puede calcularse como
se describid.
En los ejemplos anteriores, se asurni6 que la base
Fuerte KOH estaba completamente disociada en la
solución y que, por tanto, la concentracion molar de
iones OH-era igual a la concentración molar de KOH.
Esta aseveración es válida para soluciones relativamente diluidas de bases o ácidos fuertes, pero no
para soluciones de acidos o bases dbbiles. Dado que
estos electrólitos dkbiles se disocian sólo un poco en
soluci6n, se debe calcular la concentracidn de H
' (o
de [OH-1) producida por una molaridad dada del hcido
(o base) usando la constante de disociación antes de
calcular [H'] total (o [OH-] total) y, posteriormente, calcular el pH.
Los grupos funcionales que son ácidos
débiles tienen un gran significado
fisiológico
Numerosos compuestos bioqulmicos poseen grupos
funcionales que son ácidos o bases dkbiles. En todas
las proteínas y ácidos nucleicos existen uno o más de
estos: carboxilos, aminos o fosfatos derivados de la
disociación secundaria de esteres de fosfato; tambihn
los hay en la rnayoria de las coenzimas y los metabolitos intermediarios. Por tanto, el comportamiento de
disociacibn (equilibrios protónicos) de grupos funcionales débiles, hcidos o bhsicos, es fundamental
-para comprender la influencia del pH intracelular en
la estructiira y actividad bioquimica de estos compuestos. Su sepmtci&ne identificación en los laboratorios
clinicos y de investigacidn se facilita tambidn cuando
se conoce el comportamiento de disociacibn de sus
grupos funcionales.
A la forma protonada de un hcido (por ejemplo,
HA o RNH?') se le designa como el hcide y a la forma
no protonada (por ejemplo, A- o RNH?}, base conjugada. De igual modo, es posible referirse a una base
(por e.jemplo, A-o RNH2) y su hcido conjugado (HA
o RNH3'); la palabra proviene del latln, cuniungre:
reunirse). Los hcidos débiles representativos
(izquierda), sus bases conjugadas (centro) y tos valores de pK (derecha) incluyen lo siguiente:
Las potencias relativas de ácidos y bases dkbiles se
expresan de manera cuantitativa como sus constantes
de disociacibn, que expresan su tendencia a ionizarse.
A continuacibn se muestran las expresiones de la
constante de disociacidn (K) para dos ácidos débiles
representativos, R-LOOH y R-NHJ-.
Dado que los valores numéricos de K para hcidos
débiles son exponentes negativos, es conveniente cxpresar a K como pK, donde:
Nótese que la relacibn de pK con respecto a K es igual
a la de pH con la concentracion de H'. El cuadro 3-1
enumera valores de K y pK ilustrativos para un ácido
monocarboxílico, dicarboxílico y tricarboxílico. Observese que los grupos hcidos más fuertes tienen los
valores de pK mas bajos.
De las ecuaciones anteriores que relacionan K a
[H']y a las concentraciones de un ácido no disociado
y su base conjugada, nbtese que:
o cuando:
entonces,
En otras palabras, cuando las especies asociada (protonada) y disociada (base conjugada) están presentes
C u a d r o 3-1. Constantes de disociacibn y valores
de1 pK para ácidos carhoxllicos r e ~ r e s e n t a t k o s
-
-.---
A
Acktico
Glutdrico
Citrico
(primero) 8.40 x 1 O4
(segundo) 1.80 x 1
3.08
Agua y pH
en concentraciones iguales, la concentración prevalente de ion hidrógeno [H']es numh-icarnente iguat a la
constante de disociacion, K. Si se obtienen los logaritmos de los dos lados de la ecuacibn anterior y la
ecuación completa se multiplica por -1, las expresiones serfan las siguientes:
K = [H']
23
Se multiplica todo por -1 :
- 109 [HT = - lag K - toa IH4
[A7
Se sustituye pM y pK en lugar de -log [Ht] y -lag K,
respectivamente; luego:
- log K = - iog [HT
Ahora, -log K se defínib como pK y -1og [H'] es la
definicibn de pH. La ecuación puede quedar como:
es decir, el pK de un grupo 4cido es el pH al cual
Ias especies protonada y no protonada esthn presentesen la misma concentración. El pK de un &ido
puede determinarse de modo experimental agregando
0.5 equivalentes de iilcali por cada equivalente de
acido. El pH resultante seri igual al pK del ácido.
El comportamiento de ácidos dkbiles
y de amertiguadores se expresan
par la ecuación de
Henderson-Hasselbalch
Para eliminar el signo negativo se invierte el ÚItirno
La ecuaci6n de Henderson-Hasselbalch ha probado
ser una expresión de gran valor predictivo en equilibrios protonicos. Por ejemplo:
1) Cuando un hcido se ha neutralizado exactamente a la mitad [ A 7 = [HA]. En esta situacibn,
El pH de una solucihn que contiene un Bcido débil se
relaciona con la constante de disociaci6n de dicho
acido, como se mosirb antes para el agua como Acido
débil. La relación puede establecerse en la forma
convenientede la ecuaci6n de Henderson-Hasselbalch,
que se desarrolla desputs.
Un acido ddbil, HA, se ioniza de la manera
siguiente:
HA = H+ + A-
1
pH = pK + log f[HlAI = p ~ + ~ o g ~ = p ~ +
Por tanto, con 50% de neutralizacibn, pH
PK.
=
2) Cuando la proporci6n [A-JI[HA] = 100:1,
La constante de equilibrio para esta disociacibn se
escribe:
3) Cuando la proporción [A-]/[HA]
Se multiplican los dos términos entre si:
pki = pK
Se dividen ambos miembros entre [A-]:
(E)
log %o = PK
1 : 10,
+ (-1)
Si la ecuación se valora en varias proporciones
de [A-]/[HA] entre los limites 103 y 1O-? y los
valores de pH obtenidos se grafican, el resultado describe la curva de titulación para un
a
ácido débil (figura 3-5).
Se obtiene el logaritmo de toda la ecuacibn:
log [H7 = log K
+
=
Las soluciones de ácidos debiles
sus sales amortiguan el pH
y
Las sofuciones de ácidos dkbiles y sus bases conjugadas (o de bases dtbiles y sus k i d o s conjugados)
24
Bioquinaica de Harper
Figura 3-5. Forma general de una curva de tlulacibn calculada con la ecuación de Hende~on-Hasselbalch.
exhiben la propiedad de amortiguar -tendencia de
una solrici6n para resistir con inayor eficacia a un
cambio en el pH después de la ztdicibn de un Cicido o
una base fuertes que un volumen igual de agua. Los
amortiguadores fisiol6gicos importantes incluyen bicarbonato (HCOi/H2C0i), ortofosfato inorgánico
( H ? P O ~ - tPQ4C2)
'/~
y proteínas intracelulares. Los
amortiguadores no fisiolbgicos usados en experimentacibn bioquirnica comprenden al TRIS (pK S.2) y al
HEPES (pK 7.6). El efecto de amortiguador se observa mejor por titulacibn de un hcido o base débil
utilizando rin potenciómetro (medidor de pH). De
manera alterna, es posible calcular el desplazamiento
del pH que acompaiia a la adición de Acido o de base
a una solución amortiguada, En el ejemplo, el amortiguador (mezcla de un ácido débil. pK = a 5.0 y su
base conjugada se encuentra inicialmente en 1 de los
4 valores de pH indicados. Se calculará el desplazamiento del pH que resulta cuando se agrega O. 1
mEq de KOH a 1 mEq de cadauna de estas soIuciones:
pH inicial
Obskwese que el cambio de pH por miliequivatente
de OH- agregado varía de modo notable dependiendo del
pH iniciai. A valores de pH próximos al pK, la soluciOn resiste los cambios con mayor eficacia y se dice
que ejerce un efecto amortiguador. Las soluciones
de ácidos débiles y sus bases conjugadas amortiguan
mejor en valores de pH que oscilan alrededor de pK
k 2.0 unidades de pH. Ecto significa q u e para amortiguar una solución a pH X, deberfi usarse un Acido o
una base débil cuyo pK no se separe mas de 2.0
unidades de pIJ del pH X.
En la figura 3-6 se muestra la carga neta en una
rnoltcula del ácido como funcihn del pH. Una carga
fraccionaria de -0,s no significa que una molécula
individual posea una carga fraccionaria sino que 0.5
es la probabilidad estadística de que una rnolkcula
dada tenga una carga negativa. La consideración de la
carga neta de macromoléculas como funcibn del pH
constituye Ia base para numerosas tkcnicas de
separación, incluyendo la separacibn electroforética
de aminohcidos, proteinas plasmhticas y hemoglobinas anormales.
RESUMEN
El agua, que en !os estados liquido y sdlido existe
como racimos rnoleculares unidos por hidrógenos,
forma puentes tanto con sus propias rnol~culascomo
con otros donadores o aceptores de protones. La tensión superficial, viscosidad, estado líquido a temperatura ambiente y potencia solvente del agua se deben a
su capacidad para formar puentes de hidrógeno. Los
compuestos que contienen O, N o S son solvatados
por el agua, ya que tienen la propiedad de servir como
aceptores o donadores de hidrdgeno para formar puen-
5.00
5.37
5.60
5.86
0.88
0.70
0.80
0.50
0.12
0.30
0.20
0.50
[HAI~nicia~
7.33
2.33
4.00
i.00
([A-]l[HA])inlclal
La adición de O.T meq de KOH produce
0.98
0.80
0.90
0.60
[A-lfinai
0.20
0.10
0.02
0.40
[HAlfinai
49.00
4.00
9.00
1.50
([A-[4HA])fina1
log ([A-]I[HA])n,,t
0.176 0.602 0.95
1.69
pHfinal
" 5.18-_-5:60
5-95
6.69
[A-]inicial
L~PH
0.18---"6
0
-0
.
.
. ..
-
Figura 3 4 . Curva de titulación para un ácido del tipo HA El
punto (m) ~ndicael pK 5.0.
tes con el agua. Las proteínas y otras rnacromoteculas
se estabili~anpor intercambio de eniaces de hidrbgeno
intermoleculares superficiales con los enlaces de
hidrtigeno del agua. E1 agua modifica las propiedades
de biomolkculas como las proteinas y los hcidos nucleicos que poseen gmpos funcionales polares y no
polares. Las fuerzas entrópicas indican que las macrornoleculas en soluci6n acuosa se pliegan de modo que
sus porciones polares entran en contacto con la interfasr acutisa, en tanto que sus porciones no polares se
ocultan en el interior de la biomolCcula.
El agua se disocia para formar iones hidrdxido y
protones hidratados de modo masivo, los cuales de
manera convenciona! se representan como protones
desnudos (H'). El pH, logaritmo negativo de [H'],
expresa la acidez relativa. Un pH bajo denota una
solución ácida y uno alto una solución básica o alcalina.
REFERENCIAS
Segel 1M: Riocochemicnl Calculations. Wiley, 1968
Los bioqulmicos consideran tanto a los hcidos
carboxilicos (como el R X O O H ) como a las aminas
(por ejemplo. R-NH,') como bcidos, y nombran a los
aceptores protónicos correspondientes ( R - 4 0 0 - y
R-NH2), las bases conjugadas de estos ácidos. Estos
ácidos débiles desernpeíian actividades claves en el
metabolismo. Su potencia heida se expresa de manera
cuantitativa con el simbola pK, el cual es el logaritmo
negativo de su constante de disociación. Los ácidos
relativamente fuertes tienen pK bajo mientras que en
los relativamente débiles es alto.
Los amortiguadores resisten los cambios en el pH
cuando se producen o consumen protones. La capacidad amortiguadora máxima a IT I unidad de pH en
cualquier región de pK. Entre los amortiguadores
fisiológicos importantes se encuentran el bicarbonato,
e[ ortofosfato y las proteínas.
Estructura y funciones
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
.
.
Capítulo S.Yéptidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Capitulo 6 . Proteínas: estructura y función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
Capítulo 7 .Proteínas: mio~lobinay hemoglobina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Capitulo 8. Enzimas: propiedades generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Capitulo 9. Enzirnas: cinética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
Capitulo 10.Enzirnas: mecanismos de acción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
Capitulo 11.Emzimas: regulacióln de actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Capítulo 4 Aminoácidos
Victor W Rodwell, PhD
Una de las múltiples funciones de los arninohcidos en
las ~Clulasvivientes es la de servir como unidades
monómeraq a partir de las cuales se sinteticen cadenas pEipéptidicas de proteinas. La mayoría de las proteinas
contienen. cn proporciones diferentes, los mismos 20
1,-al fa-am inokidos. Muchas protcinas específicas
contienen además aminoicidos 1.-alfa derivados de
algunos de los 20 aminoacidos basicos mediante
procesos que tienen lugar después de la fbrtnacibn del
esqueleto fundamental del polipéptido. Estos aminohcidos "poco habituales" satisfacen funciones altamente específicas de la proteína en cuestidn. El tipo
de aminoácido, el orden en que se unen y su relación
espacia1 mutua estableceii las estructuras tridimensionales y las propiedades biológicas de proteínas
simples y son determinantes importantes de la estructura 4 fiinción de proteinas complejas que contienen
aderntis de aininoácidos, hem, carbohidratos, Iípidos,
ácidos nucleicos, etcktcra. Este capítuIo estudia las
estructuras, propiedades fisicas, estereoquim ica, reacciones químicas y equilibrios iOnicos de los L-alfaaminoacidos presentes en las proteínas.
trastornos graves. Varias enfermedades genéticas. Telativamente raras, del catabolismo de arninoácidos
(como la fenilcetonuria y la enfermedad dc la orina de
jarabe de rnaple) producen, si no se tratan, retraso
mental y muerte temprana. Otros padecimientos
genkticos pueden deberse a la alteración de la capacidad para transportar aminoácidos específicos a las
células. Dado que estos defectos de transporte por lo
común causan una excreción urinaria exagerada de
uno a más amino8cidos, a menudo se designan como
aminoacidurias.
Además de sus actividades como proteinas, los
1,-arninoacidos y sus derivados participan en runciones intraceIuIares tan diversas como Ia transmisión
nerviosa, la regulación del desarro110 celular y en la
biosintesis de porfirinas, purínas, pirimidinas y de
urea. IdosI .-arninohcidos de pkptidos de peso moIecular bajo actúan como hormonas y tanto los aminoicidos ri como los l. esthn presentes en 10% antihioticos
polipeptidos elaborados por microorganismos.
PROPIEDADES DE LOS
AMINOACIDOS
El código genético específica
20 L - a l f a - a m i n o á c i d o s
La alimentación humana debe coniencr cantidades
adecuadas de 1 0 1,-alfa-aminoácidos esenciales, ya
que, ni el ser humano ni los demás animales superiores
pueden sintetizarlos en las proporciones necesarias
para mantener el crecimiento infantiI o conservar la
salud en los adultos. En forma de proteinas, los aminoAcidos realizin una multitud de funciones estructurales, hormonales y cataliticas esenciales para la vida.
Por tanto, no sorprende que defectos genttícos en el
metabolismo de los aminoacidos puedan conducir a
Aunque existen más de 300 arninoácidosdiferentes en
la naturaleza, sólo un subconjunta de 20 constituye las
unidades monomericas a partir de las cuales se construye el esqueleto básico de las proteínas polipeptidicsts. Un cbdigo genetico de tres letras no repetidas
podría incluir más de 20 arninoacidos, pero la redundancia en el código genetico universal limita los codones
de arninohcidos disponibles a los 20 arnino8cidos
L-alfa que se presentan en e1 cuadro 4-1. Por consiguiente, todas las proteinas contienen diferentes pro-
30
(cupí6ulo 4)
Bioquimic.a de Harper
r i i s d rn 4-1.r.-alfa-~m~no"ácidos
presentes
-----
en
las proteina~i
--
I
iula estrur
Alanina
Lc---.:-'.
'
I,eu [l
i
.
-
-
- .
I--. 2.3
m
Con crdcnas laterales que tienen grupos bidroxila [OH)
Se?-
nI
2
Scr FS'
1;
I
-..---- 9.8
CkI2&.
I
!
OH
I
I
i
l
.NHI
~m~-CH-ch'1
Tre 17
Treonina
I
2.1
9.1
Casi 13
Tir
-.
Con cadenas laterales que contienen 4tomnr de azufr*
ci:
Cis [C
~n,-CH2-W
i
Metionina -
8.3
CH,-CH-
SI
~
e [I t
-. - -- Con cadenas laterales que contienen grupos hcidos o sus amidas I
A
A--
"
ÁCido asphrtil
Asparagina
o[
Asn
Ac ido gIuiárnico Glu [E
Glutamina
A
-
I
2
1.u
,Y.Y
-
u
Cuadro 4-f. t-milfa-Aminohcidos presentes en las proteínas (continuación)
---.*u..--.
-A
"
A-----A
1
:on cadenais IatcralejI que conti
'
.
-."..".
NombriLI_- Silmbolo
1 A r e m1
1
1 istidina
-iue contiei
Fistidina
1
Lis 1
icos
1 VCase desputs
F
Tirosina
rolina
porciones de estos 20 L-alfa-aminoAcidos. Sin embargo, ciertas proteínas contienen, además, aminohcidos
L-alfa "poco habituales" originados en algunos de los
20 aminoácidos básicos mediante un procesamiento
postraslacional (o sea, un proceso que tiene lugar
despues de la fomaci6n de un esqueleto de polipép
tidos). Un ejemplo frecuente es la cistina, que se
produce por oxidacibn a partir de los grupos S H de dos
cistefnas para convertirse en una unibn -S-S(disulfuro). Otros aminoficidos modificados menos
comunes o "poco habituales" tambidn cumplen funciones muy especificas en las proteínas donde se
encuentran. Algunos casos de modificaciones postraslacionales son la metitación, la formilaci6n, la acetilacibn, la psenilacidn, la carboxilacibn y la
fosforilacibn (capítulo 40).
En las proteínas sólo existen
L-alfa-aminoácidos
Los aminohcidos contienen grupos funcionales amino
y carboxilo. En un alfa-aminoAcido, ambos esthn unidos al mismo atomo de carbono (figura 4-1).
R-C-
NH,
I
COOH
R
o
Flgura 4-1. Dos representacionesde un alfa-aminoAcido.
(Capífulo 4)
Se dice que un átomo de carbono que tiene cuatro
sustituyentes diferentes es un carbono quiral. Con
excepcion de la glicina, para la cual R es un átomo de
hidrógeno (figura 4-l), los cuatro grupos unidos al
átomo de carbono alfa de los aminoácidoc son diferentes. Esta orientación tetraedrica de cuatro grupos
distintos alrededor del carbono alfa le confiere actividad óptica (la capacidad de rotar el plano de la luz
polarizada) a 10s aminoácidos. A~inqueen las proteinas se han encontrado algunos aminoácidos dextrorrotatorios y algunos levorrotatorios a pI.1 7.0, todos
tienen las configuraciones absolutas del bgliceraldehido por lo cual son L-alfa-aminoacidos.
Dado que los u-aminoicidos existen en la naturaleza e inclusive en antibióticos polipeptldicos, ¿por
q u e se encuentran sOlo L-aminoácidos en las proteínas? Los autores proponen la hipbtesis dc quc los
L - a m i n o a c i d o s f u e r o n s e l e c c i o n a d o s por un
fenómeno, en cierta manera fortuito, que tuvo lugar
muy temprano durante la evolución de Ea vida.
Los aminoácidos pueden tener carga
neta positiva, negativa o cero
Los aminoácidos portan por lo menos dos grupos
Bcidos débiles ionizables, un -COOH y un -NHq'.
En solucibn, dos formas de estos grupos, una con
carga y otra sin carga. existen en equilibrio protónico:
R-COOH
R-NH3'
-
R-COO-
e R-NH2
Figura 4-2. Estructura ionicamente correcta para un aminoacido a pH fisiológico o cerca de el (A). La estructura sin
carga que se muestra en (B) no puede existir a ningún pH,
pero es posible usarla por conveniencia cuando se describe
la quimica de los aminoacidos
un grupo carboxilo estará presente como ion carboxi-
lato (R-COO-). Sin embargo, por conveniencia se
utiliza la representación i3 para numerosas ecuaciones
en las que no intervienen los equilibrios protbnicos.
Las fuenas relativas de los icidos
débiles se expresan en términos
de su pK,
Las fuer7as relativas de los icidos dhbilec son expresadas en tkrminm de sus constantes de disociaci6n de
ácidos, K,, o de su pK., que es simplemente el log
negativo de la constante de disociación, esto es.
+ H'
+ H'
R-COOH y R-NHit representan los miembros protonados o acídicos en estos equilibrios. El R-COOy el R-NH2 son las bases conjugadas (es decir, los
aceptores dc protones} de los ácidos correspondientes.
Aunque el R X O O H y el R-NHj' son Acidos dhhiles,
el R-COOH es un acido con mayor fuerza que el
R-NH]'.
Al pH de1 plasma sanguíneo o del liquido
intracelular (7.4 y 7.1, respectivamente), los grupos
carboxilos existen casi enteramente como iones carboxilato, R--COO-. A estos valores de pH, la mayoría
de los grupos amino estfin predominantemente en la
f o m a proíonada, R-NH?'. Las especies ionicas prevalentes de los aminoácidos en la sangre y en la mayoria
de los tejidos, deberán representarse como se muestra
en la figura 4-2A. La estructura E3 (figura 4-2) no
puede existir a ningún pH. En un pH suficientemente
bajo para ionizar al grupo carboxilo, el grupo amino
con el Bcido rnh débil tambien se protonaría. A un pH
dos unidades por debajo de su pK,, un hcido estarh
protonado aproxiniadamente 99 por ciento. Si el pH
se eleva de manera gradual, el protbn del ácido carboxílico se perderh mucho tiempo antes que el del
R-NH3'.
A cualquier pH bastante alto para que predomine [a base conjugada sin carga del grupo amino,
El cuadro 4-1 enumera los valores de pK para los
grupos funcionales presentes en los 20 arninohcidos de
las proteinas. Por conveniencia, el subindice a en K,
y pK, queda implicito, pero se omitirá de aquí en
adelante.
La figura 4-3 iIustra Ias formas protonadas de los
grupos R imidazol de la histidina y el grupo R
guanidino de la arginina. Ambos existen como híbri-
NH
I
C - NH,
!I
ONH,
-
NM
1 0
C=NHi,
I
N'%
=
NH
i:.o
G~NH,
1:
NH2
Figura 43. Hlbridos de resonancia de las formas protonadas de los grupos R de histidina y arginina.
dos de resonancia, por lo que se pueden representar
como se muestra a la derecha, con la carga positiva
distribuida entre ambos nitrógenos (histidina) o sobre
P
los tres nitrogenos (arginina).
La carga neta (la suma algebraica de todos los
gnipos con cargas positivas y negativas que se encuentran presentes en la moléculaj de un aminoacido
depende del pH o de la concentraci6n de protones de la
solucihn en que se encuentren. La capacidad de alterar
la carga de los aminoáicidos o de sus derivados por
manipuIacíón del pH facilita la separación fisica de
aminoácidos, péptidos y proteínas.
A su pH isoelectrico (pl), un aminoácido
tiene una carga neta de cero
Para un aminohcido aIifático como la alanina, la especie
isoeléctrica es la forma que se muestra en la figura 4 4 .
El pH isoeléctrico es el pH que esta en medio de los
valores de pK de ambos lados de la especie isoeléctrica. Para un aminohcido con s61o dos grupos disociables, no puede haber ambigüedad posible, como se
muestra abajo en el cálculo del p l para la alanina.
Dado que p K l (R-COOH) = 2.35 y pKz(R-NH,')
= 9.69, el pH isoeléctrico (pl) de la alanina es:
El calculo del pl para un compuesto con más de dos
grupos disociables tiene una posibilidad mayor de
m o r . Por ejemplo, considerando la figura 4-5, ¿cuál
podria ser el pH isoeléctrico (p1) para el Acido aspartico? Primero, se escriben todas las estructuras ibnicas
posibles para un cornpiiesto en el orden en el cual se
presentan cuando se va de una solución fuertemente
acida a una solución alcalina (por ejemplo, para el
ácido aspártico en la figura 4-5). A continuación, se
identifica la representaci6n isoibnica, zwitterionica o
neutra (como en la figura 4-58). El pI es el pH que
esta en medio de los vaiores de pK de ambos lados de
las especies isoiónica.
II
O
Fiqura
4-4. Estructura isoeléctrica o "zwttteri6nica" de la
alanina Aunque tiene carga, el zwitterlbn Presenta una carga
neta igual a cero y por consiguiente no emigra en u n campo
elkctrico de corriente directa.
En este ejemplo.
Este procedimiento es uti! para todos los aminoácidos
con grupos disociables adicionales, como la lisina o
la histidina. Qespuks de escribir las fórmulas para
todas las especies cargadas posibles de los arninoacidos lisina y arginina, se observa que:
Para la Iisina, el pl es 9.7; para la arginina es 10.8. El
ectiidiantc deberli determinar el pl para la histidina.
Determinar por inspección de las estructuras cargadas, los valores de pK a ambos lados del zwitterion,
no se limita a los aminoicidos. Puede ser aplicado al
cálculo de la carga de una molécula con cualquier
numero de grupos disociables. [,a capacidad de realizar cálculos de este tipo es valiosa en el laboratorio
clínico para predecir la movilidad de los compuestos
en los campos elkctricos y para seleccionar Iris arnortiguadores apropiados para Ias separaciones. Por
ejemplo, un amortiguador a pH 7.0 podria separar dos
moleculas con un pl de 6 y S, respectivamente, debido
a que la molécula con pl = 6 tendrfi una carga negativa
neta mayor a pH 7.0 que la molécula con pl = 8.
Consideraciones análogas se aplican a la comprensión
de separaciones sobre soportes ibnicos como las de
polimeros con carga positiva o negativa (por ejemplo,
celulosa DEAE o resina 1 Dowex).
La solubilidad y el punto de fusión
de los aminoácidos reflejan
su carácter iónico
Dado que los aminoácidos poseen múltiples grupos
con carga, se solvatan con facilidad y, por tanto, son
solubles en solventes polares como agua y etanol, pero
insoluhles en solventes no polares como benceno,
hexano y &ter.Sus elevados puntos de fusidn (> 200 "C)
reflejan la gran cantidad de energía necesaria para romper
las fuerzas iónicas que estabilimn la red cristalina.
LOS AMINOAGIDOS PUEDEN
CLASIFICARSE POR LAS
POLARIDADES DE SUS GRUPOS R
dividirse en dos
Los aminoficidos proteinicos
amplios grupos de acuerdo a la polaridad o no polari-
34
Bioquimica de Hurper
(Capítulo 4)
En actdo fuerte
(menor de pH 1);
carganeta=+ 1
Aproximadamente
pH6a8
carga neta = -1
Aproximadamente
pH 3: carga neta = O
En hlcali fuerte
(arriba de pW i1);
carga neta = -2
Figura 4-5. Equilibrio protbnico del Bcido asplrtico.
dad de los grupos R adheridos a los átomos de carbono
alfa (cuadro 4-2). Las abreviaturas de una sola letra
(cuadro 4-1) se emplean para representar secuencias
extremadamente largas de arninoacidos (por ejemplo,
para anotar la secuencia completa de aminoacidos en
una proteína).
Los aminoácidos que se encuentran en estados
libre o combinado (pero no en proteinas} desempefían
funciones importantes en los procesos metabólícos.
Por ejemplo, la ornitina, la cimilina y el arginosuccinato
participan en la formación de la urea. Hay mas de 20
u-aminohcidos en la naturaleza, los cuales incluyen
D-alanina y D-glutamato de las paredes celulares de
ciertas bacterias y varios D-aminoácidos de antibióticos.
LOS GRUPOS ALFA-R DETERMINAN
LAS PROPIEDADES DE CADA
AMINOACIDO
La glicina, el más pequefio de los aminoácidos, puede
encajar en regiones de la estructura tridimensional de las
proteinas inaccesibles para otros aminoácidos y se
Cuadro 6 2 . Ctasificaci6n de los alf fa-aminohcidos
presentes en las proteinas con base en su relativa
liidrofilicidad (tendencia a asociarse con el agua) o
hi
dad (tcnd encia a asociarse a I
qte
no polar en lugar de agua)
.
-
- FIidrbfot.-LisA lanina
Fr:niIalanina
1solcucina
Lc
M
PI
Ti
Triptófano
Valina
l
-
"
"
-
"~
.. ..-.
1' w : 3 . . c E , . -
do aspártic o
Áci do glutamico
,inina
imagina
Cisi:eina
Glic:ina
G lutamina
Histiclina
Cisinia
a
-Serin.
1 reoriína
-.-
encuentra en regiones donde tos pdptidos se doblan en
forma aguda.
Los grupos R alifáticos de alanina, valina, leucina
e isoleucina y los gmpos R aromáticos de fenilalanina,
tirosina y triptdfano son hidrof6bicos, propiedad que
tiene consecuencias importantes para el ordenamiento
de !as moldculas de agua de las proteinas que estan en
la vecindad inmediata. Es tlpica la presencia de estos
aminohcidos en el interior de proteinas citosólicas.
Los grupos R con carga, de los aminoácidos básicos
y acidicos, estabilizan las conformaciones proteínicas
especificaspor intermedio de la formación de enlaces salinos. Por ejemplo, la rotura y reconsúucciSn de enlaces
salinos que acompafla a la oxigenación y desoxigenación
de la hemoglobina (capitulo 7). Además, los aminokidos con grupos Rde cargapositiva o negativa funcionan
en los sistemas de "transmisibn de carga" que las
transportan a distancias considerables durante la
catálisis enzimática. Por último, la histidina tiene funciones unicas en la catalisis enzimática, debido a que
el pK de su protón imidazblico le permite, a pH 7.0,
funcionar alternativamente como base o como acido
catalitico.
El grupo alcohol primario de la serina y el grupo
tioalcohot primario (-SI+) de la cistelna son nucleófi los excelentes y pueden funcionar como tales en
muchos procesos de la catklisis enzimhtica. Aunque
el alcohol secundario de la treonina es tambitn un
buen nucleófilo, no se sabe que se comporte como taI
en la catálisis. Además de su papel catalitico, el grupo
4 H de la serina y de la tirosina actúa en la regulación de la actividad de ciertas enzirnas cuya acción
catatitica depende del estado de fosforilación de
residuos seril o tirosil especificas.
Los arninohcidos no absorkn la luz visible (es decir,
son incoloros) y, con excepcibn de los arninoficidos
aromaticos triptófano, tirosina, fenilalanina e histidina,
tampoco absorben la luz ultravioleta de una longitud
de onda mayor de 240 nm. Varios aminoAcidos, particularmente el triptdfano, absorben luz ultravioleta de
longitud de onda de alta frecuencia (250 a 290 nm)
(figura 4 4 ) . Aunque el triptofano es relativamente
dos también reaccionan, pero con mayor lentitud que
un alfa-aminoácido. La prolina y la 4- hidroxiprolina
producen un color amarillo con ninhidrina.
La fluorescamina (figura 4 - 9 , un reactivo aun
más sensible, puede detectar nanogramos de un aminohcido. Igual que la ninhidrina, Sa fluorescamina
f u m a un complejo con arninas de otros compuestos
además de los arninoácidos.
VARIAS TÉCNICASAISLAN
LOS AMINOACIDOS
Crornatog rafía
240
260
280
Longitud de onda (nm)
Figura 4 4 . Espectrode absorcidn ultravioleta del triptbfano,
tirosina y fenilalanina.
poco común en la mayoria de las proteínas, contribuye
de manera importante a la capacidad de muchas de
ellas, para absorber h z en la región de los 280 nm.
En todas las separaciones cromatográficas, las
moldculas son separadas dentro de una fase estacionaria
y una rnbvil. La separacion depende de la tendencia
!elativa de tas moléculas en la mezcla para asociarse
con mayor fuerza a una o a otra fase.
Aunque estas tkcnicas de separacidn se describen
principalmente en reIaci6n con aminoácidos, su uso
de ninguna manera está restringido a estas moléculas.
Cromatografía en papel
LA NlNHlDRlNA O LA FLUORESCAMINA
DETECTA LOS AMINOACIDOS
La ninhidrina (figura 4-7) descarboxila por oxidación los alfa-aminohcidos a Coz,NN3 y un aldehido
con un htomo de carbono menos que el arninoficido
precursor. Luego, la ninhidrina reducida reacciona
con el amoniaco liberado, formando un complejri azul
que absorbe al rnkirno la luz a una longitud de onda
de 570 nm. Este color azul es la base de una prueba
cuantitativa para alfa-aminohcidos que puede detectar
cantidades de aminoAcidos tan pequeflas como 1 pg.
Otras arninas distintas a los alfa-aminoicidos también
reaccionan con ninhidrina dando un color azul, pero
sin liberar Coz.Por tanto, la formación de COZindica
Ea presencia de un alfa-aminohcido. El NH, y los pépti-
Para la cromatografia en papel, se coloca una gota de
solucibn que contenga uno o mas aminokidos a unos
5 cm del borde de una tira de papel filtro. La tira se
coloca en un vaso cerrado donde su extremo entra en
contacto CUII un solvente, generalmente un alcohol de
bajo peso molecular en solución saturada con agua
que contiene un ficido o una base. Despds de la
migración del solvente sobre el papel, se seca la tira,
se trata con ninhidrina en acetona y se calienta un
poco; entonces las posiciones de los arninoácidos
aparecen como puntos de color purpura (figura 4-9).
Los aminoácidos con grandes cadenas laterales
no polares (Leu, Ile, Fen, Tri, Val, Met, Tir) emigran
m& que los que tienen cadenas laterales mas cortas
no polares (Pro, Ala) o cadenas laterales polares (TE,
Glu, Ser, Arg, Asp, His, Lis, Cis) (figura 4-9). Esto
Figura 4-7. Ninhidrina.
Figura 4-8. Fluorescamina.
(Capítulo 4)
sentidode
rnigracibn
1
1
del solvente
Cis
4
Tri
-origen
*
-Iir
)
Met
'
Figura 4-9. ldentificacibnde los aminoAcidos presentes en
las proteínas DespuBc de crornatwrafia descendiente en papel,
en A-butanol. ;ícido acético. agua, las manchas fueron vistas
al añadir ninhidrina
refleja la mayor solubilidad relativa de las moltculas
polares en la fase estacionaria hidr6fila y de las moI&culas no polares en solventes orgánicos. Para una
serie no polar (Gli, Ala, Val, Leu), a mayor longitud
de !a cadena lateral no polar se incrementa su caracter
no polar lo cual aumenta su movilidad.
La relacibn entre la distancia recorrida por un
aminohcido con la distancia que viaja ei solvente, medidas ambas desde el sitio marcado para la aplicacibn de
la rne7cla de arninoácidos, se designa como valor RF
(movilidad relativa con el solvente) de ese aminohcido.
Los valores RFpara un aminohcido dado varían de
acuerdo con las condiciones experimentales, por ejemplo, según solvente usado. Aunque es posible identificar
tentativamente un aminohcido s61o por su valor RF,es
preferible hacer la cromatografia estandar de aminoácidos conocidos de manera simultáneacon la mezcla
desconocida. Luego, la movilidad puede expresarse
en relacion a la de uo esthndar (es decir, como RI,m8s
que como Rf). Las movilidades expresadas como relativas a un estAndar varían menos que los valores Rf
de un experimento a otro.
Cromatografía en capa fina
Hay dos tipos distintos de cromatografia en capa fina
(CCF): CCF de partición (CCFP) y CCF de absorción
(CCFA). En Ia CCF de partfcion, la resolucibn implica
particihn de los elementos de una mezcla entrz dos
fases liquidas: una estacionaria y otra móvil de polaridad diferente, conforme la fase móvil pasa sobre [a
estacionaria. La separacidn se produce por la diferencia de solubilidad de los componentes en las fases
estacionaria y móvil.
En la CCFP nonnal, la fase ectacionana es el componente más polar. El solvente desarrollado contiene
ambos elementos: polares y débilmente no polares,
típicamente agua, un alcohol de 4 o de 5 carbones y
un Acido débil o una base débil como ácido acético o
arnoniaco. Conforme se desplaza sobre la placa de
apoyo, el solvente cambia de composición debido a
los elementos más polares que acornpairan a los grupos
- O H polares de la celulosa. Por tanto, el solvente que
avanza paulatinamente se convierte en más no polar.
Los componentes más no polares de una mczcIa se
desplazan mLs lejos que los componentes mas polares de igual tamafio. Por ejemplo, el glutamato y la
lisina se retardan, en tanto que la leucina y la valina
migran junto con el solvente.
En la CCFP en "fase reversa", tanto las polaridades
de las fases como las movilidades de los componentes de
la mezcla se revierten respecto a la CCFP normal. La
fase móvil suministra la fase polar. La fase estacionaria, por lo común celulosa recubierta con un líquido
no polar como el aceite de silicon, suministra la fase
más no polar. En contraste con la CCFP normal, los
componentes polares rnigran con el solvente en tanto
que se retrasa el desplazamiento de los componentes
menos polares.
En la CCF de absorción (CCFA), la separacidn
se basa en un principio totalmente diferente. La resolucibn implica absorber los componentes de la
mezcla en gel de sílice que se calienta para expulsar
toda el agua fija. La fase móvil, típicamente una mezcla
simple o binaria de calventes organices, desplaza los
compuestos absorbidos compitiendo por los sitios de
unibn sobre el gel de sltice. Primero se desplazan los
componentes unidos con menor firmeza y asf se logra
la resolucibn.
Cromatografía de intercam bia ionico
El anhlisis de los residuos de aminolicidos despuks de
la hidrólisis de un polipéptido, por la general involucra
a la crornatografía automatizada d e intercambio
i6nico. La separación, identificación y cuantiticación
completas requieren menos de tres horas. EI procedimiento de Moore y Stein utiliza una columna corta
y una larga las cuales contienen la forma ionizada de
Na" de una resina de poliestireno sulfonatada. Cuando
e3 ácido hidrolizado a pH 2 se apZica a las columnas,
los arninoácidos se unen mediante el intercambio de
cationes con el catión Na'. Las columnas se eluyen
despues con citrato de sodio bajo condiciones prede-
Aminoácidos
terminadas de pH y temperatura. El material eluido se
hace reaccionar con la solucibn de ninhidrina y las
densidades de la coloración se miden en un colorimetro de flujo. Los datos aparecen en un tubo de sayos
catbdicos con integración relacionada con cornputadora de las áreas pico (figura 4-1 0).
Electroforesic de alto voltaje (EAV)
Las separaciones de aminoacidos, polipkptidos y otros
anfhlitos (moléculas cuya carga neta depende del pH
del entorno) en un campo el6ctrico de corriente directa
tienen extensa aplicación en bioquimica. Para los aminoCicidos. las hojas de papel o capas finas de celulosa en
polvo son las que se usan Con mayor frecuencia como
soportes inertes. Para poliptptidos grandes o proteínas, se emplea gel de poliacrilamida con enlaces
cruzados. Para oligcimeros de nuclehtidos se utilizan
soportes de agarosa y poliacrilarnida.
Las separaciones dependen de la carga neta del
anfólito y del peso molecular de los compuestos que
seran separados. Para molécuIas con carga idéntica, la
de peso molecular más bajo emigra más lejos. Sin
embargo, la carga neta es el factor mas importante que
determina la separación. Esta técnica es htil para aminohcidos, polipeptidos de peso molecular bajo, ciertas
proteínas, nucleótidos y fosfoazúcares. Las muestras
se aplican a! soporte, que a continuación se humedece
en una solución amortiguadora de un pH apropiado y
se pone en contacto con reservorios de amortiguador
* 37
mediante tiras de papel. El papel puede cubrirse con
una placa de vidrio o sumergirse en un hidrocarburo
refrigerante. Al aplicar lacorriente, las mol&culascon
carga negativa neta al pH seIeccionado, emigran hacia
el Iinodo y aquellas con carga positiva neta, hacia el
chtodo. Para visualizar la separacidn, el electroferograma ya seco es tratado con ninhidrina (aminohcidos,
péptidos) o expuesto a la liiz ultravioleta (nuclebtidos). La elección de pH es dictada por los valores de
pK de los grupos que se disocian en las rnol&culasde la
mezcla.
LOS GRUPOS FUNCIONALES
DETERMINAN LAS REACCIONES
Q U ~ M ~ C ADE
S LOS AMINOACIDOS
Los grupos funcionales que poseen los aminoácidos
gobiernan las reacciones quimicas en las que participan, las funciones Bcidas alfa-amino y alfa-carboxílica y los grupos Funcionales presentes en los grupos R.
Cada grupo funcional puede participar en todas sus
reacciones químicas características. Estas reacciones
incluyen para los grupos del Iicido carboxílico, la
ionización y ia formación de &teres. amidas y anhidridos ficidos. Estas reacciones incluyen la ionizaciiin, la
acilacibn y la esteri ficacibn d e grupos amino, oxidacibn y alquilación de grupos -SH, y esterificacibn
de grupos -OH, etcétera.
Figura 4-10. Anhlisis automatizado de los aminoácidos presentes en un hidrolizado de proteínas. Los arninoacidos se adsorben
en una resina intercambiadora de cationes en una base de poliestireno, Dowex 50, se eluyeron con amortiguadores del pH
indicado, se sometieron a reaccidn Con ninhidrina y se registr6 la absorbencia a 570 y 440 nrn (para detectar prolina). Las
hreas máximas son proporcionales a la canttdad existente de cada aminoácido. Una columna corta (A) determina arninoAciUoc
bastms a pH 5.28. La elución de una columna mBc larga (B) a pH 3.25 y 4.25, identifica los amino8cidos restantes. El aminohcido
no proteinico norleucina sirve como estBndar intenso
38
Bioquímica de Hurper
comprender la conversion previa en un cloruro de
acido. En los procesos biolbgicos, la activación comprende una condensación inicial con ATP con la formacibn de un am inoaciladenilato.
RESUMEN
Figura 4-1 1. Aminoicidos unidos por un enlace peptídim
(porei6n sombreada).
LA REACCION MAS IMPORTANTE
DE LOS AMINOACIQOS ES LA
FORMACIÓN DEL ENLACE
PEPTIDICO
En principio, la formacion del enlace peptídico comprende la eliminacion de un m01 de agua entre el grupo
aIfa-amino de un aminoácido y el grupo alfa carboxilo
de un segundo aminoácido (figura4-11). N o obstante,
esta reacción no procede en esta direccibn, ya que la
constante de equilibrio favorece con firmeza la hidrólisic del enlace peptídico. Para sintetizar la unibn entre
dos aminohcidos, primero debe activarse el grupo
carboxilo. Desde el punto de vistaquimico, esto puede
Sblo los L-alfa-aminoácidos forman las protelnas,
aunque en la naturaleza existen o-aminoácidos y no
al fa-aminoácidos. Todos los aminoácidos poseen por
lo menos dos grupos funcionales acidos débiles, RNHH y R-CQOH, que, para los arninoacidos protelnicos, residen en el átomo de carbono alfa. Adernas,
estos y otros grupos funcionares hcidos ddbiles ( 4 H ,
-SH, guanidino, imidazol) determinan que la carga
neta en un aminoácido varíe con el pH. Por tanto, los
arninoacidos son anfhlitos cuya carga neta a un pH
dado depende de los valores de pK, de sus grupos
funcionales. El pI es el pI4 en el que un amínohcido tiene
una carga neta igual a cero y por ende no se mueve en un
campo elkctric~de corriente directa.
AdernBs de determinar las relaciones de carga y
las clases de reacciones qulmicas que un aminohcido
experimentará (por lo cual la formación del enlace
peptidico es de suma importancia}, los grupos R y sus
funcionalidades definen las funciones bioauimicas
únicas para cada aminohcido. Las funcionalidades del
grupo R proporcionan también una base para clasificar
a los aminoácidos como básicos, ácidos, aramhticos,
alifáticos y con contenido de azufre. Después de la
separacion de mezclas de aminohcidos por particihn
o cromatografia de intercambio iónico, estos compuestos pueden detectarse y cuantificarse por su reaccibn
con ninhidrina. E
REFERENCIAS
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Péptidos
.
.
Vicior W. Rodwell, PhD
La polimerización de los L-alfa-aminoácidos por enlaces
peptidicos constituye el marco estructural para las
proteínas. Este capitulo describe las características de
estos enlaces, las propiedades de los péptidos, los m&todos para deteminar la estructura primaria de los
mismos y de las proteínas así como las tdcnicas para
la sintesis de péptidos.
Idos pdptidos tienen un enorme inteds biornédico, en
particular para endocrinologia. Muchas de las hormonas
son péptidos y pueden suminislrarse a los pacientes
para corregir deficiencias (como la administración de
insulina a pacientes con diabetes sacarina). Ciertos
antibibticos son peptidos (por ejemplo, la valinomicina y la gsamicidina A), igual que algunos agentes
antitumorales (como la bleomicina). Por su parte, el
dipéptido aspartame se utiliza como edulcorante en
muchas bebidas. La dpida síntesis quirnica y la tecnologia de recombinacibn del DNA facilitan la producción de cantidades sustanciales de hormonas
peptídicas que en el cuerpo existen solo en concentraciones rninimas, por lo cual son dificiles de aislar en
cantidad suficiente para usarse en teraptutica. La
misma tecnologia permite la slntesis de otras péptidos, también disponibles de fuentes naturales, pero
solo en cantidades pequeilas (es eE caso de ciertos
peptidos y proteínas viralec), para usarse en vacunas.
LOS L-ALFA-AMINOACIDOSSE UNEN
MEDIANTE ENLACES PEPT~DICOS
PARA FORMAR LOS PEPTIDOS
En la figura 5-1 se muestra un tripkpcido constituido
por alanina, cisteina y valina. Advierta que un tripdptido es aquél formado con tres residuos. no con tres
enlaces peptidicos. Por convencion, las estructuras
peptidicas se escriben con el residuo amino-terminal
(el residuo con un gmpo de alfa amino libre) a ta
izquierda y con el residuo carboxiío terminal (et
residuo con un gmpo alfacarboxiIo libre) a laderecha.
Este péptido tiene un solo grupo alfa amino libre y un
solo grupo a3fa carboxilo libre. Sin embargo, en algunos péptidos, los grupos terminales arnino o carboxilo pueden derivarse (por ejemplo, una amina
N-fomilo o una amida del gmpo carboxilo) y por
tanto no están libres.
Alanil
Cisteinil
Valloa
Figura 5-1. Fbrmula estructural de un tripkptido. Los enlaces
peptídicos están sombreados para enfatizarlos.
Las estructuras de los péptidos
son fáciles de representar
Por conveniencia, los peptidos se representan con su
terminal amino a la izquierda y la terminal carboxilo
a la derecha de la página. Para mostrar las estructuras
de los péptidos, primero se dibuja la cadena principal
o esqueleto y en seguida se agregan los grupos R
apropiados. Escriba un zig-zag formado a partir de la
secuencia de Atomos que se repite en el esqueleto o
cadena principal: alfa-nitrbgeno, alfa-carbono, carbiin
carbonilo.
Después, se completan las terminales atnino y carboxilo, se agrega un hidrogeno a cada uno de los alfacarbonos y a cada nitrógeno del pbptido; ademhs se
añade oxígeno a los carbonos carbonilos.
alanilo, aspartilo, tirosilo). Los ptptidos reciben su
nombre como derivados de la terminal carboxilo del
residuo aminoacilo. Por ejemplo, el tmapéptido LisLeu-Tir-Gln se denomina como derivado de la glutamina y se le llama lisil-leucil-tirosil-glutamina.La
terminación -ina en la glutmina indica que su grupo
atfa-carboxilo no participa en la formación del enlace
del péptido.
La estructura primaria afecta
la actividad biológica
La mutación del DNA que altera codones puede producir la inserción de grupos aminoacilo inapropiados
en un polipkptido o proteina. Aunque a menudo no
tiene el mayor efecto biolbgico, en ocasiones incluso
una sola sustitución puede reducir o abolir la actividad
bioE6gica con efectos resultantes leves (es el caso de
la intolerancia al alcohol en muchos asihtiticos) o mhs
serios {como la enfermedad de ckluIas falciformes).
Muchos errores metab6licos hereditarios comprenden
un cambio sencillo de este tipo. Ai respeczo. b s nuevos
mdtodos para determinar la estructura proteinica y del
DNA han incrementado de manera notable la comprensión de la bioquimica de numerosas enfermedades metabolicas hereditarias.
Para dar nombre a los aminoácidos
existentes en los péptidos se
utilizan abreviaturas
Por ultimo, se incluyen los grupos R apropiados (con
sombra) a cada átomo de alfa-carbono.
lC
/c\
/N\ \
/ COQN
C
/ c\
/ Ci-h
H
l
O
H/C\cY
I
Se utilizan las abreviaturas de 3 y de 1 letras de los
aminolicidos (cuadro 4-1) para representar las esmcturas primarias (figura 5-2). Las abreviaturas de tres
letras ligadas por líneas rectas, qresentan una estructura
primaria conocida e inequlvoca. Estas líneas se omiten
para las abreviaturas de una sola l&a. Cuando hay
incertidumbre acerca del orden preciso de una porción
de un polipkptido, los residuos en duda se encierran
en parentesis y separados por comas (figura 5-3).
Numerosos péptidos tienen
actividad fisielogica
La secuencia de aminoácidos
determina la estructura primaria
de un péptido
Cuando el número, estructura y orden de todos los
residuos de aminoácidos en un polipéptido se conocen, su estructura primaria ha sido determinada. Los
aminoácidos cuyos grupos alfa-carboxilo participan
en la formacibn de los enjaces del péptido se designan
"residuos aminoacilo". Estos se denominan mediante
la sustitucibn de las terminaciones -ato o -ina de los
arninohcidos libres, por la terminación -ilo (como
Las cklulas animales, vegetales y bacterianas contienen diversos polipkptidos de peso molecular bajo
Glu-Ala-Lis-Gli-Tir-Ala
E A K G Y A
Figura 5-2. Representacibn de 3 y 1 letra de un hexapbptido.
Figura 53. Heptapeptido que contiene una regidn de estruci
tura primaria incierta (en el parbntesis)
(3 a 100 residuos aminoacilos) que tienen actividad
fisioldgica importante. Algunos, incluyendo la mayoría de las hormonas polipeptidicas de tos marniferos,
contienen solo enlaces peptidicos formados entre los
grupos alfa-amino y alfa-carboxilo de los L-aifa-aminohcidos de las protelnas. Sin embargo, en los
polipéptidos también pueden existir aminoacidos o
derivados de aminohcidos proteinicas adicionales.
El glutatihn (figura 541,en el cual el glutamato
amino-terminal estB enlazado a la cisteína por un
enlace alfa no peptidico, es requerido por varias enzimas. El glutatión y la enzima glutatibn reductasa
participan en la forrnacibn de los puentes disulfuro
correctos de numerosas hormonas proteinicas y polipeptidicas así como tarnbidn en el metabolismo de los
xenobióticos (capitulo 6 1).
Los antibióticos polipeptidicos elaborados por
hongos contienen aminohcidos D y L así como otros
no presentes en las proteinas. Ejemplos son la tirocidina y la gramicidina S, polipkptidos clcIicos que
contienen n-fenilalanina y e[ aminohcido no proteinico ornitina.
La hormona liberadora de tirotropina (TRH,
del inglds, flyrotropin-releming hormone} (figura 5-5)
ejemplifica otra variante más. El glutamato amino-termina1 experimenta ciclizaci6n a hcido pirogluthmico
y el carboxilo del propilo carboxilo terminal se arnida.
Un polipéprido de mamífero puede contener más
de wn +pido con actividad fisiol6gicapotente. Denm de
la estructura primaria de la beta-lipotropina (hormona hipofisaria que estimula la liberación de hcidos
grasos del tejido adiposo) hay secuencias de aminohcjdos que son comunes a otras hormonas polipep-
CH,
O
II
/C\N/CH\C/N\CH,
CHz
1
I
7%
H
1
I
H
Flgura 5-5. TRH (pir~lutamilhistidiIprolinamida).
tidicas con actividades fisioldgicas diversas (figura
54). El poli@ptido grande es un precursor de los
poIipkptidos menores.
Los peptidoc con polielectrólitos
El enlace peptidico (mida) no estA cargado a cualquier pH de interés fisiolligico. Por tanto, la forrnacibn
de péptidos a partir de arninohcidos a pH de 7.4 se
acompafia de una pérdida neta de una carga positiva
y una negativa, por cada en!ace peptidico formado. No
obstante, a pH 5siolbgico los peptidos son maléculas
con carga debido a sus grupos R ácidos o básicos.
El enlace peptidico tiene carácter
de enlace doble parcial
Aunque los péptidos se representan con un enlace
sencillo que conecta los htomos alfa-carboxilo y alfanitrdgeno, este enlace tiene en realidad un caracter de
doble ligadura parcial (figura 5-7). No posee libertad
de rotación alrededor de[ enlace que conecta a los
htomos C y N. En consecuencia, los cuatro iitornos
mostrados en la figura 5-7yacen en el mismo plano, esto
es, son coplanares. Esta semirrigidez tiene consecuencias importantes para órdenes de estructura
proteínica superiores al primer nivel. Por el contrario,
hay plena libertad de rotacibn alrededor de los enlaces
remanentes del esqueleto polipeptidico. En la figura
5-8, que resume estos conceptos, los enlaces que
tienen rotación libre estan circundados por flechas y
los átomos coplanares se han sombreado.
Las fuenas no covalentes restringen
II
O
I
COO -
H-C-NH~+
I
COO -
Figura 6 4 . Glutatibn (gamma-giutarnilcisteinil-glicha).Obsérvese el enlace ara no peptldiw que une a la Glu con Cis
la conformación de los péptidos
Un polipkptido puede tener un gran número de conformaciones (disposiciones espaciales). Sin embargo,
en solución tiende a predominar un número mucho
menor de conformaciones. Estas conformaciones favorecidas resultan de factores como bloqueo espacial,
42
a
Biogulmica de H a r ~ e r
(Capitulo 5)
Metioninaencefalina
Figura 54. Estructura primaria de la beta-lipotropina. Los residuos 41 a 58 son la hormona estimulante de los melanocitoc
(0-MSH). Los residuos 61 a 91 mntienen las estructuras primarias de las endorfinas sefíaladas.
interacciones coulómbicas, puentes de hidrhgeno e interacciones hidrbfobas. T m t o para que las proteinas,
como para que los poli@ptidos (capítulo 6) tengan actividad
fisiológica se reqviercn ~onformacionesespecíficas.
El m g o de variacibn de los residuos no consewados
de una proteína entre especies indica la divergencia de
SECUENCIACI~NPROTE~NICA:
DETERMINACION DE LA
ESTRUCTURA PRIMARIA
La comparación de las secuencias de
los peptidos muestra residuos clave
e interrelaciones filogenéticas
La comparacibn de las estructuras primarias de una
proteína determinada entre organismos con reIacibn
distante, proporciona indicios vitales respecto al
modo en que una proteína puede servir como componente del citoesqueleto, transportador de electrones o
catalizador.
Ffgun 5-7. La estabilrzacibn por resonancia del enlace
peptidico le confiere un cardcter de doble enlace parcial, de
ahi la rigidez en el enlace C-N.
Ftgura 5 4 . Dimensionesde una cadena polipeptidica completamente extendidas. Los cuatro $tomos que se encuentran en las áreas sombreadas, las cuales son coplanares,
comprenden al enlace polipeptidico Los átomos en las áreas
no sombreadas son los átomos alfa carbono, alfa hidrbgeno
y el grupo alfa R de un aminofiado en particular. La libre
rotacibn puede producirse alrededor de los enlaces que unen
el alfa carbono con el alfa nitrbgeno y las funciones del alfa
carbonilo (flechas azules). La cadena de polipéptido extendida es asi una estructura semirrigida con dos teroeras
partes de los Btomos de la estructura unidos en una relación
planar fijada La distancia entre los Btomos alfa carbono
adyacentes es de 0.36 nm (3.6 A) También se muestra la
distancia interatbmica y los Angulos de enlace, los cuales no
son equivalentes (Redibujada y reproducida con autoriracibn de Pauling L, Corey LP. Branson HR, The structure o€
proteins Two hydrogen-bonded helical configurations of the
polypeptide chain. Proc Natl Acad Sci USA 1957;37:205.)
las mismas durante la evolucibn. Las relaciones evolutivas estrechas se vinculan con un alto grado de semejanza de las secuencias. mientras que las relaciones
mas distantes corresponden a más diferencias en las
secuencias. Esta interrelacibn, que primero se documentb en el iibicuo residuo 104 a 1 11 del polipeptido
transportador de electrones citocromo c, se mantiene
como verdadera en un número cada vez mayor de
proteinas.
Los peptidos se purifican antes
del análisis
Los datos de secuenciacion de los pdptidos serlan
ininterpretables a menos que la homogeneidad peptídica. valorada por EGPASDS. excediera de 95 por
ciento. Por tanto, los pkptidos deben purificarse
primero mediante tkcnicas convencionales de purificacibn de proteínas (capitulo 8).
Por lo general primero se
determina la composición
de los aminoácidos
1,a determinación de los aminoácidos que componen
un péptído, por lo general, se lleva a cabo antes de
iniciar la secuenciacion, para identificar los posibles
escollos y, de manera subsiguiente verificar los datos de
secuenciacidn. Primero se rompen los enlaces peptldicos que unen a los aminohcidos por hidrólisis. Luego,
los aminoicidos liberados se separan e identifican por
LLAR o cromatografia de intercambio i6nico.
Ningun procedimiento hidroliza pkpcidos de
manera total sin algunas pdrdidas. El mdtodo de: eIeccibn es la hidrdlisis de muestras repetidas en HCI 6N
a 110 "C en tubos de vidrio sellados al vacío por 24,
48,72 y 96 horas. Esto destruye todos los Tri y Cis, y
si estan presentes iones rnetblicos, se pierde algo de
Met y Tir. I,a recuperacibn de Ser y Tre es incompleta.
Los enlaces Val-Val, Ile-[le, Val-Ile e Ile-Val, son
muy resistentes a la hidrdlisis, en tanto que Gln y Asn
son desarninados a GIu y d s p .
¿Cómo se superan estas dificultades? Antes de la
hidrdlisis, la Cis se convierte en hcido cisteico, un
derivado ácido estable. El Tri se mide desputs de la
hidrdlisis bhsica, proceso que destruye a la Ser, Tre,
Arg y Cis. Los datos de Ser y Tre se extrapolan al
tiempo cero de la hidrdlisis. La Val y la t e u se
determinan de datos obtenidos a las 96 horas. Sobre
los hcidos dicarboxilicos y sus arnidas se informan de
manera colectiva como "Glx" o "Asx". Por ultimo,
dado que las proporciones relativas de cada aminohcido deben expresarse en números enteros, las
fracciones decimales se redondean al nhrnero entero
más próximo.
Sanger fue el primero
en secuenciar un polipéptido
Casi cuatro ddcadas han transcurrido desde que
Sanger detenni116 la estructura primaria completa de
la hormona polipeptidica insulina. La idea de Sanger
h e separar primero las dos cadenas polipeptídicas, A
y 0, de la insulina y entonces convertirlas, mediante
separación enzimhtica especifica, en péptidos más
pequeílos que contuvieran regiones de secuencia sobrepuesta. Utilizando el reactivo l -fluoro-2,4-dinitrobenceno (figura 5-9), entonces removio e
identificó, uno en cada ocasibn, los residuos aminoterminales de los aminokcidos de estos pkptidos. Por
medio de la comparación de las secuencias de péptidos sobrepuestas. fue capaz de deducir una estructura
primaria inequívoca para ambas cadenas, A y B.
Las siguientes dos tkcnicas han revolucionado la
determinación de las estructuras primarias de los
polipkptidos (proteínas). La primera fue la introducci6n por Edman, en 1967, de un procedimiento para
la separacion e identificación automfitica de residuos
ítmino terminales de aminoácidos asi como sus derivados feniltiohidantoinicos. La segunda fue la introducción independiente por Sanger y por Maxm y
Gilbert de tkcnicas para la secuenciación rápida del
DNA. En la actualidad, la estrategia óptima consiste
en utili7ar ambas técnicas de manera simulthnea.
Las estructuras primarias
de los polipéptidos se determinan
por la técnica automatizada de Edman
Dado que numerosas protelnas están constituidas por
más de una cadena polipeptidica ligada por fuerzas no
covalentes o pos puentes disulfuro, es posible que el
primer paso sea disociar y separar las cadenas poli-
Figura 5-9. Reacción de un arnino~cidocon 1-fluoro-2,4dinitrobsnmno (reactivo de Sanger). El reactivo recibe ese
nombre en honor del bioqulmico Frederick Sanger, laureado
con el premio Nobel en 1958. quien lo us6 para determinar
la estructura primarta de la insulina.
peptídicas individuales. Los agentes desnaturalizantes
como ta urea o el clorhidrato de guanidina destruyen
los puentes de hidrógeno, y disocian polipéptidos
unidos de modo no covalente. Por su parte, los agentes
oxídantes y reductores rompen los puentes disulfuro
(figura 5-1 0). Entonces los polipCptidos son separados pos cromatografia.
anhidrido citracbnico (una reacción reversible) para
cambiar su carga de positiva a negativa, ahora la
tripsina se separa solo despues de Arg. La obtención
de residuos de arginina es menos útil, debido a la
abundancia relativa de residuos de lisina. No obstante,
resulta de utilidad en la divisihn subsecuente de fraprnentos obtenidos con CNBr.
Los polipéptidos largos se fraccionan
antes de su secuenciación
C. o-Yodosobenceno
[,os instrumentos automáticos mas eficaces para Ia
obtencibn de secuencias (secuenciadores) operan sobre polipéptidos de 20 a 60 residuos de longitud. Por
tanto, es deseable una partición especifica y completa
en sitios relativamente raros. Los reactivos siguientes
cumplen con este requerimiento.
A. Bromuro de cianógeno (CNBr)
Inicialmente, los residuos de cisteina son modificados
con ácido yodoacético. Despuks, el CNBr rompe en el
lado COOH de la Met. Puesto que la metionina es
comparativamente escasa en los polipéptidos, por lo
general se producen fragmentos peptidicos dentro de
los limites de tamafio deseado.
B. Tripsina
El o-yodosobenceno fracciona los relativamente escasos residuos de Trí-X. No se requiere una proteccibn
previa de los demas residuos.
D. Hidroxiiamina
La hidrox i larn ina separa los enlaces comparativamente raros de Asn-Gli, aunque por 10 general no
da resultados cuantitativos.
E. Proteasa V8
La proteasa V8 de Staphylococcus aureus separa los
residuos Glu-X-pdptido con preferencia por condiciones en que X es hidrdfobo. La uni6n Glu-Lis resiste
el fraccionamiento. Esta reaccibn es útil para la degadacibn subsecuente de fragmentos obtenidos con
bromuro de cianógeno.
La tripsina rompe el lado COOH de los residuos Lis
y Arg. Si los residuos de lisina son obtenidos con
F. Hidróiisis con ácidos moderadamente
débiles
Esta separa el enlace raro ~sp-!+o.
La secuenciación requiere
de múltiples digestiones
Las 2 o 3 digestiones del polipdptido original, normalmente en Me[, Tri, Arg y Asn-Gli, combinadas con
subdigestiones apropiadas de los fragmentos resultantes, por lo general permitir& la determinacibn de la
estructura primaria completa del polipeptido. Exceptuando algunas dificultades extraordinarias en la purificacibn de los fragmentos, kstapuede efectuarse con
unos pocos micromoles del polipéptido.
LAS MEZCLAS DE PÉPTIDOS DEBEN
SEPARARSE ANTES DE LA
SECUENCIACI~N
Figura 5-10. Separacibn oxidativa de cadenas polipeptldicas adyacentes enlazadas por puentes disulfuro (sombreado) por Bcido perfbrmrco (lzqulerda) o la separacidn
reductiva con beta-mercaptoetanal (derecha) forman dos
pbptidos que incorporan residuos de Acido eisteico o de
cisteinilo, respectivamente.
La purificación de fragmentos se logra principalmente
por filt~aci6nen gel en iicido acético o fbmico por
cromatografia liquida de alto rendimiento de fase
invertida (CLAR) o por cromatografía de intercambio
i6nico en fosfocelulosa o en sulfofenil-Sephadex en
soluciones de k i d o fosfbrico.
A. Cromatografia de intercambio iónico
y electroforesis de alto voltaje (EA
Estas técnicas (capitulo 4), que separan con base en la
carga, se adican a polipkptidos de peso molecular
bajo y también a aminoácidos. El valor de pK para el
grupo carboxilo-terminal del hcido alfa-carboxilico
de un polipéptido es más alto que el del grupo alfacarboxilo en el aminoAcido correspondiente (es decir,
el COOH peptídico es un hcido mas dkbil). De m a n e p
inversa, el grupo amino-terminal es un ácido rnhs
fuerte (tiene un pK menor) que el aminoacido del cual
proviene.
B. Filtracibn en gel
La secuenciación automatizada utiliza cantidades
pequeiias de polipéptidos grandestde30 a 100 residuos).
Sin embargo, muchos polipkptidos de peso molecular
alto desnaturalizados pueden ser insofubles debido a
la exposicibn de residuos hidrófobos antes escondidos
durante la desnaturalimciiin. Aunque la insolubilidad
puede resolverse con urea, alcoholes, hcidos orgánicos
o bases, estos restringen el uso subsiguiente de tCcnicas de intercambio ibnico para la purificacibn de
péptidos. Sin embargo, la filtración en gel de ptptidos
hidrbfobos grandes puede llevarse a cabo entre hcido
formico o acético, I y 4 molar. Esta tkcnica separa
moliculas de tamaflos diferentes con base en su exclusión o inclusión en los poros de un filtro molccular
como Sephadex.
C. CLAR de fase invedida
Una tdcnica potente para la purificación de péptidos
no polares de peso molecular grande es la cromatografia líquida de alto rendimiento en material no polar
con elucibn mediante solventes polares (CLAR de
fase invertida). La filtracibn en gel y la CLAR de fase
invertida se emplean juntas para purificar las mezclas
complejas de péptidos obtenidas por digestibn parciai
de proteinas.
D. EA V en filtros moleculares
La filtracirin molecular puede usarse junto con la
separacibn por carga para facilitar la particibn. Aunque
es posible emplear almidbn y agarosa, el soporte mhs
común es un polimero de enlaces cruzados de acrilarnida
(CHi=CN-CONH2).
Para la electroforesis en gel
de poliacrilamida (EGPA), las soluciones de proteínas se vacian en tubos o se aplican en placas que
contienen un amortiguador de poliacrilamida can 2 a
10% de enlaces cruzados por inclusibn de bisacrilamida
de metileno (bis) (CHZ=CH-CONH~)~-CH~ o
reactivos con enlaces cruzados similares. Luego se
aplica corriente directa. La visualizacián se logra por
tincibn con azul de Coornassie o Ag". Una variante
popular es la EGPA bajo condiciones de desnaturalizacihn. Las proteinas se hierven y a continuacibn se
someten a etectroforesic en presencia del compuesto
desnaturalizante dodecilsulfato sbdico (SDS). Ea
molécula con carga negativa CH3-(CH2)ii-S012recubre a los pkptidos en la proporcibn aproximada de
un SDS por cada dos enlaces peptidicos. Esto
"sumerge*' la carga original de la proteina, volviendola fuertemente negativa. Así, las separaciones subsiguientes se basan de manera primaria en el tamaflo
molecular. El EGPA-SDS se usa de manera extensa
para determinar los pesos moleculares de péptidos por
comparación de sus movilidades con la de esthdares
de pesos moleculares conocidos.
Para la secuenciación se utiliza la
reacción de Edman
La secuenciación automatizada utiliza el reactivo de
Edman, fenilisotiocianato. La reaccion de secuencia
(figura 5-1 1) libera el aminohcido arnino-terminal
como un derivado de la feniltiohidantoina, el cual se
identifica mediante C LAR. E! prbximo arninoálcido por
secuenciar entonces se deriva y se elimina; luego se
repite el proceso. Una secuencia de 30 a 40, o, en
ocasiones, 60 a 80, residuos aminoácidos se determina
en una operación continua. Las reacciones de Edman
se llevan a cabo en una pelicula delgada sobre la pared
de una cámara de reaccibn giratoria o en una matriz
s61ida a la cual el carboxilo terminal del pdptido se ha
acoplado de manera covalente. La secuenciación en fase
gaseosa, una técnica en fase sblida, emplea reactivos
gaseosos y facilita la remoción de productos gaseosos.
Los metodos de secuenciacibn en fase sólida son
aplicables a cantidades muy pequefias de péptidos, en
algunos de hasta 1 pg.
Deben secuenciarse varios péptidos
sobrepuestos
Conocer la secuencia de todos los peptidos CNBr de
una proteina no proporciona, por si mismo, su estructura primaria completa ya que no se sabe el orden en
que estos péptidos se encuentran en la proteína. Para
deducir una estructura primaria inequívoca tambikn
deben prepararse y cecuenciarse péptidos adicionales
cuyas teminaies m i n o y carboxilo se sobrepongan
con los de los peptidos CNBr. Estos ptrptidos adicionales se producen por tecnicas (por ejemplo, digestion
con quimiotripsina) que dividen la proteina en otros
lugares distintos aresiduos Met. Luego, La deduccibn de
una estructura primaria inequivoca por comparación
de secuencias peptidicas se efectiia por un proceso
aniilogo al ensamblaje de un rompecabezas (figura
5-12).
Para localizar los puentes disulfuro, los péptidos
de protelna sin tratar y de proteina reducida u oxidada
46
0
Bioquímica de H q e r
(Capítulo 5j
Fenilisotrocianato(reactivode Edrnan)
Pomi6n
y un peptido
C-terminal
del peptido X
Porcibn
N-terminal
del pbptido Y
Figura 5-32. Uso del peptido Z sobrepuesto para deducir
que los pépttdos X y Y ectbn presentes en la proteina original
enelom'enX~Y,noYtX.
La secuenciación de péptidos
y de DNA son técnicas complementarias
metano
Una feniltiohidantolna y un peptido
mds corto en un residuo
Figura 5-71. Reaccidn de Edman. El fenilisotiocianato reacciona con el amino-terminal de un residuo de un peptido para
dar acido feniltiohidantotw El tratamiento con acido en un
solvente hidroxilim libera una feniltiohidantoína la cual es
identificada posteriormente mediante su movilidad crornatogrhfica y un phptido mas corto en un residuo. Entonces el
proceso se repite
se separan por cromatografía bidimensional o por
electroforesis y cromatografía (huellas dactilares). La
visualizacidn con ninhidrina revela los piptidos mhs
escasos en la digestión de protelna sin tratar y un
pkptido adicional en la digestibn de proteina tratada.
Con el conocimiento de la estructura primaria de estos
péptidos, es posible inferir las posiciones de los puentes disulfuro.
Aunque la simplicidad y velocidad de la técnica de
secuenciacibn del DNA (capítulo 42) ha revolucionado
la forma en que se determinan las estructuras peptidicas; la secuenciación de péptidos y DNA son tecnicas
complementarias más que mutuamente exclusivas,
cada una con ciertas ventajas.
En tanto que las estructuras primarias de las proteínas se pueden deducir mediante la secuenciación de
los genes que Eas codifican, la secuenciacibn directa
de las proteínas continúa siendo esencial para el
anhlisis de su estructura. La secuenciación del DNA
no puede mostrar la posición de los puentes disulfuro
o la presencia de otras muchas modificaciones postraslacionales. Los codones triples y tas moléculas
apropiadas de tRNA solo se encuentran disponibles
para Eos 20 arninoacidos más comunes. Por tanto, la
secuenciacjbn del DNA no puede revelar la presencia
de propilo, hidroxilisil o un hutsped metilado, isoprentilado, fosforitado, esterifjcado u otros residuos
aminoacilo postraslacionales modificados que efecttian
funciones esenciales en proteinas especificas. Así, la
técnica de Edman continuarii siendo fundamental para
demostrar la determinación esrruct~ralde pkptidos y
proteínas.
Aunque la secuenciacibn de péptidos no presenta
estas desventajas, muchos de ellos experimentan una
o más modificaciones postraslación por procesamiento
proteolítico. Por tanto, la secuenciacibn de DNA es
una ayuda valiosa para detectar prepéptidos y prepropkptidos Ilibiles importantes en la cathlisis
(capitulo 10) o en la sefializacibn de péptidos dirigidos
a organelos subcelulares específicos.
La espectometria de masas puede
utilizarse para secuenciar péptidos
El bombardeo rápido de fitomos (BRA) unido a la
espectrometria de masas (EM), en dos espectrómetros
de masa integrados. proporciona un camino alternativo para secuenciar péptidos con longitud de alrededor
de 25 residuos. El bombardeo rápido por átomos de
argon o xenbn, de los htomos de un péptido disuelto
en glicerol forma un ibn pkptido con carga positiva.
El primer espectt-ografo de masa limpia el ion gkptido
de iones contaminantes, y luego lo transfiere a una
celdilta en donde colisiona con atomos de helio. Debido
a la energía que absorbe, el ion pkptido se fragmenta a
partir de sus dos terminales con lo cual forma mliltiples iones de tamafío decreciente.Entoncw, en el segundo
espectrómetro de masa se determina la masa molecular de estos fragmentos del ion.
La comparacion de los iones de acuerdo con los
incrementos sucesivos de masa,permite la identificación
de todos los fragmentes aminoacilo y de la secuencia
del péptido completo. La tkcnica BRA dirigida por
computadora es muy rápida, no requiere pkptidos altamente purificados, identifica residuos modificados
por traslacibn y, a diferencia de la tdcnica de Edman,
puede cecuenciar péptidos cuyas terminales amino
están bloqueadas (por ejemplo, aciladas). En comparación con los secuenciadores avanzados de Edman, las
principales desventajas del BRA-EM son su alto costo
y menor sensibilidad.
LOS PÉPTIDOS PUEDEN
SINTETIZARSE MEDIANTE
TECNICAS AUTOMATIZADAS
Las péptidos que se obtienen mediante síntesis qulmica
sirven como fArmacos o aditivos alimentarios. La
capacidad para sintetizar conjuntos de peptidos similares, cuyas estnicturas primarias difieren sblo un
poco, permite profundim en el conocimiento de la
relacibn entre la estructura del péptido y la actividad
bioldgica.
La qufmica básica de la sintesis de los péptidos,
desarrollada a fines del decenio de 1800 por el químico
a l e m h Emil Fisisher, proporciona los elementos para
la activaci6n de los grupos carboxilo y para la adición
y eliminación de los grupos bloqueados, que evita
reacciones colaterales indeseables. Muchos aAos despues, las tkcnicas de sintesis de los pbptidos fueron
evolucionados por Bmce MerrifieEd (Premio Nobel
19841, quien desarrollb la síntesis en fase dlida. La
tdcnica automeica de síntesis de Merrifield que produce ptptidos largos sintkticos en periodos cortos,
inicib un renacimiento en la química de los péptidos.
Síntesis de peptidos en fase sólida
La figura 5-1 3-muestrala sintesic de un dipéptido A-B
representativo (en el cual A es la terminal m i n o y E
Figura 5-13, Representaubn sirnbblica de la sintesis de un
dipéptido genérico por la técnica de fase s6Fida iniciada por
MernReld Véase el texto para explicación de los simbolos.
la termina carboxito del residuo aminoacilo), rnediante la tkcnica en fase s6lida de Merrifield y resume
las reacciones que se requieren para sintetizar un
ptptido de cualquier tamaño deseado. Estos pasos son
como sigue:
1) Proteger las terminales amino del aminohcido A
(en blanco) y del arninoiicido B (en negro) con el
grupo t-butiloxicnrboniIo (t-BOC) (m):
famando t-BOC-A y t-BOC-B.
2) Activar el gmpo carboxilo de t-BOC-B con diciclohexilcarbodiimida (DCC) (b):
48
3) Hacer reaccionar al grupo carboxilo del aminoácido A (que se convertírh en el residuo carboxilo4)
5)
6)
7)
(Capítulo 5)
Bioquimica de Hurper
terminal del peptido) con una resina activada de
poliestireno insoluble @I
Eliminar al grupo protector de r-BOC-A con ácido
tnfluoroac&tico(TFA, F 3 C 4 0 0 N )a la temperatura
ambiente.
(Nota: En la prhctica, es posible omitir los
pasos 3 y 4 puesto que ya se dispone en el comercio
de resinas con cualquier aminoácido f-BOC conectado
por un enlace éster a una moltcula "enlazadora"
de fenilacetamidometilo, PAM, del inglks, p h e ~ lucetamidometkyí),adherida al pol iest ireno.
Condensar el grupo carboxilo activado de t-BOCR con el grupo amino libre del inmovilizado A.
Eliminar el grupo protector (d-BOC) con TFA
(véase paso 4).
Liberar el dipéptido A-13 de la particula de resina
por tratamiento a -2 "C con hcido hidroflubico
(HF) en diclorometano.
Los logros iniciales de la técnica de Merrifield fueron
la síntesis de las cadenas A y B de inculina y de la
enzima pancrektica ribonucleasa. Mejoras subsecuentes han reducido el tiempo para la sintesis y han
incrementado el rendimiento de manera significativa.
Esto ha abierto el campo para producir vacunas y
hormonas polipeptldicas y aun puede pensarse en
tratar errores congénitos del metabolismo seleccionados.
RESUMEN
Los pkptidos, formados por la pérdida de agua entre los
grupos carboxilo y amino de los aminohcidos, se
designan de acuerdo al numero de aminoicidos presentes. Sus estructuras primarias (orden de aminoácidos
listados desde la amino-terminal) determinan la actividad biológica y las conformaciones. Los péptidos
pequefios pueden contener enlaces diferentes a alfa-peptidilo y aminolcidos poco comunes. Como poiielectrblitos, los pkptidos se separan por crornatografia de
intercambio iónico y técnicas electrofor&ticas.
El carácter de doble ligadura parcial del enlace que
une al carbono del COOH y al N de un péptido, hace
que cuatro Iitomos del enlace peptidiw sean coplanares.
Esto limita el numero de conformaciones peptidicas
posibles. En solucibn. estas conformaciones son restringidas aún m8s por fuerzas no covalentes.
Despuks de la hidrblisis Acida es posible deteminar la composición de los péptidos purificados, pero
se requiere correccihn por perdida de ciertos aminolcidos. La determinacibn de la estructura primaria
emplea tkcnicas de Edman automatizadas, que pueden
realizar la secuenciacibn en cantidades tan pequefias
de hasta microgramos de phptido purificado. Primero
se oxidan o reducen los enlaces disuffuro. Las péptidos grandes se escinden en sitios raros con reactivos
como CNBry los pkptidos resultantes se purifican por
filtración en gel y CLAR. Luego pueden enlazarse por su
terminal carboxilo a un soporte sólido para facilitar la
secuenciacibn.Lar operaciones automáticas subsiguientes comprenden quimica de líquidos o reactivos y
productos gaseosos que facilitan la recuperación y purificacibn de la muestra. Por lo general pueden secuenciarse hasta 40 residuos mino-tem inales sucesivos. Para
definir el orden de ensamblaje de los ptptidos secuenciados en el polipéptido original. se determina la
secuencia de péptidos sobrepuestos generados por
diferentes ttcnicas de partición. De manera alterna,
los enlaces entre péptidos pueden inferirse de la
secuencia de DNA del gen apropiado. Por tanto, las
tkcnicas de secuenciacion de DNA y péptidos son
complementarias, no mutuamente excluyentes.
Ademis, las tkcnicas automáticas permiten la síntesis
inequívoca de pdptidos de estructura primaria conocida y actividad biol6gica completa..
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Trends Biol Sci 1989; 14:252.
Proteínas: estructura y función
Victor W Rodwell, PhD
dc vilaminas, oxígeno y bióxido de carbono, ademAs de
Las características comunes a todas las proteinas incluyen restricciones en su conformación por enlaces
covalentes y no covalentes. En este capítulo 5e analizan
las estructuras secundaria, terciaria y cuatemarfa de las
proteínas. con énfasis en las fuerzas que estabilizan
estos ordenes m& elevados de estructum y los metodos
físico5 empleados para examinarlos. Los principales
temas iiicluyeii hdlice alfa, hoja beta, giro beta y asa; el
modo en que estas estructuras características secundarias Sorman dominios y estructuras terciarias; así
como el ensamblado de polipiptidos en subunidades
de proteinas multiméricas. Además, se examinan las
vias propuestas para que las proteíiias se plieguen y el
papel de las chaperoninas {proteinas acornpafiantes)y de
otras proteinas accesorias que facilitan el rápido y
correcto plegamiento in vnJo Las ~amcterísticn~
y comentarios mencionados antes generalmente son validos
para todas aunque algunas proteinas especificas pueden
mostrar estructuras secundarias y terciarias peculiares
que Ies confieren propiedades para cumplir funciones
biologicas también especifica. Se ilustra la estrecha
vinciilacilin entre estructura y funci6n biolhgica de
estas rnolt5culas mediante dos proteinas fibrosas que
tienen funciones estructurales: la fibroina de la seda y
el colageno. Los capitulos subsecuentes amplian esta
estrecha reIaci6n al estudiar las proteinar globulares
mioglobina y hemoglobiiia así como las proteínas
catalíticas conocidas como eiizimas.
IMPORTANCIA BIOMEDICA
Los millares de proteínas presentes en el cuerpo humano realizan funciones demasiado numerosas para
enumerarlas. Entre ellas están: servir como portadores
llevar a cabo actividades estructurales, cineticas, cataliiicas y de señalización. Por tanto, no deben sorprender
las terribles consecuencias que pueden surgir de mutaciones en genes que codifican proteínas o en regiones
de DNA que controlan la expresibn genktica Asimismo,
pueden derivar consecuencias igualmente desastrosas
de la deficiencia de cofictores csenciales para la
maduración de una proteína. El sindrome de EhlersDanlos ilustra defectos geneticos en la rnaduraciOn
proteínica y el escorbuto la deficiencia de un coiactor
esencial para esta maduracion.
LAS PROTE~NASSE CLASIFICAN
EN NUMEROSAS FORMAS
Si bien no existe un sistema universal, las proteínas
pueden clasificarse con base en su solubilidad, forma,
función biolbgica o estructura tridimensional. Un
sistema de uso limitado en bioquimica clinica las
clasifica como "albiiminas", "globulinas". "historias",
etcétera, dependiendo de su solubilidad en soluciones
salinas acuosas. Tambikn pueden clasificarse bashndose en su fonna global. Así, las proteinas globulares
(por ejemplo, numerosas enzirnas) tienen cadenas
polipeptidicas enrolladas, plegadas cn forma compacta
y proporciones axiles (proporciones dc longitud a
anchura) menores de 10 y que iio exceden de 3 a 4 por
lo general. Las proteinas fibrosas tienen proporciones
axiles mayores de 10
Las proteinas pueden clasiticarse según sus
funciones bioIogicas en: cnzimar (deshidrogenasas, cinasas), proteinas de alrnacenainiento (ferritina, mioglobina), reguladoras (proteínas unidas a DNA, hormonas
peptídicas), estructurales (colligeno, proteoglucanos),
protectoras (factores de coagulación sanguínea, inrnu-
52
(Capitulo ti)
Bioquírnicu de Harper
noglobulinas), de transporte (hemoglobina, Iipoproteinas plasnihticas) y contráctiles o dotadas de motilidad
(actina. tubilina).
Sistemas especialiados de clasificacibn distinguen
ciertas proteinas complejas de interés médico elevado.
De este inodo, las lipoproteinas plasmhticas se denominan de "origen", lipoproteinas alfa,, alfaz o beta de
acuerdo con su movilidad elemforéticaap1-I 8.6;o como
quilomicrones, VLDI,, 1-DL, HDL o VHDL basándose
en sus propiedades de sedimentación en una ultracentri fugación (figura 6- 1 ). Las lipoproteínas puedcn
clasi ficarse tam bien por deteminacibn inmunol0gica
dc las apopruteinas presentes (A, B, C, D, E, F).
Asimismo. las semejanzas en la estructura tridimeiisional. reveladas principa2rnente por cristalografia
con rayos X. proporcionan una base potencialmente
valiosa para la clasificación de proteinas. Por ejemplo,
las proteinas qiie unen nuclcótidos comparten un
dominio fijador de nucleiitido de estructura terciaria.
ESTRUCTURA PRIMARIA
La estructura primaria de la cadena polipeptidica de
una proteína es el orden en el cual los aminoacidos se
unen e incluye la uhlcacidn de los enlaces bisulhro. La
estructura primaria se determina por métodos descritos para polipkptidos en el capítulo S.
El nbrnero de las secuencias conocidas de proteínas es tan grande y crece con tal rapidez que, en la
actualidad, en vez de disponer de formas impresas, los
datos de las secuencias se depositan en bases de datos
electrhnicac de secuencias de proteinas a las cuales se
puede tencr acceso a través de Internet. Las bases de
datos importantes continuamente actualizadas inc lu yen EM R L (Europeun Molecu~ur13ioloa Laboraiory Oaia I,ibrary), GenBank (Genefic Sequence
Dafabank), y PIK (Protein fdenllficdron Resource
S~quenceDufuhuse).
ESTRUCTURA SECUNDARIA
Configuración y conformación
El tkrtnino "configuracion" se refiere a las relaciones
gcométricas entre un conjunto dado de htomos, La
interconversión de alternativas diferentes de configuracibn (por ejemplo, !a conversión de 0- a L-alanina)
sulo se puede logmr rompiendo y restableciendo uniones
covalentes.
fl importante término similar "conformación "
se refiere a la arquitectura tridirnensional de una proteína. las relaciones espaciales de todos los itomos
entre sí. La interconversión de estructuras conformadas no implica la rotura de uniones covalentcs sino
la rotura y restablecimiento de fuerzas no covalentes
(puentes de hidrógeno, puentes salinos, interacciones
hidr~fobas)que estabilizan una conformaci6n dada
Incluso después de excluir las ~onfonnacionesque las
interacciones estcricas impiden, la rotación libre alrededor de las dos terceras partes de las uniones covalentes dc la cadena principal de un polipéptido (figura
5-81 permite clasificar por etapas un gran númcro de
conformaciones posibles para una proteína d e t e n i nada. Sin embargo, para una cierta proteina s61o un
pequefío número de posibles conformaciones tienen
significacibn biolbgica.
Diferentes fuenas que estabilizan
las estructuras proteínicas
Tama Ao
Más graride
Figura 6-1. Magnitud y densidad de distribucibn de las
lipoproteínas (CHYLO. quilomicrones; VLDL, lrpoproteinas
de muy baja densidad, LDL. Iipoproteinas de baja densidad,
HDL, lipoproteínas de alta densidad; Lp [a], Iipoproteina [a])
(Reproducida con autorizacibn de Segrest JP y colaboradores The amphipathic alfa-helix A rnultrfundionalstructural
motrf in plasma Itpoproteins Adv Protein Chem 1995;45 303)
Varías interacciones no covalentcs que individualmente
son dgbiles, pero formidables en número. estabilizan
la conformacion de una proteina. Estas fuenas incluyen
puentes de hidrhgeno, interacciones hidrófobas, interacciones electrostáticas y f u e r m ~de van der Waals.
Puentes de hidrógeno
En la superficie de las proteinas globulares por lo
general se encuentran residuos con grupos R polares,
Proteinus: esfrucfuray función
los cuales forman puentes de hidrógeno principalmente
con moléculas de agua. Por otra parte, los residuos
aminoacilo del esqueleto carbhnico forman puentes
de hidrogeno entre si.
Interacciones hidrófobas
Las interacciones hidrófobas implican a los grupos R no
polares de los residuos arninoacilo que en las proteínas
globulares típicas residen en el interior de Ea proteína. La
formación de interacciones hidrhfobas es "conducida
por la entropia". Una forma esférica regular reduce al
mínimo el área de supedcie. [,a concentracibnde residuos
no polares en el interior de la proteína disminuye cI
número de residuos superficiales e incrementa al m b u n o
la oportunidad para que la pelicula superficial de
moldculas de agua formen puentes dc hidrhgeno entre
si, uii proceso relacionado con un incremeiito de la
entropia. Por cI contrario, el ambiente no polar dc las
membranas biológicas favorece a los residuos hidrófobos
de la superficie. cuyos grupos R no polares participan
en interacciones hidrlirobas con las cadenas laterales
alquil de los ésteres acilgrasos de las bicapas de la
membrana.
Interaccionec electrostáticas
Las interacciones eiectrosthticac o puentes salinos se
forman entre grupos con carga opuesta, como los gmpos
terminales amino y carboxilo de los péptidos y los
grupos R cagados de los residuos aminoacilos. Aunque
todos los gmpos con carga forma1 tienden a localizarse
sobre la supesficie las proteínas globulares, hay excepciones, pues existen grupos polares específicos ejecut a n t e ~de funciones biológicas indispensables, los
cuales es posible que residan en hendiduras quc penetran hasta el interior de la proteína. 13uesto que los
residuos polares también pueden participar en interacciones ihnicas, la presencia de sales como KCI puede
disminuir de manera significativa las interacciones
iónicas entre los residuos de la superfície.
Interacciones de las fuerzas
de van der Waals
Las fuerzas de van der Waals, que son sumamente
dkbiles y sblo actúan a distancias extremadamente
cortas, incluyen componentes de airaccihn y de repulsión. Las fuerzas de atraccibn implican interacción
enve dipolos inducidos formados por las occilaciones
instanthneas en la distribucion de electrones en los
htomos cercanos. Las fuerzas repulsivas entran en
juego cuando dos Atomos se aproximan tanto que sus
orbitales electrónicoc se superponen. La distancia a la
cual la fuerza de atracciciii es rnAxima y la fuerza de
53
repulsión es mínima se denomina distancia de contacto van der Waals. Los átomos tienen un radio van
der Waals característico y la distancia de contacto
óptima entre dos es la suma de sus radios van der
Waals.
Uniones peptídicas que restringen
las posibles conformaciones
secundarias
La rotacidn solo es posible alrededor de 2 de las 3
uniones covalentes que forman el esqueleto polipeptidico de las proteínas. El carhcter de doble unión parcial
de la ligadura que unc el grupo carbonilo al nitrógeno
alfa de la uniiin peptidíca restringe de manera significativa las confomaciones posibles de los átomos que
la constituyen, la cual debe ser coplanar (figura 5-8).
La rotación sólo puede darse alrededor de las unioncs
entre eE carbón alfa (Cm)
al carbbn carbonilo (C,) y al
se
nitrogeno. El ángulo alrededor de la unión C,-N
denomina ángulo fi (m) y el que se encuentra alrededor
de la unión C,-C,
es el ingulo psi (Y). No e s t h
permitidas las combinaciones de los IinguEos fi-psf qiie
produ7can impedimento estérico entre los Atomos no
s y
unidos. Cuando se especifican todos los ~ g u l o fi
psi, se conoce la conforrnaci6n de la totalidad de Atomos
de la cadena principal o esqueleto de u n polipéptido.
Por tanto, el anhlisis de los datos crista1ogr;ificos empieza
con la deteminacilin de los principales ángulos fi y
psi de la cadena.
G.N. Ramachandran fue el primero en emplear
una grhfica de los Angulos fi contra los ángulos psi
para ilustrar tanto los valores permitidos como los
numerosos, no permitidos (figura 61-21.Las combinaciones estéricamente permitidas caracterizan a la
Ii&licealfa y a la hoja plegada beta y a la helice triple
de colágeno w a l i ~ a d amás adelante.
Las conformaciones regulares
e irregulares caracterizan
a la estructura secundaria
La conformacibn de los esqueletos polipeptidicos de las
proteínas constituye su estructura secundaria. Al principio, la existencia de una estructura secundaria se
propuso con bases exclusivamente teoricas, pero despuks los analisis cristalográficos de rayos X las confirmaron ampliamente. Los tipos de estructura
secundaria esthn limitados por el carlicter de doble
uni6n parcial de la unibn peptídica (figuras 5-7 y 5-8)
y por el tarnaiio y la forma de los grupos R arninoácidos. Las estructuras secundarias incluyen, ademas de
Ias unidades hélices alfa regulares repetitivas, las hojas beta y las incurvaciones beta con formaciones
irregulares denominadas asas o bobinas.
Waals que pueden formar y estabilizar un tipo determinado de hdice.
Las helices alfa tienen ángulos favorables fi y psi
y un patrbn de uniones de hidriigeno que les conficre
la máxima estabilidad. Las hklices alfa de proteínas
contienen, en todas partes, de 4 a 50 residuos (en
promedio cerca de 12 residuos). Los parametros relevantes de una helice-alfa (figura 6-3) son n = 3.6 residuos por
vuelta y p = 0.54 nm (5.4 A). La distancia a 10 largo
del eje de la hélice que separa htornos equivalentes en
las cadenas principales, de los residuos adyacentes es
de O. 15 nrn (1.5 A). Los grupos Rarninoacil se dirigen
hacia afuera del eje de la hClice (figuras 6 4 y 6-51,
lo cual reduce al mínimo la interferencia esterica.
Las uniones de hidrógeno y las f u e n a s
de van der Waals estabilizan
las hélices alfa
Q
Figura 6-2. GrBfica de Ramachandrande 10s ángulac fi y pci
de la cadena principal para 1000recidvos no giicina aproximadamente, en ocho proteinas cuyas estructuras fueron
resueltas a resolución alta. Los puntos representan las mmbinaciones pemitidas y los espacios las combinaciones prohibidas de Bngulos fi-psi (Reproducida con autorización de
Richardson JS. The anatomy and taxonomy of protein structures Adv Protein Chem 1981,34 167.)
Puesto que la hélice alfa es la confomacibn de menor
Y más estable para una cadena de P ~ ~ ~
se forma de manera espontánea. La estabilidad de las
La hélice alfa
Cuando se gira el esqueleto de iin polipeptido por una
magnitud igual alrededor de cada carbón alfa, se forma
una bobina o hélice. Los diferentes tipoc de hélices
formados cuando los giroc tienen dirección y extensibn diferentes se describen según el número (n) de
residuos aminohcidos por vuelta y el paso Ip) o distancia por vuelta que la hélice se eleva alrededor de su
eje. Las hélices polipeptidicas están formadas por
aminoácidos quiraIes (estrwcturas que no pueden superponer su imagen en espejo, como las manos) y por
tanto muestran quiralismo -o sea, son hélices con giros
hacia Ea derecha o hacia la izquierda. Para visualizar
una hElice derecha, se debe mantener la mano derecha
con la palma hacia arriba, los dedos ligeramente curvados y el pulgar apuntando alejándose de uno mismo.
El pulgar sefiala en la dirección del carboxilo terminal
del polipeptido de hélice derecha, el cual avanza en la
dirección de los dedos curvados. Aunque los polipéptidos sinteticos de D-aminoácidos pueden furmar
hélices izquierdas, la interferencia estérica de los grupos R de los residuos L-arninoacilos determina que las
hélices izquierdas no pueden tener lugar en las proteinas. Idos tipos de hilices polipeptidicas presentes en
las proteinas, además están limitadas por factores
cstéricos adicionales y por el numero de posibles
puentes de hidrógeno e interacciones de van der
------ - -
I
0 54-nm paso
(3 6 residuos)
1
- --
1
- -0 -1 5-n m- -
t
Figura 6-3. Orientacibn de átomos de la cadena principal de
u n peptido alrededor del eje de una h8lice alfa
P
Figura 6 6 . Vista superior del eje de una hélice alfa Las
cadenas laterales (R) están en el exterior de la hélice Los
radios de van der Waals de los Atomos son mas grandes que
los mostrados aqui; por tanto. casi no hay espacio libre en el
interior de la hélice (Ligeramente modificada y reproducida
con autorizacion de Stryer L Biochernistry, 2a ed Freeman,
1981. Copyright 1995 por W H Freeman y Cia.)
mente encaja en la primera vuelta de una hélice alfa En
otro puiito produce una incurvación. Sin embargo, n o
todas las incurvaciones en las hélices alfa son
causadas por residuos prolilo. Las curvaturas también
tienen lugar con frecuencia eii los residuos GIi.
Figura 6-4. Puentes de hidrógeno (puntos) formados entre
Alomos de H y O estabilizan un polipeptido en una conformación alfa helicoidal (Reimpreso con autorización de Haggrs
GH y colaboradores Introducfronto Molecular Brology Wiley,
1964 )
hélices alfa se debe principalmente a la formación del
máximo número posible de puentes de hidrúgeno. Los
nitrógenos peptidicos actúan como donadores de hidrhgcno, y el oxigeno del carbonilo del cuarto residiio
en linea posterior cn un sentido estructural primario
actúa corno aceptador de hidrógeno (figura 6-4). Estos
puentes de hidrógeno tienen una distancia N-a-O practicamente óptima dc 20 nm (2.8 A). Las interacciones
van der Waals tambitn confieren mayor estabilidad,
pues los átomos firmemente empaquetados en el
núcleo de una hélice alfa están en contacto van der
Waals con otros a través del eje de la helice alfa.
La prolina puede doblar una hélice alfa
En las hélices alfa son residuosmas comunes Ala, Glu,
Leu y Met que Gli, Pro, Ser, o Tir. Sin embargo, esta
tendencia no es util para proncisticos cstructuraIes.
Puesto que el nitrbieno pcptidico de un residuo proilo, no
puede I'orrnar un pucn te tle tiidrógeno, la psoliaa sola-
Las hélices alfa pueden ser anfipáticas
Aunque por lo común, las hClices alfa se encuentran
en la superficie dc las proteinas, también pueden estar
total o parcialmente integradas en el interior de una
proteína La hélicc antipática, un caso especial en el
cual los residuos alternan entre hidroSbbicos e hidrofilicos casi cada 3 o 4 residuos (figura 6 4 ) , tienc lugar
donde las helices alfa forman interfase con un ambientc al mismo tiempo polar y no polar. Aiiinisrno, las
hélices anfipáticas sc presentan en las lipoproteinas plasrnaticas y en ciertas hormonas polipí.ptjdas, venenos,
antibihticos, glucoproteinas del virus de la inrnunodeficiencia humana y en proteínas cinasa reguladas por
calmodulina.
Los aminoácidos de diferentes
regiones forman hojas beta
La segunda conforn~aciónregular, presente en la
mayor parte de las proteinas, es la hoja plegada-beta.
Se le llama beta porque fue la segunda estructura
regular descrita. Por su parte, el término "110,ja plegada" describe su aspecto cuando se le obscrva con el
borde hacia arriba. Los carbones alfa y sus grupos R
relacionados alternati entre un plano ligeramente arriba
56
Bioquimica de Hurper
Figura 6-6, Representaciónespiral de aminoAcrdos en una
hélrce alfa anfipLtica. Las hkiicec de las apolipoproteínas
plasrn$ticas son anfrpSticas: es decir, una cara es polar y la
otra no polar. Los residuos están gratificados con 100" de
separación (360°13.6 residuos = 100" por residuo) mirando
hacia abajo del eje de la hblice Los círculos negros representan residuos no polares y los circulos blancos, residuos
polares.
y otro ligeramente abajo de la cadena principal del
polipeptido (figura 6-71, Como las hklices alfa, las
hojas beta tienen aningulos fi y psi repetitivos, estabilizados con el máximo número posible de uniones de
hidrogeno. Los polipéptidos se alinean a lo largo, uno
d e t r h de otro, y estan estabilizados por puentes de
hidrógeno que se forman entre los hidrbgenos de los
pbptidos nitrogenados y los de los carbonilos oxigenados de tiras adyacentes. Sin embargo, aunque las
hklíces alfa contienen residuos adyacentes en un sentido estructural primario, las hojas beta implican t~amos
de 5 a 10 arninoacidos de diferentes regiones estructurales primarias. A diferencia de las helices alfa
compactas, el esqueleto peptidico de una hoja beta
esti casi por completo extendido.
Las hojas beta plegadas pueden ser
paralelas o antiparalelas
La figura 6-7 ilustra tiras antiparalelas de laminas beta
plegadas. Las cadenas adyacentes de polipkptidos de
una lámina antiparalela proceden en direcciones
opuestas; aquellas de láminas paralelas, en Ea misma
direcciiin. Todos los posibles puentes de hidrbgeno se
forman excepto para las tiras de los flancos (figura
6-81. Para estabilizar las hojas antiparalelas se en-
(Capítulo 6)
Figura 6-7. Modelo de una hoja plegada beta antiparalela.
Tiras adyacentes corren en direccionesopuestas (veanse las
flechas) Los grupos R se localizan arriba y abajo del plano
de la hoja. Nbtese que los carbonos alfa sucesivos se localizan justo arriba y abajo de este plano, dando un efecto
plegado. Los puentes de hidrogeno agrupados por pares
estabilizan la conformación de hoja beta En hojas plegadas
paralelas (no mostradas), las cadenas adyacentes corren en
la misma dirección.
cuentran ubicadas de manera estrecha y amplia, pares
alternos de puentes de hidrdgeno. Los puentes de
hidrogeno que estabilizan cordones paralelos están
regularmente espaciados pero angulados transversalmente a travks de las tiras. Casi todo los cordones de
láminas beta están girados en el sentido de la mano
derecha. Estos cordones girados de I h i n a s beta forman el núcleo central de muchas proteinas globulares.
Una lámina beta puede estar conformada pw 2 a 15 cordones y son comunes las regiones donde hay laminas
mixtas paralelas y antiparalelas. Qui7.á por SU estabilidad algo menor, las lhminas beta paralelas de cinco
cordones son un poco más raras.
Las regiones en asa forman sitios
de unión de antígenos
Más o menos la mitad de los residuos en una proteína
globular típica se presentan en forma de h6Iices alfa
o hojas beta. El recto reside en conformaciones "asa" o
"bobina" que, aunque ordenadas de manera irregular
no tienen menor importancia biolligica que las esiructuras secundarias regularmente ordenadas. Las asas o
bobinas no se deben confundir con "bobinas al m",un
término que describe las conformaciones desordenadas y con menos importanciabiológica de las proteinas
desnaturalizadas. Regiones en asa de tamaiio y forma
variables constituyen una de las principales carac-
Estas vueltas invertidas o incuracioncs beta, afectan
cuatro residuos unidos por puentes de hidrbgeno era
varias formas y se presentan de manera primaria en la
superficie de las proteínas.
Las proteinas pueden contener
regiones desordenadas
Nonecesariamente todos los residuos se presentan como
estructuras con ordenamiento secundario. Hay regiones especificas en muchas proteinas que tienen abundantes confomaciones en solucion, por lo que se presentan
en verdad desordenadas Los ejemplos incluyen los
grupos U largos de los residuos Lis y porciones de
los amino o carboxilo terminales de muchos polipéptidos. Este desorden significa flexibilidad y puede
decempefíar un papel biológico vital. Por otra parte,
muchas regiones desordenadas pueden llegar a ser
ordenadas cuando se les une un ligando especifico. Un
caso común es la estabilizacibn de las regiones desordenadas de los centros cataliticos de muchas enzimtls
cuando se unen a un ligando.
Figura 6 4 . Distancia y ángulos de unibn de los puentes de
hidrógeno entre hojas beta plegadas paralelas y antiparalelas Las flechas indican la dirección de cada tira. Los
Atomos de nitrágeno alfa donadores de hidrógeno se muestran con eirculos azules. Para mayor claridad en la presentacidn, se omitieron los grupos R y los hidrógenos alfa.
Arriba: Hojas beta antiparalelas. Los pares de puentes de
hidrógeno alternan entre pares muy próximos y pares muy
separados y esthn orientados en dirección perpendicular
aproximada al esqueleto polipeptldico. Abajo: Hoja beta
paralela Los puentes de hidrbgano están regularmente
espaciados, pero oblicuos en direcciones alternas.
teristicas de superficie de las proteinas. Cuando se
exponen a solventes, ricos en residuos cargados y
polares, pero que carecen de estructura regular secundaria, las asas en gancho u horquilla se conectan con
las hojas beta adyacentes antiparalelas. Con Erecuencia, el sitio para interacciones ligando, regiones de asa
de estructura primaria y longitud variables forman los
sitios de unibn de antigenos en los anticuerpos.
Las proteinas globulares contienen
giros beta
El cwActer compacto de las proteinas globulares se
debe a mAs o menos 20 tramos rectos de residuos
unidos por regiones de polisacáridos que bruscamente
cambian de direccibn. Las tiras de hojas beta están
conectadas por regiones de poliptptidos que, si son lo
bastante largos, con frecuencia contienen hélices alfa.
ESTRUCTURA TERCIARIA
Los diagramas esquemáticos
simplifican la esttuctura de las proteínas
El alto contenido de informacibn de los diagramas o
modelos en donde se incluyen todos los atomos de una
proteína, dificulta el estudio de las características totales de la estructura proteinica. En consecuencia,
empleamos representaciones simplificadas de manera
convencional para exhibir las caracteristicas estructurales. Los símbolos qtie se emplean son cilindros para
hélices alfa, flechas anchas para tiras beta y cordones
semejantes a listones para las demas estructuras como
asas y hojas beta.
Las estructuras secundarias pueden
formar tipos supersecundarios
En muchas proteínas globulares, las formas estmcturales secundarias de una hClice alfa o de una hoja beta
plegada forman tipos reconocibles "supercecundanas". La figura 6-9 ejemplifica varios tipos supersecundarias: beta-alfa-beta, dos tiras de hoja beta
conectados por una hdlice alfa; la horquilla o gancho
beta, compuesta de hojas antiparalelas beta conectadas por una region corta de asa; y el motivo o figura
"llave griega", asi denominada porque recuerda un
motivo decorativo de un vaso griego antiguo. Las
repeticiones de estas figuras supersecundarias pueden
58
(Capitulo 6)
Uinqzdímica de Hut-per
maneras en las cuales las proteínas plegadas pueden
reunir aminoácidos separados en un sentido estriictural primario y los enlaces que estabilizan estas confbrmacicincs.
Los polipeptidos grandes tienen
dominios distintos
Figura 6-9. Figuras supersecundarias Las hélices alfa y
hojas plegadas beta de numerosas proteínas globulares
estan ordenadas en untdades repetidas como las figuras
supersecundarias d e clave griega (izquierda) o ~eta-alfabeta (derecha)
entonces formar estructuras como las unidades regularmente repetitivas beta-alfa-beta de toda una proteína (figura 6-1 0).
El teririino "estructura terciaria" se refiere a las
relaciones espaciales entre los elementos estructurales
secundarios, [,as estructuras secundarias y s u p e r w
cundarias de una proteina grande casi siempre están
organizadas coma dominios -unidades compactas
conectadas por el esqueleto polipeptidico. Por lo gcneral, el plegamiento de un polipéptido dentro de un
dominio se prodiice dc mancra indcpcndienic del plcgamierito en otrni domiiiicis. Idas cstructiiras terciarias
describen las relaciones entre estos dominios, las
La estructiira seciindaria-terciaria, en particular de lor
polipeptidos grandes, se puede organizar en unidadcs
relativamente independientes. pero estmcturaimente
conectadas llamadas dominios, Ios cuales con frecuencia ejecutan funciones discretas tales como la unibn
con ligandos específicos. Por su parte, los lipandos
pucdcn cntrar en contacto con residuos formados de
modo exclusivo por un solo dominio. Alternativamente.
un ligando puede establecer contacto con residuos de
más de un dominio y así residir rn la interfase entre
los dominios. Por otro Eado, en las proteina~multimericas, los residuos de los dominios de diferente?
subunidades pueden enlazarse con ligandos como las
coenzimas en las interfases con subunidades cuyas
superficies de contacto se derivan de residuos proccdentes de suburiidades diferentes.
Los enlaces electrostáticos unen
los residuos de superficie
Los enlaces salinos (electrosthticos) unen grupos R
con carga opuesta de residuos y grupos al fa con carga
de residuos terminales C y N. Por ejemplo, el grupa
R de Lis (a pH fisiolhgico, carga neta + 1 ) y de aspartato o glutamato (carga neta -1 ), puede interactuar por
fuerzas electrostáticas para estabilizar proteínas.
Las uniones de disulfuro
confieren estabilidad adicional
Además de los enlaces pcptidicoc, se pueden formar
~ i n i i ~ n c(IisuIfu
h
ni covalentes entre residuos de cfsteína
presentes en el mismo o cn un polipéptido diferente.
Estas uniones disulfuro confieren estabilidad adicional
a la conformación especifica de proteínas tales como
enzirnas (como la ribonucleasa) y proteínas estmcturales (ES el caso de la queratina).
lnteaacciones hidrofobas
enlazan residuos interiores
Las cadenas laterales no polares de los aminoicidos
Figura 6-1 0. Estructura terciaria. Triosa fosfato isornerasa,
mostrada en una vista de frente, está constituida por cuatro
beta-alfa-beta consecutivasen los dos sentidos estruciurales
primario y terciario (Cortesia de 3 Richardson )
confluyen en el interior de las protelnas globulares.
Estas uniones son individualmente muy debiles y no
son estequiom&tricas. Su gran numero, sin embargo,
determina su importancia para mantener la estructura de
la proteina.
Proteínas: esfructura yfunción
La cristalografía con rayos X muestra
la estructura secundaria y terciaria
Los rayos X dirigidos a un cristal de proteína y de un derivado que contiene un metal pesado agregado, son
dispersados en patrones que dependen de Ias densidades
electrbnicac en diferentes partes de la proteína. Idos
datos, obtenidos de placas rotográficas o detectores de
área unidos a computadoras, se analizan por mitodos
matemhticoc, se traducen a mapas de densidad electrónica y se emplean para construir modelos tridimensionalcs generados por computación. Aunque consume
tiempo, es costosa y requiere personal adiestrado, la
cristalografía con rayos X ha revelado vistas tridimensionaIes detalladas de mhs dc 1000 proteinas. Sus
contribucio~iesa la comprensión de la estructura proteínica apenas pueden sobreenfatizarse. Las imágenes
por resonancia magnética ORM), se han usado para
resolver la estructura tridimensional de ciertas proteínas pequcfías y parece que es prometedora para
aplicarse a proteinas de mayor tamaño.
Las bases de datos y los programas
de computación perfeccionados
facilitan el estudio y la manipulación
de la estructura de las proteínas
Un resumen coordinado de todor los Atomas de las
proteínas cuyas estructuras se han determinado mediante cristalografia con rayos X es accesible a travCs
de Intemet procedente de bases de datos eIectr0nicas.
Estas coordinaciones pueden cargarse y enlazarse con
programas de compuración perfeccionados -muchos
del dominio públicc- que permiten generar y manipular
modelos sobre la pantalla, girarlos en todas dirccciones, añadir o sustraer radicales, dominios o ligandos,
cambiar ángulos de unión, etcétera en muchos casos
utilizando simplemente una computadora personal
Pentium.
ESTRUCTURA CUATERNARIA
59
Las proteinas compuestas de 2 o 4 siibunidades sc
denominan proteínas bimiricas o tetramtricas, respectivamente. Las hornodimeras, hornotetrámeras,
etcétera, consisten en subunidades identicas; mientras
que las IieterooligomCricas, de subunidades distintac. Las
subunidades diferentes de proteinas heterooligoméricas ejecutan de manera tipica funciones discretas. Una
subunidad o un conjunto de subunidades idénticas, puede
efectuar una funcion catalítica; en tanto que otro conjunto de subunidades, se encargaria del reconocimiento
de ligando0 tendría un papel regulador. Las diferentes
orientaciones en el espacio de las subunidades les
confiere propiedades diferentes en relación con el
oligómero y permite a las proteínas multimkricas
desempefiar papeles peculiares en la regulación intracelular.
Los desnaturalizantes de proteínas
destruyen su estructura secundaria,
terciaria y cuaternaria
Los reactivos como la urca, el dodecilsulfato de sodio
(SDS), los bcidos ddbiles (H') y las bases débiles
(OH-), rompen los puentes de hidrógeno, enlaces
hidrbfobos y electrostáticos {peso no los enlaces peptidicos ni los puentes disulfuro). Por tanto, destruyen
todos los 6rdenes de las proteinas, excepto su estruchrra
primaria, y anulan su actividad biológica (figura 6-1 1)
Los métodos físicos determinan el peco
molecular y la estructura cuatemaria
La determinacion de la estructura cuaternaria de las
proteínas oligoméricas comprende la identificación
del número y clase de protómeros presentes, su orientación mutua y las interacciones que los unen. Si se
prueba que los oligómeros no experimenten desnaturalizacion durante el procedimiento usado para determinar el peso molecular (PM), numerosos métodos
pueden dar información de esta propiedad. Estas mismas técnicas pueden utilizarse para determinar el PM
de los protómeros si primero se desnaturaliza el
oligómero.
Las proteínas oligoméricas tienen
cadenas polipeptidicas múltiples
Se dice que las protehas que contienen dos o mas cadenas de polipbptidos unidos por fuerzas no covalentes
muestran una estructura cuaternaria. En estas proteinas multiméricas, las cadenas polipeptidicas individuales se llaman protómeros o subunidades. Los
puentes de hidrbgeno y las uniones electrostaticas formadas entre los residuos de superficie en unidades
adyacentes estabilizan la unibn de las subunidades.
Enzima activa (nativa)
u
Enzima inactiva (desnaturalizada)
Figura 6-1 l.Representaeibn de la desnaturalizacibn de un
iprotbmero.
A. Ultracentri fugaclon analítica
Este procedimicnto. desarrollado por Svederg. mide
Ea velocidad a la cual una proteina se scdimenta en un
campo gravitacional de alrededor de 10' x R. Esta
tkcnica física, excelente para la determinación de pesos
moleculares. ha sido reemplazada en años recientes
por métodos menos complejos.
B. Centrifugación en gradiente
de densidad de sacarosa
Esta tecnica, análoga a la anterior, se aplica mejor a
proteinas globulares. Las proteinas esthndares y las
desconocidas se estratifican en un gradiente de sacarosa amortiguada de 5 a 20%, preparada por
congeIación-descongelaci6n repetida de sacarosa a
20 por ciento. Después de centrifugar toda la noche
a 10' x g, el contenido del tubo se retira en fracciones
y se analiza la proteína contenida en cada fracción. La
movilidad de la proteina desconocida se expresa en
relación con la de estandares de PM conocido, luego
se computa y se calcula su PM
C. Filtración en gel
Coliimnas de Sephadex o matrices semejantes, que
tienen "poros" de tamaño promedio definido, se calibran usando proteinas de PM conocido. Luego, el PM
de una proteina desconocida se calcula de su posicibn
en la elucidn, relativa a estos estándares. Puede haber
errores importantes si la proteina es muy asimétrica o
interactúa fuertemente con el material del que se ha
manufacturado el filtro molecuIar.
D. Electroforesis en gel de poliacrilamida
(EGPA)
Proteínas desconocidas y esihndar se separan por electroforesis en gelcs de acrilamida con 5 a 15% de
enlaces cruzados de diversa porosidad, que luego se
tifien para la visualizacibn de la proteína usando colorante azul de Coomassie o Ag'. Para utilizar la tkcnica
de EGPA-SDS, las proteinas oligomtricas se desnaturalizan primero hirviéndolas en presencia de betamercaptoetanol y el detergente ionico con carganegativa
dodecilsulfato sbdico (SDS). Las proteinas desnaturalizadas, que quedan recubiertas con SDS en su totalidad y por tanto con carga negativa, se separan con
base en su tamafio (no en su carga) por EGPA-SDS en
geles que contienen SDS,
E. El microscopio electrónico visualiza
complejos macromoleculares
El microscopio electrbnico, que puede amplificar
hasta 100 000 diiimetros, permite observar particulas
virales, complejos~enzim~ticos,
protelnas oligoméricns y oligbmeros de PM elevado.
CÓMOSE PLIEGAN LAS PROTE~NAS
¿Cómo puede un polipkptido plegarse en sus estados
fisiolbgicos nativos en una fraccibn de segundo? Todavía no hay respuestas definitivas disponibles por lo
que esta pregunta sigue siendo objeto de investigacihn
activa. Sin embargo, pueden observarse algunos principios generales. El pIegamiento no puede proceder a
traves de un enfoque "de búsqueda al azar"',es decir,
que implique la exploracibn de todas las conformaciones posibles en la ruta hacia su estado nativo. Aun para
polipéptidos comparativamente pequeños, jel plegamiento a travts de una via de búsqueda al azar
requeriría no segundos sino un periodo mayor que el
estimado para la edad del universo! Es claro que el plegamiento debe ser un proceso más altamente dirigido
que implica vias intermedias muy conocidas entre el
estado presentc y el estado fisiolbgico normal.
Principios generales
Con base en el conocimiento actual, el plegamiento
de los polipéptidos y de las proteínas multimGricas
parece invoIucrar las siguientes etapas. Primero se
forman tramos cortos de estnictura secundaria -re,-oiones
de hCIices alfa, hojas beta, giros beta, etcétera. La difusión
dirigida hace crecer estos tramos cortos y conduce en
últiino termino a un dominio. En las proteinas de
múltiples dominios, los dominios plegados se reunen
para formar el denominado "glbbulo fundido" que
tiene una estnictura secundaria extensa pero muy poca
estructura terciaria ordenada. Los cambios de conformación exitosos convierten el gl6bulo fundido en una
forma compacta con una estructura terciariaordenada.
Por su parte los cambios menores de la conformación
entonces, conducen a una estructura polipéptida original. Para las proteinas monomeras, el proceso de
plegamiento ya en este momento es completo, mientms
que, para proteínas con estructura cuaternaria, estos
polipéptidos ordenados sirven como subunidades que
se reúnen para formar multimeros.
Las proteínas desnaturalizadas pueden
volver a naturalizarse
Muchas proteinas desnaturalizadas se vuelven a plegar esponthneamente in v~trocon el restablecimiento
subsecuente de su actividad biológica. Esto condujo a
Anfinsen a concluir que la estructura primaria de los
poliptptidos era en si misma suficiente para dirigir y
orientar los plegarnientos de las protehas. Sin embargo, el repliegue espontán~otoma horas, lo cual es
mucho más de lo necesario para explicar el plegamiento de las proreinas in vitro. La conclusilin de
Anfisen de que Pa estructura primaria dirige el ple-
Proreinas: estructura y función
gamiento in vrvo todavía es vhlida, pero requiere
modificaciones para incorporar la participacidn de las
proteínas accesorias, las cuales aceleran el proceso de
plegamiento y lo guían a lo largo de vías específicas.
Estas proteinas incluyen las disulfuro isomerasa,
proli-cis-frans-isomerasay las chaperoninas.
Proteina dicu lfuro isomerasa
[,as uniones disulfuro (-S-S-,
o cistina) se fonrian
bajo condiciones de oxidacidn dentro y entre los
polipkptidos y estabilizan tanto la estructura secundaria como la terciaria. Un residuo cisteinil dado
puede, sin embargo, formar muchos pares de enlaces,
disulfuro diferentes, los cuales sólo uno es apropiado
para el plegamiento biológico correcto. La proteina
enzimática disulfuro isomerasa facilita el "barajeo"
de las uniones -S-Sporque acelera el Indice al
cual los disulfuros sufren intercambio neto y, por
tanto, aumenta la velocidad de todo el proceso de
plegamiento.
61
cual se pueden acomodar polip&ptidosgrandes. Las chaperoninas favorecen la? vías que inhiben las interacciones inapropiadas entre superficies complementarias y
facilitan las apropiadas. Sin embargo, todavia no se
comprende bien el mecanismo mediante el cual las
chaperoninas logran esto.
Las chaperonhas incluyen las proteínas Hsp60
de choque tkrmino elaborada por las bacterias o los
cloroplastos en respuesta a una elevación termica, la cual
revierte la desnaturalizacidn y agregacibn de las proteínas que se produce a temperaturas elevadas. Las 14
subunidades idénticas de las proteínas HsplO y
Hsp60, GroES y GroEL de E. coli y Cpn 10 y Cpn60
de ¡os cloroplastos-forman parejas de anillos de siete
subunidades que rodean una espaciosa cavidad central
en la cual se pueden acomodar polipéptidos grandes.
Este ambiente protector contrarresta la tendencia de
las regiones hidrrifobas expuestas a solventes de los
polipCptidos parcialmente pegados o desnaturalizados
a autorseunirse y formar agregados insolubles.
Prolil cís-trans isomerasa
LA FORMA DETERMINA LA FUNCIÓN
La configuraci6n de las uniones pdptido X-pro de los
poIipéptidos recibn sintentizados es trans, pero mQs
de 10% de las uniones X-pro de las proteinas maduras
tienen coiifiguración cts. La enzima isomerasa prolil
cis-fruns caializa esta isomerizacihn y, por tanto, facilita el proceso de plegamiento (figura 6-12).
El examen minucioso de proteínas representativas
ilustra no sblo las estructuras únicas que han evolucionado para cumplir con funciones biologicas
especificas sino también el estrecho nexo entre estructura proteinica y funcion biológica. La mayoría de las
proteinas fibrosas desempefían funciones estructurales en piel, cejido conjuntiva o fibras como cabellos,
seda o lana. Las secuencias atipicas de aminohcidos
en las proteínas fibrosas definen estruchiras secundarias-terciarias especificas que confieren propiedades
mecánica específicas.
Chaperonas maleculares
Las chaperonas moleculares de bacterias, mitocondrias y cloroplastos son proteínas grandes de múltiples
subunidades que aceleran el proceso de plegamiento
porque suminism un ambiente protegido cuando los p
lipéptidos se pliegan en sus conformaciones nativas
para formar estructuras cuaternarias. Las chaperoninas incluyen las proteinas de choque térmico cuya
estructura consta de dos anillos de subunidades idknticas dispuestas alrededor de un espacio central en el
Figura 6-1 t. lsornerizaeibn del enlace peptídiw prolil N-alfa1
de una configuración cis a una trans relacionada can el
esqueleto del polipbptido.
Las fueizas hidrófobas estabilizan
la hoja beta de la fibroína de la seda
La fibroína de la seda, una proteína de un insecto,
ilustra la estabilizacibn de una estructura secundaria
por medio de fuerzas diferentes de los puentes de
hidrbgeno. La composición de los aminoAcidos de la
fibroina consiste casi por completo (85%) de residuos
Gli que alternan con residuos Ala o Ser. Las cadenas
plipeptidicas de Eibroina forman arreglos de hojas beta
antiparalelas, en las cuales los gmpos R de residuos
Gli (hidrbgeno} se extienden desde una superficie y
los grupos R de Ala o Ser de la o m . Estos arreglos
esthn estabilizados exclusivamente por interacciones
hidrófobas enee los gmpos Rde Gli sobre una superficie
y entre los grupos R de Gli o Ser de la otra. Pequetras
cantidades de residuos como Val o Tir con gmpos R
voluminosos aparecen con periodicidad e interrumpen las regiones de hojas beta y le confieren un poco
(Capitulo 6)
de flexibilidad. Regiones largas de fibroina estrechamente empaquetada, casi completamente extendidas
en hojas antiparatelas beta resisten el estiramiento.
pero todavía son muy flexibles debido al caracter no
direccional de las fuerzas hidrófobas estabilizantes.
Estructura secundaria de las proteinas
fibrosas
La esrructura secundaria de las proteínas fibrosas,
incluyendo las de la piel, tendbn, hueso y músculo que
tienen funciones esmcturales protectoras y de motilidad,
muestran caracteristiczs estructurales que contrastan
notablemente con las de las proteínas globulares. A
continuación se analiza la estructura secundaria de
la proteina mas abundante de los mamíferos, la
colhgena.
La colágena ejemplifica diversas
relaciones entre estructura y función
Las colagenas, que comprenden casi 25% del total de las
proteinas de un mamífero, ilustran de manera notable
las diversas relaciones entre estructura y función que
caracterizan a las proteinas Eibrosas de tos vertebrados. La colagena de los tendones forma estructuras
muy asimdtricas de fuerza tensil elevada; mientras que
de la piel forma tramos laxos y fibras flexibles. Por su
parte, la colagena de las regiones d u r a de los dientes
y de [os huesos contiene hidroxiapatita, un polimero
de fosfato de calcio. Finalmente, en la córnea del ojo está
ordenada de manera casi cristalina y es transparente.
La tropocolágena es una molécula
de triple hélice rica en Gli, Pro y Hip
La tropocolágena consiste en tres cadenas de polipéptidos con 1000 residuos aproximadamente, organizadas
como una Iidlice no alfa izquierda que tiene alrededor
de tres residuos por giro. Tres hklices izquierdas se
giran para formar una triple hdlice derecha o una
superespiral, estabilizada con puentes de hidrdgeno
formados entre (no dentro, como en la hdlice alfa) las
cadenas individuales de polip6ptidos (figura 57-1).
Esta triple superespiral helicoidal es sumamente
fuerte. La superespiral resiste la distorsión debido a
que sus tres polipéptidos están en espirales con direcciones opuestas, un principio que también se usa en
los cables de acero para suspender puentes. Las fibras
de colhgena maduras altamente asimbtricas miden 1.5
nm por casi 300 nm, lo cual refleja su conformacibn
extendida estable.
Cada tercer residuo es glicina
La figura estructural primaria de la colagena madura
es (Gli-X-ProtHip),,. Cada tercer residuo es glicina, el
único residuo con un grupo R lo bastante pequeño para
encajarse dentro del núcleo central de la superhdlice.
Cada glicina está precedida por un residuo prolil o
hidroxiprolil. La repulsibn mutua entre los residuos
prolil obliga al polipeptido a formar una hklice extendida con giro a la izquierda. Los residuos prolil e
hidroxiproli1 son inflexibles en su conformaciún y
confieren rigidez.
Muchas modificaciones
postraslacionales caracterizan
la maduración de la procolagena
A diferencia de las superhelices de la colágena madura,
las terminales carboxiI y m i n o del precursor de la mlágena
procolagena tienen una composicibn de aminoácidos
típica de una proteina globular. Durante la maduración
de la procolhgena, estas extensiones terminales carboxilo y amino se retiran medianteproteólisis selectiva. Las
modificaciones adicionales postraslacionales implican
hidroxilacibn, oxidación, condensación de aldol, reducci6n y glucosiIación. La hidroxilacion de los
residuos prolil y lisil es catalizadapor laproIiIhidroxiIasa
y Iisilhidroxilasa, enzimas que requieren ácido ascorbico (vitamina C). Entonces, los residuos hidrosilil
específicos son glucosilados por las transferasas
galactosil y glucosil.
Los enlaces covalentes cruzados
estabilizan las fibras de la colagena
Las cadenas de tropocolAgena se reúnen para formar
rnicrofibrillas de coIhgena. Al principio, las estabilizan
puentes de hidrógeno dentro de la cadena y despuks,
por enlaces covalentes formados entre y en el interior
de las hdlices. Este proceso implica la participación de
la enzima oxidasa lisil que requiere cobre, la cual
convierte los grupos no alfa amino a de los residuos
Iisil e hidroxil en aldehidos. A continuación estos
aldehidos sufren una condensación aldol o se condensan con los grupos amino no alfa de la lisina o la
hidroxilisina para formar bases Schiff. La reduccibn
subsecuente foma enlaces covalentes cruzados estables que confieren una gran fuerza tensil.
Trastornos nutricionales y genéticos
que pueden involucrar estructuras
secundarias deficientes
La importancia mddica de la estructura secundaria
estable está ampliamente documentada por los trastor-
Proteinm. estructuru y función
nos de la biosintesis y maduracibn de la tropocolhgena.
En la insuficiencia grave de vitamina C, las hidroxilasas prolil y iisil son inactivas, y la tropocolágena no
puede sufrir las reacciones para f o m a r enlaces covalentes cruzados. Como consecuencia se produce el
escorbuto, una enfermedad nutricional caracterizada
clínicamente por sangrado dc las encías, deticiente
cicatrización de las heridas y, en último término, la
muerte. De mancra similar, la enfermedad de Menkes
que se distingue por el pelo ensortijado y retardo del
crecimiento. refleja una defíciencia en la dieta respecto a la IisiIoxidasa que requiere cnbrc.
Los trastornos geneticos de la biosintesis de la
colágena incluyen varias formas de osteogénesis imperfecta que, en clinica, se caracteriza por la fragilidad
de los huesos, Además, pueden producirse formas
geneticamente distinhs de la enfermedad, causadas por
defectos en diferentes genes de la biosintesis de coIágena.
De manera similar, varios tipos del sindrome de
Ehlers-Ilanlos se distinguen clinicamente por articulaciones desplazadas y anomalias de la piel que muestran
defectos eii los genes que codifican procolágeiiaalfa,. procoihgcna N-peptidasa, o l isi l hidroxilasa
(capitulo 57)
RESUMEN
Las caracterlsticas estructurales de las protehas se
consideran bajo cuatro órdenes: primario, secundario,
terciario y cuaternario (para proteínas oligoméricas').
La estructura primaria, secuencia de aminoácidos y
ubicación única de cualquier puente disulfuro, está
codificada en los genes. Las estructuras secundaria y
terciaria, que conciernen a conformaciones proteíni-
63
cas permitidas por los enlaces peptídicos, son dictadas
Dor la estructura nrimaria. La estructura secundaria
hescribe el plegaAiento de cadenas polipeptidicas en
figuras unidas por pucntes de hidrbgeno rnuftiples
como helice alfa y hoja plegada beta. Luego, combinaciones de estos motivos pueden f o m a r estructura^
supersecundarias (por ejemplo, beta-alfa-bcta). La
estructura terciaria se refiere a las relaciones entre
dominios estructurales secundarios v entre residuos
bastante alejados desde el punín de vista de su estructura primaria. La estructura cuaternaria, presente sólo
en proteinas que tienen dos o m& cadenas polipep~ídicas
(proteínas oligomdricas), describe puntos de coniacto
y otras relaciones entre estos polipéptidos o subunidades. En tanto que, la estructura primaria contiene
enlaces covalentes. las iirdenes su~erioresse estabi lizan sólo por fuer7as dbbiles que incluyen puentcs de
hidrhgena múltiples, enlaces salinos (electrostáticos)
entre residuos de superficie y relación, no estequiometrica
de grupos R hidrofobos en el interior de las proteínas.
Los reactivos que rompen enlaces no covalentes (por
ejemplo, urea o SDS) destruyen las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria con perdida concomitante
de la actividad biolhgicn (desnaii~alizacion).Las técnicas físicas para estiidio de órdenes superiores de
estructura proteinica incluyen cristalografía con rayos
X (estructura secundaria v terciaria) mhs ultracetitrifugación, filtracf~nen gel y electroforesis en gel
(estructura cuaternarial. El estrecho nexo entre la
estructura proteinica y la función biológica se ilustra
con dos proteínas fibrosas: fibroina dc la seda y
colágena. Las enfennedades relacionadas con defectos en la maduración de la colagena comprenden al
síndrome de Ehlers-Danlos y el escorbuto (enfermedad por deficiencia de vitamina C).
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Proteínas: miogIobina
y hemoglobina
Víctor W. Rodweii, PhD
Como ejemplo de la relación estructura-función proteinica, este capitulo estudia la rnioglobina y la hemoglobina, proteinas importantes por derecho propio y
porque en ellas puede apreciarse cómo las estructuras
de las proteinas conforman o determinan sus funciones
bioldgicas.
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
Las proteínas hemicas intervienen en el transporte y
fijacibn de oxígeno, en el transporte de electrones y en
la fotosintesis. El estudio detallado de la hemorrlobina
y la mioglobina ejemplifica aspectos estructuraIes
comunes a muchas proteinas. En un sentido, su mayor
significado médico consiste en que su conocimiento
muestra, de manera elocuente, las relaciones estructurafuncibn de las proteínas. Ademiis, este conocimiento
permite reconocer la base rnolecular de enfermedades
genéticas como la enfermedad de cklulas falciformes
(que resulta de la alteracibn de las propiedades de
superficie de la cubunidad beta de la hemoglobina) y
tas talasemias (enfermedades hemoiiticas familiares
crbnicas, caracterizadas por defectos en la síntesis de
la hemoglobina). El cianuro y el mon6xido de carbono
son tbxicos debido a que interrumpen la función fisiolbgica de las proteinas hdrnicas, citocromo oxidasa y
hemoglobina, respectivamente. Por último, la estabilizacEbn de la eshuctura cuatemariade la desoxihemoglobina
por el 2,3-bisfosfoglicerato (BPG, del inglés, 2,3bisphosphoglicerafe)es esencial para comprender los
mecanismos del mal de montafía y de la adaptacihn a
las grandes altitudes.
-
EL HEM Y EL HIERRO FERROSO
CONFIEREN LA PROPIEDAD DE
ALMACENAR Y TRANSPORTAR OX~GENO
La mioglobina y la hemoglobina poseen coma grupo
prostdtico un tetrapirrol cicIico, el hem. La extensa
red de enlaces dobles conjugados del hem absorbe luz
en el extremo bajo del espectro visible, por lo que su
color es rojo intenso. Los tetrapimoles constan de cuaao
mol~culasde girrol (figura 7-1) enlazadas en un anillo
planar por cuatro puentes al fa-metileno. Los sustituyentes beta deteminan si un tetrapirrol es hem o un
compuesto analogo. En el hern, los grupos son metilo
(M), vinilo (V) y propionato (Pr) y siguen el orden M,
V, M, V, M, Pr, Pr, M (figura 7-2). En el centro de
este anillo planar, hay un titorno de hierro ferroso
( ~ e ~ ' ) Otras
.
proteinas con grupos prostt5ticos tetrapirrdlicos (y sus iones methlicos relacionados) incluyen
los citocromos (Fe2' y Fe3'), las enzima catalasa y
triptófano pirrolasa y la clorofila (Mg2*).En los citocromos, la oxidación y la reducción del htorno de
hierro son esenciales para su funci6n bioldgica. Por el
contrario, la oxidación del Fe2'de mioglobina y hemoglobina destruye su actividad biológica.
Figura 7-1. Pirrol. Los carbonos alfa estdn unidos por puentes metileno en un tetrapirrol. Los carbonos beta sostienen a
los sustituyentes característicos de un tetrapirrol específico,
como el hern
66
Rioquímica de Harper
Figura 7-2. Hem Los carbonos de los anillos pirrolicos y de
los puentes de metileno son coplanares y el átomo de hierro
(Fez+) esta casi en el misma plano. La quinta y la sexta
posiciones de coordinacbn del Fe2+con perpendiculares y
directamente arriba y abajo del plano del anillo hemico.
Obsérvese la naturaleza de los grupos sustitvyentes en los
carbonos beta de los anillos pirrblicos, el Btorno central de
hierro y la ubicación del lado polar del anlllo hemica (casi a
las siete horas del reloj) que se enfrenta a la superficie de la
molécula de mioglabina.
La oxirnioglobina almacena
oxígeno
(Capitulo 7)
embargo, su conformación es atipica. Para facilitar la
referencia a regiones particulares de estructura secundaria o terciaria de un polipéptido, a cada hélice alfa,
hoja beta o asa se le asigna un nhmero o letra a partir
de la terminal amino del polipeptido. Aproximadamente 75% de sus residuos se distribuyen en ocho
hhlices alfa (giro a la derecha) de 7 a 20 aminohcidos
de longitud. Comenzando por la terminal amino, se
denominan hklíces de la A a la H.Las regiones interRelicales se identifican con las letras de las dos hhlices
que conectan. Los residuos individuales se designan
por la letra de la hdlice en la que residen y un nrjmero
que indica su distancia desde [a terminal amino de esa
hélice. Por ejemplo, "His FX" se refiere al m v o residuo
en la hClíce F e identifica a un residuo histidilo. Los
residuos que en la esttuctum primaria se encuentran
bastante alejados (por ejemplo, en hélices diferentes)
pueden, no obstante, estar en sentido espacial muy
juntos, por ejempIo, los residuos histidilo Fg (proximal) y E7 (dista]) (figura 7-3).
La estructura secundaria y terciaria de la rnioglobina en solución es muy semejante a la de larnioglobina cristalizada. Exhiben virtualmente el mismo
espectro de absorción; la cristalina fija oxígeno y la
cantidad de hélice alfa en una solucibn (calculada por
la dispersión óptica rotatoria y dicroísmo circular) se
aproxima bastante a la mostrada por el análisis cristalográfico con rayos X.
La mioglobina del tejido muscular rojo almacena
oxlgeno. Bajo condiciones de escasez (por ejemplo,
en el ejercicio extenuante), el oxigeno almacenado se
libera para usarse en las mitocondrias musculares para
la síntesis de ATP dependiente de oxígeno.
Con dos excepciones, los residuos
polares están en la superficie
de la rnioglobina
L a mioglobina, cadena polipeptfdica sencilla con peso
moIecular de 17 000, no es excepcional respecto a sus
153 residuos aminoacídicos. Sin embargo, en su distribución espacial hay diferencias evidentes.La superficie
es polar y el interior no polar, patrón típico de las
proreinas globulares. Los residuos con regiones polares y no polares (por ejemplo, Tre, Tri y Tir) orientan
sus partes no polares hacia el interior. Sin contar los
dos residuos histidilos que funcionan en lafijacion del
oxlgeno, el interior de la mioglobina s61o contiene
residuos no polares (por e,jemplo, Leu, Val, Fen y Met).
La mioglobina es rica en
hélices alfa
La mioglobina es una molecula compacta, toscamente
esférica, que mide 4.5 x 3.5 x 2.5 nm (figura 7-3). Sin
Figura 7 3 . Modelo de mioglobina de baja resolucibn S610
se muestran los Btomos de carbono alfa. Las regiones donde
se localizan las hklices alfa se designan con las letras que
van de la A hasta la H. (Basada en Dickerson RE en: The
Proteins, 2nd ed vol. 2 Neurath H [Editor]. Academic Press,
1964 Reproducida con autorización )
Proteínw: miog/obinuy hemoglobina
En presencia del hem, la estructura
primaria de la apomiogiobína determina
un plegamiento proteínico correcto
His proximal (Fa)
P,
Cuando la apomioglobina (mioglobina sin el grupo
hem) es preparada reduciendo el pH a 3.5, su contenido
de h&licealfa decrece de manera notable. La adicibn
subsecuente de urea elimina todo el contenido de
hklices atfa. Si se retira la urea por diálisis y se agrega
hem. el contenido completo de hélice alfa se recupera y
la adiciirn de Fe2' restablece su actividad biolbgica
(fijaci6nde oxigeno) integra. Por tanto, la infomacidn
estnictural primaria contenida en la apomioglobina
puede. en presencia del hern, especificar el plegamiento de la proteina a su conformacibn nativa con
actividad biológica. Como se explic6 en el capítulo 6.
este importante concepto se extiende a otras proteinas:
la estructura primaria de una proteina dirige su
conformacibn secundaria y terciaria.
Las histidinas F8 y E7 llevan a cabo
funciones únicas en la fijación
de oxígeno
El hern de la mioglobina, que se encuentra en un surco
entre las hélices E y F (figura 7-3), se orienta con sus
propionatos polares en la superficie. El resto se proyecta
hacia el interior de la rnolkcula de mioglobina en
donde, con excepcidn de His E7 y de His FS, los
residuos circundantes son no polares. La quinta posici6n de coordinacion del átomo de hierro se une al
nitrógeno de un anillo de la histidina proximal, His
F8 (figura 7 4 ) . Aunque no estit enlazada a la sexta
posicion de coordinacidn del hierro, la histidina distal (His E7) permanece en el lado del aniilo hdrnico al
otro lado de His F8 (figura 7-4).
El hierro se mueve hacia el plano
del hern cuando se fija el oxígeno
En la rnioglobina no oxigenada, el hierro del hern se
encuentra aproximadamente a 0.03 nm (0.3 A) fuera
del plano del anillo en direccidn a His F8. En la
mioglobina oxigenada, un htorno de oxigeno ocupa
la sexta posicion de coordinaci6n del iitorno de hierro
y entonces &te se desplaza a 0.01 nm (0.1 A) fuera
del plano del hem. Por tanto, la oxigenacibn de la
rnioglobina va acornpaflada por el movimiento del
átomo de hierro, y el consecuente desplazamiento de
His FB y los residuos aminoacldicos enlazados por
covalencia a CI, hacia el plano del anillo. Este
movimiento produce una nueva conformacibn de ciertas porciones de la proteina.
67
4'
HISdista1 (ET)
Figura 7 4 . Adicidn del oxlgeno al hierro hemico en la
oxigenacibn Tambien se muestran las cadenas imidazólicas
laterales de los dos resrduos importantes de histidina de la
globina que se adhieren al hierro del hem (Reproducida con
autoruacion de Harper HA y colaboradores Phys~ologische
ChemEe. Springer-Verlag, 1975 )
La apomioglobina proporciona
un ambiente adverso para
el hierro hernico
Cuando el oxigeno se une a la rnioglobina, el enlace
entre este y Fe2' es perpendicular al plano del anillo
hemico. Un segundo átomo de oxigeno se une en un
dngulo de 121" con respecto al plano del hern y
orientado alejándose de la h istidina dista1 (figura 7-51,
Figura 7-6. Anguios pceferidos para el enlace del oxfgeno y
el rnonbxido de carbono al átomo de hierro del hern libre
[línea gruesa)
El mon6xido de carbono (CO) se une al hem
aislado con una afinidad aproximadamente de 25 000
veces mayor que la del oxigeno. Si la amibsfera contiene restos de CO y el catabolismo normal del propio
hern produce cantidades pequefias de este gas, ¿por
qué entonces no es el CO (en lugar del Oz) e[ que
ocupa la sexta posicidn de coordinacibn del hierro
hémico de la mioglobina? La respuesta se encuentra
en el ambiente adverso del hem en la mioglobina. La
orientacihn preferida del CO para enlazarse al hierro
hkmico es con los tres átomos (Fe, C, O) en posición
perpendicular respecto al anillo hémico (figura 7-5).
Aunque esta orientacion es posible para el hem aislado. en la mioglobina la histidina dista! obstaculiza
esttricamente a los enlaces de CO en este Angulo
(figura 7 6 ) . Esto obliga al CO a unirse en una configuracibn menos favorabte y reduce la fuerza de la
unión hem-CO en más de dos órdenes de magnitud,
aproximadamente 200 veces la fuerza del enlace hem02.
NO obstante, por lo común, una pequeila cantidad
(m8s o menos 1%) de la mioglobina está presente en
forma de mioglobina-CO.
LAS CURVAS DE DISOCIACIÓN
DEL OX~GENOPARA LA MIOGLOBINA
Y LA HEMOGLOBINA EXPLICAN
SUS FUNCIONES FISIOLQGSCAS
como PO2 o presión parcial de oxigeno) en et entorno
inmediato del hierro h&rtico. Ea relacion entre PO? y
la cantidad de oxlgeno unido puede graficarse como
una curva de saturacibn de oxigeno (disociacidn del
oxígeno). Para la mioglobina, la forma de la isotenna
de absorción de oxígeno es hiperbblica (figura 7-7).
Dado que la PO2 en el lecho capilar pulmonar es de 100
mm Hg, la miaglobina podria retener oxigeno de
manera eficaz en los pulmones. Sin embargo, la POz
de la sangre venosa es de 40 mm Hg y la del músculo
activo aproximadamente de 20 mm Hg. Puesto que la
mioglobina no puede liberar una fracción grande de
su oxigeno unido aún a 20 rnm Hg, no sirve como un
vehículo eficaz para el transporte del oxigeno de los
pulmones a los tejidos perifkricos. No obstante, en la
privacibn de oxigeno que acompaflñ al ejercicio físico
extenuante, la PO2 del tejido muscular puede disminuir hasta 5 mrn Hg. A esta presión, la mioglobina
cede con facilidad su oxigeno pare la síntesis oxidativa de ATP por las rnitocondrias musculares.
LA HEMOGLOBINA TRANSPORTA
0 2 , COZ Y PROTONES
¿Por que la mioglobina es inadecuada como proteina
transportadora de oxígeno, pero eficaz para almacenarlo? La cantidad de oxigeno unido a la rnioglobina
(expresada como "porcentaje de saturacibn ") depende de la concentracibn de oxigeno (expresada
La hemoglobina de los eritrocitos de los vertebrados
llevan a cabo dos funciones biolbgicas principales: 1)
transportar el 0 2 del aparato respiratorio a los tejidos
perifericos y 2) transportar el C01 y los protones,
desde los tejidos perifericos hasta los pulmones para
ser excretados. Aunque la bioquímica comparativa de
las hemaglobinas de los vertebrados constituye un
campo fascinante, aqui sólo se describirkn las hemoglobina~humanas.
Figura 7 4 . Anguios para el enlace del oxigeno y e l
rnonbxido de carbono al hierro hérnico de la mioglobina La
histidina distal E7 obstaculiza el enlace del CO en su Angulo
preferido (1 80 O) respecto al plano del anillo hbmico.
Flgura 7-7. Curva de fijecibn de oxlgeno para la mioglobina
Obsérvese la relacibn entre el porcentaje de saturacidn y las
presiones pardaks representativasen pulmones(lO0 mm Hg),
tejidos (20mm Hg) y el músculo en trabajo activo (5 mm Hg).
LAS PROPIEDADES ALOSTÉRICAS
DE LAS HEMOGLOBINAS SON
CONSECUENCIA DE SUS
ESTRUCTURAS CUATERNARIAS
Las propiedades de cada hemoglobina son consecuencia inherente de su estructura cuaternaria, así como de
la secundaria y la terciaria. La estructura cuaternaria
Ze da a la hemoglobina propiedades adicionaIes sorprendentes (no existentes en la mioglobina) que la
adaptan a su función biologica única y le permiten una
regulacibn precisa de sus actividades. Ademas las
propiedades alostéricas (del griego, allos: otros,
steros: espacio} de la hemoglobina proporcionan un
modelo para comprender otras proteínas alostericas.
A diferencia de la mioglobina,
Za hemoglobina es una proteína
tetramérica
Las hemoglobinas son protcinas tetramdricas, compuestas de pares de polipbptidos diferentes (denominados alfa, beta, garnrna, delta, S, etcétera). Aunque
semejantes en longitud global, los polipdptidos alfa
(14 1 residuos) y beta (146 residuos) de la hemoglobina A (HbA) son codificados por genes diferentes y
tienen estructuras primarias distintas. No asi, las
estructuras primarias de las cadenas beta, delta y g a m a
de las hemoglobinas humanas tienen estructuras primarias altamente conservadas. Las estructuras
tekarnéricas de 1a.shemoglobinas comunes son: H1iA @emoglobina normal del adulto) = alfazbeta2, HbF
memoglobina fetal) = alfaz,gammaz(a2,&),
HbS pernoglobina de c&lulasfalciformes) = alfa2S2,y HbAz (una
hemoglobina menor del adulto) = alfaz, deltaz (azSz.).
La mioglobina y las su bunidades
beta de hemoglobina comparten
estructuras secundarias y terciarias
casi idénticas
La oxigenación de la hemoglobina
se acompaña por cambios en la
conformación de la apoproteína
La hemoglobina fija cuatro rnol~culasde oxlgeno por
tetrhmero (uno por cada subunidad hdmica), y sus
curvas de saturacibn de oxigeno son sigmoideas
(figura 7-8). Por tanto, la facilidad con la que el Ozse
une a la hemoglobina depende de la presencia de otras
moléculas de 0 2 en el mismo tetrámero. Si ya existe
oxigeno unido, la fijacibn de subsiguientes moltculas
del mismo tiene lugar con mayor facilidad. Por tanto,
la hemoglobina muestra una cinética cooperativa de
fijacibn, propiedad que le permite retener una cantidad
máxima de oxígeno en los pulmones y ceder una
cantidad, también rnkirna, con la POz baja que prevalece en los tejidos perifdrjcos. Por ejemplo, compdrense estas cantidades a la PO2 de los pulmones
humanos (100 mrn Hg) y de tos tejidos (20 mm Hg)
con las de la rnioglobina (figura 7-8).
La P50 compara las afinidades
relativas de diferentes hemoglobinas
para el oxigeno
La PW es la presibn parcial de oxfgeno que satura la
mitad de una moltcula de hemoglobina. Dependiendo
del organismo, la Psopuede variar ampliamente, aun-
100
c 90
.g so
'O
-5 70
2 60
P
a,
,50
p 40
30
20
A pesar de las diferencias en el tipo y niimero de aminoácidos presentes en la mioglobina y en el polipéptido beta de HbA, exhiben estructuras secundarias y
terciarias casi idrlnticas. Esta semejanza que se extiende
a la ubicacibn del hem y de las ocho regiones helicoidales, es consecuencia en parte de la presencia de
aminohcidos de propiedades análogas en puntos
equivalentes en las estructuras primarias de ambos.
Ademh, el polipéptido beta es muy semejante a la
rnioglobina a pesar de la presencia de siete hélices en
lugar de ocho. Igual que en la rnioglobina, los residuos
hidrofobos son internos y (de nuevo con excepci6n de
los dos residuos His por subunidad), tos residuos
hidrbfílos son características de la superficie en las
subunidades alfa y beta de la HbA.
'lo
' 0
20
40
00
80
100
120
140
Presidn gaseosa del oxígeno (mrn Hg)
Flgura 7-8. Curvas defijacibn del oxígeno de la hemoglobina
y la mioglobina. La tensión artenal de oxigeno es aproximadamente de 100 mm Hg, la tensión de oxígeno de la sangre
venosa mezdada es de más o menos 40 rnm Hg, la tensibn
caprlar (músculo activo) del oxígeno es de 20 mm Hg y la
tensibn de oxígeno minirna requerida por las enzimac citocrómicas es de 5 mm Hg. La agrupacibn de cadenas en
una estructura tetramkrica (hemoglobina) permite una cesibn
mayor de oxígeno que la que sería posible mn cadenas
sencillas. (Modificada con autorizacidn de Stanbury JB, Wyngaarden JB, Fredrrckson DS [editors]: The Metabolic Basis
of lnhented Disease, 4th ed McGraw-Hill, f 978 )
70
(Capiau/o 7)
Bioquimica de Harper
que en todos los casos es superior a la PO?en !os tejidos
periféricos del organismo en cuestihn. La hemoglobina
fetal humana (H bl: del inglés, human~iaIhemoglohin)
proporciona un ejemplo representativo. Para H bA, Pro
= 26 mm Hg; para HbF, Pru= 20 mm Hg. Esta diferencia
permite a la HbF extraer oxígeno de la HbA de la
sange placentaria, Sin embargo, dcspuks del parto la HbF
es inadecuada, ya que su elevada afinidad por el
oxígeno la obliga a ceder menos O2a los tejidos.
Al principio, el feto humano no sintetiza cadenas
alfa ni beta sino reta y epsilon. Al final del primer
trimestre, alfa ha reemplazado a las subunidades zeta
y a 10s pCptidos Cpsílon. Asi, la hemoglobina F, que
es la hemoglobina de Ia vida fetal tardía, tiene la
camposici6n alFa: gammaz. Las cadenas beta, cuya
sintcsis comienza en el tercer trimestre, no reemplala en
su totalidad a gamrna hasta algunas semanas despues
del nacimiento.
1
Forma T
wi
Forma R
Figura 7-10. Durante la trancicibn de la forma T a la R de la
hemoglobina se produce Fa rotacibn da un par de subunidades rigidas (alfaZlbeta2) de 15 grados en relación con el
otro par de subunidades rígidas (alfallbetal) El eje de
rotacibn es excéntrico y además, el par alfa2lbeta2 derjva un
poca hacia el eje. En el diagrama, el par aifallbetal no ect6
sombreado y se conserva f ~ oen
, tantu que el par sombreado
alfa2lbeta2 gira y se desplaza.
Grandes cambios de conformación
acompañan la oxigenación
de la hemoglobina
La unión del oxígeno ocasiona la rotura de los enlaces
salinos entre carboxilo de las cuatro subunidades (figura
7-9). La fijación subsecuente de O2se facilita ya que
se requiere la rotura de un número menor de enlaces
salinos. Estos cambios alteran lambidn de manera
profunda las estructuras secundaria, terciaria y cuaternariade la hemoglobina. Un par de unidades alfdheta
gira con respecto al otro par alfabeta, haciendo compacto al tetramero e incrementando Ia afinidad de los
hemes por el O: (figuras 7-1 0 y 7-1 1 ).
L a estructura cuaternaria de la hemoglobina parcialmente oxigenada se describe como el estado T
(tenso) y el de la hemoglobina oxigenada (HbOz)
DESOXI
(forma T)
0x1
(forma R)
Asn G41102)
His
94
/ n=
COO 4
ASP
NH,'
II,
Figura 1-9. Enlaces salinos entre las diferentes subunidades
de la desoxihemoglobina Estas interaccioneselectrastáticas
no covalentec son interrumprdas por la oxigenación (Ligeramente modtficada y reproducida con autorización de Stryer
L. Brachemistry, 2nd ed Freernan, 1981.)
Figura 7-1 1. Cambios en el contado alfailbeta2 en la oxigenacion Et contacto se cierra de un Area en forma de cola de
paloma a otra, comprende el cambio de un puente de
hidrbgeno a otro distinto Los dernac enlaces son no polares
(Reproducida con autorización de Perutz MF: Molecular pathology of human hemoglobin Stereochernical interpretation
of abnormal oxygen affinities Nature 1971.232,408 )
como el estado R (relajado) (figura 7-12). La R y T
se utilizan tambikn para describir las estructuras cuaternarias de las enzirnas alostkricas, donde el estado T
tiene afinidad menor por el susírato.
bamato y liberando protones que contribuyen al efecto
Bohr.
La oxigenación de la hemoglobina
se acornpaiia de cambios de
conformación en la vecindad
del grupo hern
La conversión del amino terminal de una carga positiva a una negativa favorece la formacibn de un puente
salino entre las cadenas alfa y beta, situación tipica del
estado "desoxi". En los pulmones, la oxigenacibn de
la hemoglobina se acompafía de la expulsi6n y la
subsiguiente exhalación de COZ. Cuando la sangre
recibe el Coa, laanhidrasa carbónica de Ios eritrocito5
cataliza Ia formación de ácido carbonico (figura 7-14).
Este se disociacon rapidez en bicarbonato y un protón.
Para evitar que se aumente la acidez en la sangre, debe
existir un sistema amortiguador que absorba el exceso
de protones. La hemoglobina retiene dos prorones por
cada cuatro rnoltculas de oxigeno que pierde y de este
modo aumenta la capacidad amortiguadora de la sangre
(figura 7-15), En los pulmones, el proceso se invierte, es
decir, conforme el oxígeno se une a la desoxihemoglobina, los protones se liberan y se unen al bicarbonato formando hcido carbónico. Con ayuda de la
anhidma carbbnica, el hcido carb6nico forma Coz,que
es exhalado. Por tanto, la fijacibn de! oxigeno obliga
la expulsibn del COz. Este fenbmeno reversible se llama
efecto Bohr: este efecto se acompafía por una desviacibn de la curva de oxigenacibn hacia la derecha,
es decir, la hemoglobina se encuentra menos saturada
a una presión parclal de oxígeno dada. El efecto Bohr
es una propiedad de la hemoglobina tetramérica y depende de la interaccibn hem-hem o de efectos cooperativos. La mioglobina no muestra tal efecto.
En la oxigenación, los Qtomosde hierro de la desoxihemoglobina (que se encuentran alrededor de 0.06 nm
fuera del plano del anillo hérnico) se mueven hacia
este plano (figura 7-13). Este movimiento se tsansmite a la histidina proximal (Fg), que avanza hacia el
plano del anillo y arrastra consigo a residuos adheridos a His F8.
Después de la liberación de oxígeno
a los tejidos, la hemoglobina
transporta COZy protones
a los pulmones
Además de llevar el oxigeno de los pulmones a los
tejidos periféricos, la hemoglobina facilita el transporte del COz de los tejidos a los pulmones para ser
exhalado. La hemoglobina puede un irse directamente
al COI cuando cede su O? y aproximadamente 15%
del CO1 acarreado por Ia sangre es transportado asi.
El bióxido de carbono reacciona con los grupos amino
terminales de la hemoglobina, formando un car-
m
CO~+H~-NH;=ZH'+
H
~b4-COO-
Estructura T
Estructura R
Figura 7-12. La Iransicibn de la estructura T a la estructura R es mfis probable conforme se oxigena cada 1 d e los 4 grupos
hem de una hemoglobina tetrhmera En este modelo, los puentes salinos (lineas delgadas) que enlazan las sribunidades en
la estructura T, se rompen progresivamente al unirse al oxigeno y aún aquellos enlaces salinos que no se han roto se debilitan
cada vez m i s (lineas onduladas) La transicibn de T a R no tiene lugar sino decpu6s de q u e se han filado cierto numero de
rnolewlas de oxigeno, pero se vuelve rnhs probable con cada oxígeno sucesivo que se une. La transición entre las dos
estructuras es modificada por varios factores, incluyendo protones, bióxido de carbono, cloro y BPG. Mientras mayor sea su
mncentracion, más oxígeno debe unirse para desencadenar la transiudn Aquí no se muestran mol&culac totalmente
oxigenadas en la estructura T ni totalmente desoxigenadas en su forma R, debido a que son demasiado inestables para existir
en cantidad significativa. (Modificada y redibujada Con autorizacidn de Perutz MF Hemoglobin structure and respiratory
transport Sci Am [Dec] 1978:239,92)
(Capítulo 7)
Histidina Fa
ZCO, + 2HzO
1 lz3
2HXOs
Repulsibn
41
Plano de la
porñrina
2HCO3-
x;;:>-03
TEJIDOS FERIFERICOS
Il
+ 2H
+
4%
(Amortiguador)
2HzCOa
PULMONES
Generado por el
dcb de Krebs
Figura 7-13. El Btomo de hierro se mueve en el plano del
hem durante la oxigenacibn La histidina F8 y sus residuos
relacionadosson arrastrados con el fitomo de hierro. (Ligeramente modificada y reproducida con autorizacibn de Stryer
L Biochemistry. 2nd ed Freeman 1981.
Los protones que causan el efecto
Bohr se generan por rotura de enlaces
salinos durante la fijación del oxígeno
Los protones que ocasionan el efecto Bohr, son generados por la rotura de puentes salinos durante la
fijacibn del oxigeno a la estructura T. Estos protones,
liberados de los itomos de nitrógeno de los residuos
HC3 (His 146) de la cadena beta, conducen al bicarbonato hacia el acido carbbnico, el cual es liberado
como C 0 2en la sangre alveolar (figura 7-1 5). Por otro
lado, en la cesibn del oxigeno Ea estructura T y los
puentes salinos se regeneran, y tos protones se unen a
los residuos HC3 de la cadena k t a . Por tanto, la
presen~iade protones en los tejidos periféricos favorece la formación de puentes salinos en la residuo
His terminales de las subunidades beta. La regene-
Figura 7-14. Formacibn de á d o carbónico, mtatizada por
Fa anhidrasa carbbnica eritroutaria y disociacibn del áudo
carbbnico a ion bicarbonato y un protbn.
/'
Figura 7-15. Efecto Bohr El bibxido de carbono generado
en los tejtdos periféricosse combina con el agua para formar
Audo carbbnico el cual se disocia en iones bicarbonato y
protones. La hemoglobina desoxigenada actúa como un
amortiguador al fijar protones y liberarlos en los pulmones
Aqui, la unibn del oxígeno a la hemoclobina desaloja a los
protones; estos se combinan con el ion bicarbonato y regeneran al ácido mrbbnico el cual, cuando es dechidratadopor
la anhtdrasa carbbnica, produce bibxido de carbono, que es
exhalado desde los pulmones.
ración de los enlaces salinos propicia la liberacibn del
O2 de la hemoglobina oxigenada (forma R). En resumen, un incremento en los protones estimula la
liberacibn de oxígeno, en tanto que un incremento en
el oxlgeno provoca la liberacibn de protones. El
primer fenbmeno puede representarse en una curva de
disociacibn del oxigeno por un desplazamiento a la
derecha al aumentar la concentración de iones
hidrbgeno (protones).
El 2,3-bicfosfoglicerato (BPG)
estabiliza la estructura T
de la hemoglobina
En los tejidos perifericos, una escasez de oxigeno
acumula el 2,3-difosfoglicerato (BPG)(figura 7-1 6).
Este compuesto se forma a partir del intermediario de
la vla glucolitica, 1,3-bisfosfoglicerato. Una molécula
de BPG se une a cada tetrámero de la hemoglobina en
una cavidad formada por residuos de las cuatro
subunidades. La cavidad central es de tamaño suficiente para el BPG sblo cuando el espacio entre las
hélices H de las cadenas beta es de una anchura
adecuada, es decir cuando la molécula de hemoglo-
Proteinas: miogioblna y hemoglobina
Figura 7-16. Estructura del 2,3-bisfosfoglicerato(BPG).
bina esta en la forma T. El BPG es unido mediante
puentes salinos entre sus Sitornos de oxigeno y las dos
cadenas beta a travks de sus grupos m i n o arnino-termina1 (Val NAl ), Lis EF6 y His H21 (figura 7-17).
Por tanto, el BPG estabiliza la forma T o desoxigenada
de la hemoglobina por medio de enlaces cruzados con
las cadenas beta y por contribuir con puentes salinos
adicionales, que deben romperse antes de que se produzca la f o m a R.
El BPG se une de manera más dtsbil a la hemoglobina fetal que a la hemoglobina del adulto debido
a que el residuo H21 de las cadenas gamma de la
hemoglobina fetal es Ser en lugar de His y no puede
formar un puente salino con BPG. Por lo anterior el
73
BPG tiene un efecto menos profundo en la estabilización de la HbF y es causa de que esta parezca tener
una mayor afinidad por el oxigeno que la hemoglobina del adulto.
El desencadenante de la transicibn entre R y T de
la hemoglobina es el movimiento del hierro dentro y
fuera del plano del anillo de porfirina. Tanto los
factores espaciales como los electrostáticos median
ese desencadenamiento. Asi, un cambio minimo en la
posición de Fe2' en relacibn al anillo de porfirina
induce variaciones significativas de las confonnaciones de la hemoglobina y afecta de manera decisiva su
función biolbgica en respuesta a una sena1 ambiental.
SE HAN IDENTIFICADO VARIOS
CIENTOS DE HEMOGLOBINAS
HUMANAS MUTANTES
Las mutaciones en los genes que codifican las cadenas
alfa y beta tienen potencial para afectar la functdn
bioldgica de la hemoglobina. De los varios cientos de
hemoglobinas humanas mutantes conocidas (lamayoría son muy raras y benignas), en seguida se descriixn
algunas, cuya función biológica esti alterada. Cuando
la alteracibn de la funcibn biolbgica se debe a una
rnutacidn en la hemoglobina, el trastorno se conoce
como una hemoglobinopatia.
En la hemoglobina M, Tir reemplaza
a His F8
El hierro hdmico se estabiliza en el estado Fe", ya que
forma un complejo i6nico firme con el anión fenolato de Tir, Larnetahemoglobinemia, donde el ion hierro
del hem está en estado férrico en lugar de ferroso, puede
ser adquirida (por ejemplo, con la oxidacirin de Fe2' a
Fe3+por compuestos tales como las sulfonamidas),
hereditaria (debido a la presencia de HbM) o causada
por la disminuci6n de Ia actividad de la rnetahemoglobina reductasa, enzima que reduce el Fe" de MetHb
a Fe2+.Puesto que la metahemoglobina no fija 01,
no
puede participar en el transporte de oxlgeno. En las
variantes de la cadena alfa de la hemoglobina M, el
equilibrio R-T favorece a la forma T. La afinidad por
el oxigeno esta disminuida y no hay efecto Bohr. La
cadena beta de estas variantes presenta cambio R-T y,
por tanto, se produce el efecto Boht.
Las mutaciones (por ejemplo, la hemoglobina
Figura 7-17. Modo de enlace del 2-3-bisfosfoglieeratoa la
Chesapeake} que favorecen la f o m a R muestran una
deaoxihemoglobina humana. El BPG interactba con tres
afinidad creciente por el oxigeno, por lo cual no lo
grupos d e carga positiva en cada cadena k t a (Basada en
Arnone A: X-ray diffraction study of binding of 2,341phospho- ceden en suficiente cantidad a los tejidos periftricos.
glycerate to human deoxyhemoglobin Nature 1972;237.146. La hipoxia tisuIar que se produce lleva a policiternia
(incremento en el número de eritrocitos).
Reproducida con autorizacibn.)
En ia hemoglobina S, un residuo
valil reemplaza al glutamato beta-6
En la hemoglobina S, Val reemplaza a Glu A2 (6)P,
es decir. el residuo 6 de la cadena beta localizado en
la superficie de la hemoglobina, expuesta al agua. Esta
sustitución reemplaza el residuo polar glutamato por
uno no polar y da lugar a una "zona adherente" en
la superficie de la cadena beta. Esta zona existe en las
formas oxigenada y desoxigenada de la hemoglobina
S pero no en la hemoglobina A. En la superficie de la
hemoglobina S desoxigenada hay un complemento
para la zona adherente, pero en la hemoglobina S
oxigenada este sitio complementario esta enrnascarado (figura 7-1 8).
Aunque la desoxihemoglobina A contiene los
sitios receptores para ia zona adherente que existe en
las hemoglobinas S, oxigenada y desoxigenada
(figura 7-1 S), la uni6n de la hemoglobina S adherente
a la desoxihernoglobina A no puede extender el
polimero, ya que esta iiltírna no tiene zona adherente
para promover a su vez la unibn de otra molCcula de
hemoglobina. Por tanto, la uni6n de la desoxihemoglobina A a la forma R o a la forma T de la hemoglobina
S terminará la polimerizacibn.
EI polimero forma una fibra helicoidal torcida,
cuya seccion cruzada contiene 14 moléculas de HbS
(figura 7-1 9). Estas fibras tubulares distorsionan al
eritrocito de modo que toma la forma de una hoz
(figura 7-20) y son vulnerables a lisis cuando penetran
a los intersticios de los sinusoides esplknicos.
La desoxihernoglobina S puede formar
una estructura fibrosa que distorsiona
los eritrocitoc
Cuando la hemoglobina S está desoxigenada, su zona
adherente puede unirse a la zona complementaria de
otra molécula S desoxigenada. Esta union hace que la
hemogiobina S desoxigenada se polimerice, formando precipitados fibrosos largos que se extienden
a través del eritrocito y lo distorsionan mecfinicamente
causando lisis y mtiltiples efectos cllnicos secundarios. Asl, si [a hemoglobina S pudiera conservarse
en su estado oxigenado, o si la concentracidn de la Forma
desoxigenada lograra mantenerse en un mínimo, no se
formarían estos polímeros y se evitaria la aparición de
"células falciformes". Es evidente que la forma T de la
hemoglobina S es la que se polimeriza.
0 x 1A
Desoxi A
Desoxi A
1) Mioglohinuria: Despues de lesiones multiples, [a
mioglobina liberada de las fibras muscuIares rotas
aparece en la orina, colorehndola de rojo oscuro.
Aunque después de un infarto del mimardio es Q O S ~ ble detectar la mioglobina en el plasma, el andlisis
de las enzimas skricas (capitulo 8) proporciona un
indice m& sensible del daflo miocárdico.
2) Anemias: Las anemias comunes (reducciones en
la cantidad de eritrocitos o de hemoglobina en la
sangre) se deben al deterioro de la slntesis de
hemoglobina (por ejemplo, en deficiencia de hierro;
capítulo 59) o a la produccibn alterada de eritrocitos (es el caso de la deficiencia de ácido fólico o
vitamina Biz; capitulo 52). El diagnbstico de las
Oxi S
Desoxi S
Desoxi S
Flgura 7-18. Representacidn de la zona adherente (A) en la hemoglobina S y su "receptor" ( A ) en las desoxihemoglobinas
A y S Las superficies complementarias permiten que la desoxihernoglobina S po/irnerice en una estructura fibrosa, pero la
presencia de la desoxihernoglobina A termina la polimerizacibn debido a que no posee zona adherente. (Modificada y
reproducida con autorizaubn de Stryar L. Biochemrstry, 2nd ed Freernan, 1981.)
Proteínas: miog/ubina y hemoglobina
75
3) Hemoglobinopatias: En tanto que la mutación de
ciertos residuos crlticos de la hcmogIobina (como
las histidinas E7 o F8) tiene consecuencias graves.
es posible que la rnutacidn de muchos residuos
Figura 7-19. Reprecentacidn de la estructura helimidal
propuesta de una fibra de desoxthamoglobina S agregada
En este modelo, las esferas representan moléculas inviduales de HbS (Reproducida con autorizacibnde Maught II:
A new understanding of sickle cell emerges Scienoe
1981,211 265 Copyright Q 1981 by the Arnerican Association for tha Advancement of Science )
anemias comienza con la deteminacidn espectrofotométrica de la concentración de hemoglobina
sanguinea. Las talasemias y el uso de probadores
de DNA para su diagnóstico se consideran en los
capitulas 8 y 42.
superficiales, alejados del sitio de fijacion del hem, no
se traduzca en anormalidades clinicas. Una excepcE6n notable es la anemia de cklulas falciformes, en
donde todos los signos y sintomas (por ejemplo,
crisis de céluEas Fatciformes y trombosis) provienen
de la mutación de un solo residuo polar por uno no
polar.
4) Hemoglobina glucosilada (HbAlr): Cuando la
glucosa sanguínea entra a los eritrocitos, la hemoglobina es glucosilada de manera no enzimatica y
su hidroxilo anomérico deriva los grupos amino
presentes en los residuos lisil y en las terminales
amino. La HbAic, puede separarse de HbA por
cromatografía de intercambio ionico o electroforesis. La fraccibn de hemoglobina glucosilada, normalmente alrededor de 5%, es proporcional a la
concentracibn de glucosa en la sangre. Por tanto,
la medicibn de HbAic proporciona Pnfomaci6n
util para el manejo de la diabetes sacarina. Dado
que la vida media de un eritrocito es de 60 dias, la
concentración de HbA i c refleja la concentración
sanguínea promedio de glucosa en el periodo de 6
a 8 semanas precedentes. Asi, una HbA icelevada,
que indica control deficiente de la glucosa sanguinea, puede guiar al mkdico en la seleccibn del
tratamiento apropiado (por ejemplo, un control m i s
riguroso de la alimentación o una dosificacibn
mayor de insulina).
Figura 7-20. Micrografla electrdnica de barrido de un eritrocito normal (A) y uno falciforme {B).El cambio en la mol6cula de
globina beta que causa esta alteracibn estructural, es consecuencia de la mutacibn de una sola base en el DNA Ttmina (T)
por adenina (A), lo cual conduce a la sustitucidn de un residuo de valrna por uno de glutamina en la malécula de globina beta
Las talasemias se originan de la síntesis
reducida de cadenas alfa o beta
En las talasemias, la síntesis de las cadenas alfa (alfatalasemias} o beta (beta-tarasemias) de la hemoglobina estA disminuida. La consecuencia es una anemia
que puede ser muy grave (capítulo 42).
RESUMEN
Las proteínas globulares compactas, mioglobina (Mb)
y hemoglobina (Hb), funcionan en el almacenaje y
transporte de oxigeno. respectivamente. La ~b &S
monomerica; Hb es un tetrhmero de dos tipos de
subunidades (alfazbetaz en la hemoglobina del adulto,
H1iA). La Mb y la subunidad beca de Hb, rica en
hélices aIfa, comparten una estructura secundaria y
terciaria vimialmente idtnticas (no así la
Los residuos de arninoAcidos de sus seis (A a H)
regiones helicoidales se denominan (por ejemplo)
"His P8" -la histidina que es el octavo residuo en la
hClice F o sexta.
El grupo prostktico hem de Mb y I-Ib es un
tetrapirrol ciclico, planar en esencia, un poco plegado,
con un Fe" central. Cuando el grupo hem se agrega a
una apomioglobina desnaturalizada (Mb sin hem),
ésta se pliega de nuevo en su confomación nativa. Por
tanto, la información estructural primaria impEicita en
apoMb (y por extensidn, en otras proteínas) basta para
definir la estructura secundaria y terciaria.
El Fe2' del hem se une a los cuatro átomos de
nitrogeno del hem y a los dos ligandos adicionales
localizados arriba y abajo del plano del hem. Un
ligando es la histidina FX. En la oxiMb y oxiHb, el
sexto ligando es 02.En una intoxicacibn con
monhxido de carbono, el sexto ligando es CO el cual,
a pesar del obsthculo espacial por la presencia de His
F7, se une con más fuerza al hierro que el 02.
Las curvas de saturación muestran la captacibn y
liberacirln del oxigeno. La curva de Mb es hiperbblica,
en tanto que con Wb es sigmoidea. Esta ultima forma
es critica para una mol6cula transportadora de Oz que
debe saturarse con oxígeno en los pulmones y liberarlo al m k i m o en los tejidos. Las afinidades relativas
de las diferentes hemoglobinas se expresan como Pso,
que es la presi6n parcial de O?a la cual se saturan la
mitad de hemoglobinas con oxígeno. Las hernoglobinas se saturan a las presiones parciales de sus respectivos órganos respiratorios (por ejemplo, HbF se
satura con la PO1 de la placenta). Los residuos His
proximal (F8) y dista1 (E7) descansan en sitios
opuestos del anillo hémico. Durante la oxigenacion,
Fe2', His F8 y Pos residuos adyacentes se mueven hacia
el anillo htmico. Por tanto, [a oxigenacidn de Hb se
acompafía de cambies notorios en la conformación.
La adición de Oza desoxiHb destruye los en taces
salinos entre subunidades y dentro de ellas, volviendo
laxa la estructura cuaternaria y facilitando la fijación
de moliculas adicionales de oxigeno. En la cavidad
central de la desoxiHb, el compuesto 2,3-bisfosfoglicerato (RPG) forma enlaces salinos con las subunidades beta, que estabilizan aún m8s la desoxiHb.
Durante la oxigenacirln, la cavidad central se c o n h e , el
BPG es expulsado y la estructura cuaternaria de nuevo
queda laxa.
La Hb tiene también la funcibn de transportar
COI y protones desde los tejidos al pulmbn. La liberación de oxigeno de ra oxiHb (HbO2) a los tejidos se
acornpaiía de captacibn de protones debido a la disminucirln del valor de pK. de un residuo His.
Entre los cientos de mutantes de Hb (en gran parte
benignos) se destaca la hemoglobina de las células
falciformes (HbS), en la cual Val reemplaza a Glu
beta6 de HbA. Esto crea una "zona adherente" que
tiene un complemento sobre la desoxiHb (pero no en
oxi Hb). En concentraciones bajas de oxigeno,
desoxiHbS polimeriza, forma fibras y distorsiona los
eritrocitos dándoles formas de hoz. Las talasemias al fa
y beta son anemias causadas por disminución en la
produccibn de subunidades alfa y beta de HbA, respectivamente.
.
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Enzirnas: propiedades generales
Despues del daflo tisular grave (por ejemplo,
infarto del miocardio o pulmonar, trituracidn de un
miembro) o posterior a la multiplicación celular
descontrolada (como en el carcinoma prostktico), las
enzimas propias de los tejidos específicos pasan a la
sangre. Por tanto, la determinación de estas enzirnas
intracelulares en el suero sanguineo proporciona a los
m6dicos inforrnacidn valiosa para el diagnbstico y
pronóstico.
Los temas considerados en este capitulo incluyen las
clases de reacciones catalizadas por enzirnas, la participacibn de coenzimas en reacciones de transfemcia
de grupo catalizadas por enzima y aspectos de la
especificidad enzimiitica. Asimismo, se introducen
los m ttodos para purificación, análisis y deteminacibn
de la distribucilin intracetular de enzimas. Luego se
describen las isoenzimas, el. diagnbstico y el significado pronóstico de las enzirnas dricas, concluyendo con
el uso de endonucleasas restrictivas en el diagnostico
de enfermedades geneticas.
LAS ENZIMAS SE CLASIFICAN POR
TIPO DE REACCIÓN Y MECANISMO
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
Hace un siglo s61o se conocían algunas enzimas,
muchas de las cuales catalizaban la hidrbtisis de en-
Sin enzimas no sería posible la vida que conocemos.
Igual que [a biocatálisis que regula [a velocidad a la
cual tienen lugar los procesos fisiológicos, las enzimas llevan a cabo funciones capitales relacionadas
con la salud y la enfemedad. Mientras que en estado
de salud todos los -esos fisiológicos se llevan a cabo de
una manera ordenada, regulada y se conserva la
homeostasia, durante los estados patoldgicos, esta
última puede ser perturbada de manera profunda. Por
ejemplo, el dafío tisular grave que caracteriza a la
cirrosis hepfitica puede deteriorar de modo notable
la propiedad de las células para producir enzimas que
catalizan procesos metabólicos claves como la sintesis
de urea. La incapacidad celular para convertir el arnoniaco tbxico a urea no tóxica es seguida por intoxicacibn
con amoniaco y, por último, coma hephtico. Un conjunto de enfermedades genbticas raras, pero con frecuencia debilitaiites y a menudo mortales, proporciona
otros ejemplos impresionantes de las drásticas consecuencias fisiolbgicas del deterioro de la actividad
enzirnhtica, incfusive de una sola enzima.
laces covalentes. Esm enzimas se identificaban por la
adición del sufijo -asa al nombre de la sustancia o
sustrato que hidrolizaban. De este modo, las lipasas
hidrolizaban grasas (lipos, en griego); las amilasas,
alrnidbn (amylon, en griego) y las proteasas, proteinas. Aunque hasta hoy persisten numerosos vestigios de esta terminología, demostr6 ser inadecuada
cuando se descubrieron varias enzimas que catalizaban
reacciones diferentes del mismo sustrato; por ejemplo, oxidacibn o reducción de la función alcohol de un
azúcar. Aunque el sufijo -asa sigue en uso, en la
actualidad los nombres de las enzirnas enfatizan el
tipo de reaccidn catalizada. Por ejemplo, las deshidrogenasas catalizan la eliminacibn de hidrógeno y 1%
transferasas, reacciones de transferencia de grupo.
Con el descubrimiento de m&- y mhs enzimas, surgieron ambigtiedades inevitables y con frecuencia no
estaba claro cukl era la enzima que un investigador
deseaba estudiar. Para remediar esta deficiencia, la
Uni6n Internacional de Bioquirnica (IIJB, del inglis,
Internotional Union of Biochemistry) adoptó un
sistema complejo, pero inequivoco, de la nomenclatura
enzimhtica basado en el mecanismo de reacción. Aunque
su claridad y carencia de ambigüedad recomiendan a[
sistema de nomenclatura IUB para trabajos de invcstigación, nombres mis ambiguos, pero afortunadamente: bastante mhs cortos persisten en libros de texto
y en el laboratorio clínico. Por esta razón, a continuación se presentan sólo principios generales del
sistema IUR:
1) Las reacciones y las enzimas que las catalizan
se dividen en seis cIases principales, cada una
con 4 a 13 subclases.
2) El nombre de la enzima tiene dos partes. La
primera es el nombre del o de los sustratos;
Ia segunda, con terminación -asa, indica el
tipo de reacción catalizada.
3) Infonnacion adicional, si es necesario aclarar
la reacción, puede seguir en paréntesis, Por
ejemplo, la enzima que cataliza ],-malato +
NAD' = pinivato + COI + NADH t ,
'
H S/
denomina como 1.1.1.37 ~-malato:NAD
oxidorreductasa (descarboxi lante).
4) Cada enzima tiene un número clave (E.C.) que
caracteriza al tipo de reaccibn segun la clase
(primer digito), subclase (segundo digito) y
sub-subdase (tercer digito). El cuarto digito es
para la enzima especifica. AsC, E.C. 2.7.1.1
denota la clase 2 (una transferasa}, subclase 7
(transferencia de fosfato), sub-subclase 1 (una
función alcohol como aceptor de fosfato). El
último digito denota a la enzima hexocinasa o
ATP:D-hexosa-6-fosfotransferasa, enzima
que cataliza la transferencia de fosfato desde
el ATP al grupo hidroxilo del carbono 6 de la
glucosa.
MUCHAS ENZIMAS NECESITAN
UNA COENZIMA
Muchas enzimas que catalizan la transferencia de
grupos y otras reacciones necesitan, ademb de su
sustrato, una segunda mol~culaorghnica conocida
como coenzima, sin la cual son inactivas. Para distinguirlas de iones methlicos activadores y de las enzimas
mismas, las coenzimas se definen como compuestos
orgánicos termoestables, de peso molecular bajo, necesarias para ta actividad de las enzimas. La mayoda
de las coenzimas se unen a las enzimas por fuerzas no
covalentes. Las que forman enlaces covalentes con las
enzirnas se denominan tambikn grupos prostkticos.
Entre las reacciones que necesitan coenzimas
están las oxidorreducciones, las reacciones de transferencia de grupo e isomerizacibn y las reacciones que
forman enlaces covalentes (claves 1, 2, 5 y 6 de la
IUB). Las reacciones liticas que comprenden reacciones hidroliticas catali~adaspor enzimas digestivas no
necesitan de coenzimas.
Las coenzimas pueden considerarse
como segundo sustrato
Puede ser útil considerar a la coenzima como un
segundo sustrato por dos razones. En primer lugar, los
cambios químicos en la cOenzima compensan exactamente a los que se realizan en el sustrato. Por ejemplo, en
las reacciones de oxidorreducci6n (deshidrogenasa),
cuando una rnolecula de sustrato es oxidada, una
rnoIkcula de coenzima es reducida (figura 8-1).
Una segunda raz6n para dar igual tiifasis a las
reacciones de la coenzima es que este aspecto de lareacción es el que puede tener el mayor significado fisioPogico fundamental. Un caso es la importancia de la
capacidad det músculo que trabaja en condiciones
anaerobias para convertir el piruvato en lactato no
reside en el piruvato ni en el lactato. La reacción sirve
solamente para oxidar la coenzima reducida NADH a
NAD'. Sin N A D ' la glucólisis no puede continuar y
3a sintesis anaerobia de ATP (y por tanto, el trabajo)
tiene que cesar. En condiciones anaerobias, la reduccion del piruvato en lactato reoxida al NADH y permite
la sintesis de ATP. Otras reacciones pueden servir
iguaImente bien. Por ejemplo, en las bacterias o Fevaduras que crecen en un medio anaerobio, algunos
metabolitos derivados del piruvato son utilizados
como oxidantes para el NADH y ellos mismos son
reducidos (cuadro 8-1).
Las coenzimas funcionan como
reactivos en la transferencia de grupos
Las reacciones bioquímicas de transferencia de grupo
del tipo
, c-Lactato
o
x
NAD"
O
piruvato
NADH + H+
Flgura 8-1. El NAD+ actúa como cosustrato en la reaccibn
de la lactato deshidrogenasa
Enzimas: propiedades generales
Cuadro 8-1. Mecanismos para l a regeneración
obia de iu A n+
-
-
-
-
ia viviente-
Pir
:ctaldehido
.,.La.,
u,,
dihidroxini
la. bacterias
L
IVIUSLU
lácrica:
Levadiira
-
Frr
ias lietert
79
Para la transferencia de grupos distintos del
hidrógeno:
Fosfatos de azucares.
COA-SH.
Pirofosfato de tiamina.
4
Fosfato de piridoxal.
i Coenzimas del folato.
* Biotina.
Coenzimas de cobalamina (R 12).
* Ácido lipoico.
Para la transferencia del hidrbgeno:
en la cual un grupo funcional, G, es transferido de una
moIecula donadora, D - G , a una moltcula aceptora.
A, por lo gencral comprende la participaci~nde una
coenzima como ultimo aceptor (por ejemplo, las reaccicne? de deshidrogenación) o como portador intermediario
del grupo (como las reacciones de transaminacion). El
esquema siguiente muestra el ultimo concepto.
Aunque esto sugiere la fomacion de un complejo
sencillo C o E 4 , durante el curso de la reacción
global, pueden intervenir varios complejos intermediarios C o E 4 en una reacción particular (como la
transaminacibn).
Cuando eI grupo transferido es el hidrhgeno, se
acostumbra representar s61o la "mitad izquierda de la
reaccion ":
NAD+, NADP+
FMN, FAD.
Ácido lipoico.
Coenzima Q.
Muchas coenzimas derivan de
vitaminas B y del monofosfato
de adenosina
Las vitaminas i3 forman parte de la estructura de
numerosas coenzimas. Las nicotinamida, tiamina,
siboflavina y iicido pantoténico son constituytntes
esenciales de las coenzirnas para las oxidaciones y las reducciones bioIógicas mientras que las coenzimas
Bcido fhlico y cobamida funcionan en el metabolismo de compuestos de un solo carbono. Numerosas
coenzimas contienen adenina, ribosa y fosfato y se
derivan del monofosfato de adenosina (AMP. del
inglés, adenmine monopho.~phate).tos ejemplos incluyen NAD' y NADP' (tlgura 8-2).
Las enzimas son catalizadores
estereoespecificos
Que esto representa en realidad sólo un caso especial
de la transferencia general de grupos puede apreciarse
mejor en tkrminos de las reacciones que tienen lugar
en las células intactas (cuadro 8-1 ). Se pueden representar de la siguiente manera:
Las coenzimas pueden clasificarse
de acuerdo al grupo cuya transferencia
facilitan
BacBndose en este concepto, podrían clasificarse las
coenzirnas del siguiente modo:
Casi todos los sustratos forman por lo menos tres enlaces con las enzirnas. Esta "adherencia en tres
puntos" puede conferir asimetría a una moldcula por
otro lado cimCtrica. La figura 8-3 muestra una
molécula de sustrato, representada como un átomo de
carbono que tiene tres grupos diferentes, pr6ximos a
adherirse en tres puntos a un sitio de la enzima. Si el
sitio puede ser alcanzado sblo desde un lado y únicamente los fitomoc compIementarios y los sitios
pueden interactuar (ambas suposiciones válidas para
las enzimas reales), la molécula se unira sólo en una
forma. La reaccibn misma puede estar confinada a los
Atomos unidos en los sitios 1 y 2 aun cuando los htomos 1 y 4 sean idénticos. Girando mentalmente la
moldcula de sustrato en el espacio, nótese que puede
adherirse en tres puntos a un costado del sitio planar
con una sola orientaci6n. En consecuencia, los Atomos
1 y 4, aunque sean idénticos, vienen a ser distintos
80
Bioquimica de Harper
MUCHAS ENZlMAS CATALIZAN UNA
REACCION O UN TIPO
DE REACCION ESPEC~F
ICA
L a capacidad de una enzima para catalizar una reacción específica y esencialmente ninguna otra, es qui7A
su propiedad miis significativa. De este modo, las
velocidades de procesos metabólicosespecificas pueden
regularse por cambios en la eficiencia catalitica de
enzimas específicas. Sin embargo, la mayoría de las enzima~catalizm el mismo tipo de reacción (transferencia
de fosfato, oxidación-reduccióin, etcdtera) con un
pequeflo numero de sustratos relacionados estructuralmente. Las reacciones con otros sustratos alternativos tienden a efectuarse si ellos se encuentran en
altas concentraciones. Que todas las reacciones posibles ocurran en el microorganismo vivo depende de la
concentracibn relativa de sustratos alternativos en las
células y de la afinidad relativa de la enzima para esos
sustratos.
Las enzimas muestran
especificidad óptica
Figura 8-2. NAD(P)+. En NAD', -R
= H; en NADP*, R =
0~03"'.
cuando el sustrato esta adherido a la enzima. Por tanto,
un cambio químico puede afectar e1 &tomo 1 (pero no
el Btomo 4) o viceversa. Si bien los sitios activos de
las enzimas no son las supeficies planas que se muestran en la figura 8-3, la figura no puede mostrar la
causa de que la reducción catalizada por la enzima del
piruvato sin actividad bpticaproduzca L-lactato en vez
de D, L-lactato
Excepto las epimerasas (racernasas), que.catalizan la
interconversión de 10s idmeros bpticos, las enzimas
por lo general muestran una especificidad bptica absoluta por lo menos para una porción de la rnoldcula
de sustrato. Asi, las enzirnas de la via glucolitica y de
la oxidativa directa catalizan la interconversibn de los
D- pero no de los L-fosfoanjcares. Con unas cuantas
excepciones (por ejemplo, la D-aminoacidooxidasa
del riilon), la pan mayoría de las enzirnac de los
marniferos actúan sobre los L-isbmeros de los aminohcidos.
L a especificidad 6ptica se puede extender a una
porción de la mol~culadel sustrato o a su totalidad.
Las glucosidasas proporcionan ejemplos de ambos
casos. Estas enzimas catalizan la hidrblisis de las
uniones glucosidicas entre aziicares y alcoholes, y son
altamente especificas para la porcibn azúcar y para la
uni6n (alfa o beta), pero relativamente inespecíficas
para la porcion alcohólica o aglicona.
Las enzimas presentan un alta
especificidad para el tipo
de reacciiin que catalizan
Sitio enzimatim
Sustrato
Figura 8 3 . Representación de la adherencia en tres puntos
de un sustrato a un sitio activo planar da una enzima.
Las enzimas líticas actúan sobre grupos de compuestos quimicos particulares, por ejemplo, glucosidas% sobre glucbsidos, pepsina y tripsina sobre los
enlaces peptidicos y las esterasas sobe los ksteres. Un
p a n numero de sustratos pueden ser atacados reduciendo asi, el número de enzirnas digestivas que de
otro modo serian requeridas. Numerosas proteasas
Enzimm: propied~desgenerales
catalizan tarnbidn la hidrólisis de los tsteres. En tanto
que esto es probablemente de importancia fisioldgica
limitada, el uso de ésteres como sustratos sinttticos ha
sido importante en el estudio del mecanismo de accion
de las proteasas.
Ciertas enzimas líticas presentan alta especiftcidad. La quimiotripsina hidroliza los enlaces peptidicos
en tos cuales el grupo carboxilo es apostado por los
aminohcido~aromhticos fenilalanina, tirosina o triptbfano. Las carboxipeptidasas y las aminopeptidasas
desdoblan los aminoácidos I por 1 de la terminal
carboxilo o de la amino de [as cadenas polipeptldicas,
respectivamente.
Aunque algunas oxidorreductasas funcionan
igualmente bien, ya sea con NAD' o con NADP' como
aceptores de electrones, la mayor parte de ellas usan
exclusivamente uno o el otro. En general, las oxidorreductasas funcionales en los procesos biosintéticos
de los sistemas de mamlferos (por ejemplo, en la
síntesis de ácidos grasos o de esteroles) utilizan
NADPH como reductor, mientras que las funcionales
en los procesos de degradación (por ejemplo, la
glucólisis, la oxidacibn de [os hcidos grasos) utilizan
NADkomo oxidante.
LA ACTIVIDAD CATAL~TICA
DE UNA ENZIMA FACILITA
SU IDENTIFICACI~N
81
o del NADPH (pero no del NAD' o del NADP') para
absorber la luz a una longitud de onda de 340 nm
(figura 8-41. La oxidación de NADH en NAD' se
acompaíia de una disminucibn de la densidad bptica
(DO) a 340 nm,proporcional a la cantidad de NAD
que se oxida. De igual manera, cuando el NAD' se
reduce, la DO aumenta en proporcion a la cantidad
de NADH que se produce. Este cambio de DO, se
puede utilizar para el anhlisis cuantitativo de cualquier
NAD' o NADP' dependientes de deshidrogenasa, tal
como sigue. Para una deshidrogenasa que cataliza la
oxidación de NADH, mediante su s u s ~ oxidado,
o
la velocidad de decrecimiento de DO a 340 nm es directamente proporcional a la concentracibn enzimática.Por
tanto, la medicibn de la velocidad de decrecimiento en
DO a 340 nrn permite deducir la cantidad de enzima,
expresada en unidades de actividad, presente en una
muestra biológica dada como suero o extracto de
tejido.
Muchas enzirnas pueden analizarse
por acoplamiento de una
reacción a una deshidrogenasa
En el ejemplo anterior se midi6 la velocidad de formaci6n de un producto (NADH} para determinar ta
actividad enzimatica. TambEen es posible analizar la ac-
tividad de otras enzimas diferentes de las deshidrogenasas por la medicibn de la velocidad de aparición
Las pequeiías cantidades de enzimas presentes en la
célula obstaculizan la rnedicidn de la cantidad de una
enzima en liquidos o extractos de tejidos. Por fortuna,
la actividad catitalitica de una enzima provee un dispositivo sensible y especifico para su propia medición.
Para medir la cantidad de una enzima en una
muestra de extracto tisular o de algún liquido biológico,
se establece la velocidad de la reacción catalizada por
ella. En circunstancias apropiadas, la velocidad
medida es proporcional a la cantidad de enzima presente. Dado que es dificil determinar el número de
mol&culaso la masa de enzima presente, los resultados
se expresan en unidades enzimáticas. Las cantidades
relativas de la enzima se pueden entonces comparar
en diferentes extractos. Tales unidades se expresan
mejor en micromoles (prnol; 1Q4 mot), nanomoles
(nmol; lo4 rnol) o picomoles (pmol; 10-'' mol) de
sustrato reaccionante o de producto formada por minuto. Las unidades internacionales enzimáticas correspondientes son pU,nU y pU.
Las deshidragenasas que dependen
de NAO' puede analizarse a 340 nm
En las reacciones que interviene el NAD' o el NADP'
(deshidrogenasas) se utiliza la propiedad del NADH
1 1
200
1
233
I
1
300
350
Longitud de onda (nm)
600
Figura 8 4 ,Espectros de absorcibn del NADt y del NADH.
Las densidades corresponden a una solucibn de 44 m g k en
una celdilla de 1 m de paso de luz. El NADP* y el NADPH
tlenen espectros semejantes a los de NAD* y NADH, respectivamente.
82
(Capitulo 8)
Rioquimicu de Harper
Glucosa
mecanismos reguladores que operan a nivel de la
catálisis, derivan en gran medida de los estudios de
enzima purificadas. La información fidedigna referente a la cinética, cofactores, sitios activos, estructura
y mecanismo de acción tam bien nccesita cnzinias
altamente purificadas.
1
ATP, ~ g "
[HEXC)CINASAI
ADP, h2+
Gluwsa 6-fosfato
La purificación incrementa
la actividad especifica
GLUCO-SA6-FOSFATO
DESHIDROGENASA
NADPH + H'
Figura 8-5. Andlisis acoplado para la actividad de la hexocinasa La reaccibn se acopla a la catalizada por la glucosa-6fosfato deshidrogenasa. Todos los reactivos, glucosa6-focfato deshidrogenasa, glumsa, ATP,
y NADP*. se
agregan en exceso. Entonces, la cantidad de hexocinasa
presente determina la velocidad de la reacción acoplada
global y. por tanto, la velocrdad de formación del NADPH,
la cual puede ser medida a 340 nrn
de uii produclo (o, de modo menos común, la velocidad dc desaparición de un sustrato). Las propiedades
fisictiquimicac del producto o sustrato determinan el
mEtodo especifico seleccionado para la cuaníificacihn. A menudo es conveniente "acoplar" el producto
de una reacción a una deshidrogenasapara la cual este
producto representa un sustrato (figura 8-5).
ES ESENCIAL DISPONER DE ENZlMAS
PURAS PARA COMPRENDER SU
ESTRUCTURA, SU FUNCIÓN,~
SU MECANISMO DE REACCION
Y SU REGWLACION
E:l conocimiento de las reaccionecy los intermediarios
quimicus en las vias meiabólicas así como de los
Cuai
El objetivo de la purificacihn de la enziina es aislar
una proteina enzimhtica especifica dc un cxtracio
crudo de celulas que contienen muchos otros compcinentes. Idas moléculas pequeiias pueden eliininarse
por dialisis o por filtracidn en gel, los Licidos nucleicos por
precipitacihn con el antibiótico estreptomicina,
etcktera. El problema es separar la enzima deseada de
una me7cla de cientos de proteínas quirnica y fisicamente semejantes.
En el cuadro &-2 se muestra el progreso de la
puri~~cación
tipica de una enzima hepática con una
recupcraci6n adecuada y una purificación de 490 veces. Nótese la forma en que se calcuEan la actividad
especifica y la recuperacibn de la actividad inicial El
objetivoes lograr la actividad especiiica máxima ( m i dades de enzima por miligramo de proteína) coi1 la
mayor recuperación posible de la actividad inicial.
Para la purificación se emplean
crornatografía de intercambio ionico
y cromatografía con soportes de
exclusion de tamaño
Los procedimientos de purificacibn clásicos útiles
incluyen la precipitacilin con concentraciones salinas
variables (por lo general con sulfato de sodio o de
amonio) o solventes (acetato o etanol), la dcsnaturalizacidn diferencial por calor o pH, Ia centrifugación
diferencial, la filtracihn en gel y la electroforesis. La
absorción celcctiva y la elucion de las proteínas en
iesumen de un esqluemn típico de pu rificación de una e
1
Actividad
accibn dc ia
(mCJ)*
100 00(.
98 995
90
.,. OOC
~ii~irria
-
iteina tota
1
(mrr)
Hornogene izado criidc
Liquido sol~rcnadante
I'recipitado con (NIld
Precipitado con acetorl a 20 a 350/u
Fracciones 80 a 1 1 0 e ri, columna DBAE
I'recipitado con (NH4)?SO443 a 4 8%
Prirneroc cristales
Recristalixacion
49 O00
. -* mlJ = milienzima: milimolcs de sustrato que cambian por minu
-
A,.A
"A--""
1
L ~ U
29
20
12
49
.- ..---
celulosa de intercambio aniónico, dietilarninoetilcelulosa (DEAE del ingles, diefhyIunainoe/hyoy en !a de
intercambio catiónico carboximetilcclulosa (CMC.
dcl inglds, carhox,vmeih~~/celJul~
tambien han sido
extremadamente utiles para la purificación extensa y
ripida de proteínas.
Por ejemplo. un extracto acuoso de tejido hepático
se ajusta a pH 7.5, valor en el cual la mayoría de las
proteínas tienen una carga negativa neta. Luego, se
adiciona la mezcla de proteínas solubles a una oolurnna de celulosa D E A E amortiguada a pH 7.5, valor
al cual llt;,AE tiene carga positiva. Las proteínas con
carga negativa sc Lincn a DEAE por interacción de cargas opuestas, eii tanto que las proieínas sin carga o con
carga positiva fluyen libremente a traves de la columna. Luego, la coliimna se eluye, por lo común
usando iin gradiente de NaCl que va de concentración
ba,ja a alta, disuelto en amortiguador con pH 7.5. Dado
que CI-compite con las proteínas por sitios de fijación
cn cl soporte con carga positiva, éstas se eluyen de
manera selectiva, primero las que se enlazan débilmente y, al último, las de enlace fuerte. Separaciones
proteínicas an5logac emplean un soporte crin cargia
negativa como carboximetiIceIulosa o fosfocelulosa a
un p l l algo menor, para asegurar que ias proteínas
tcngaii una carga m i s positiva
Las separaciones de proteínas también pueden
lograrsc sobre nrateriales porosos conocidos como
-'filtros moleculares". Cuando una mezcla de proteínas fluye a través de una columna que contiene un
filtro molecular, las proteinac pequeñas se distribuyen
cn Iris espacios entre las partículas y en los espacios
internos o poros del soporte. Conforme urja me7.cla de
proteínas de diferentes tarnafios fluye al través de la
columna, la movilidad de las protefnas pequeflas se
retarda en relación con proteínas demasiado grandcs
para pasar estos poros. Asi, las proteinas grandcs salen
de la columna antes que las menores. E1 perfil de la
clución presenta un patrón graduado que va desde las
proteinas mas grandes hasta las pequefias. Sin embargo, los filtros rnoleculares tienen capacidad limitada
y eil general sOlo se usan después de haber logrado
una piirificación previa por otras técnicas.
Los soportes de cromatografía
por afinidad sirven para identificar
regiones específicas de las enzimas
L,a característica sobresaliente de la cromatografia por
afinidad es sil capacidad para remover selectivamente
de una mezcla proteínica compleja, una protcína particular o un pequeiio número de ellas. La técnica
emplea un ligando inmovilizado que interactúai
cspecificamente con la enzima cuya purificacilin se
desea. Cuando la mezcla proteínica se expone a este
ligando inmovilizado, las iinicas proteinas que se unen
son las que interactúan fuertemente con él. Por su parte
la proteína indeseada fluye a lo largo de la columna y
descarta. La proteina deseada se eluye del Iigando
inmovilizado, por lo general con una concentración
elevada de sal o de la Coma soluble dcl ligando. Las
pusificaciones logradas por las técnicas de cromatngrafia por afinidad son iinpresioriantes. a menudo
superando las posibles por la aplicaci~nsucesiba de
numerosas técnicas clásicas.
Los ligandos favorecidos son derivados dc sustratos y coenzimas adheridos por covalencia a un
soporte como Sephadex. en general por niedio de utia
mtilécula enla7~dorade 3 a 8 carbonos de longitud
Sin embargo, la introducción de Hn "ligando" hidrbfobo
complica la scparacihn, al agregar a la cromatrigrafia
ese elem~ntohidrdfoha (vCase después), Entre Ins
ejemplos de aplicación exitosa de la cromatograt'ía por
aiinidad se incluyen la purificación de muchas
dcshidrogenasas diferentes sobre soportes dc afinidad
de NAD'. Dado que numerosas deshidrogcnasas
puedcn fijarse y ser eluidas juntas cuando la columna
es tratada con NAD' soluble, el emplco subsiguiente
de sustsato (mas que de coenzima) a los soportes
afínes o la elución con una "mezcla ternaría abortiva"
de un producto y un sustrato han probado tener éxito
en muchos casos.
5e
La crornatografía de ligando
colorante y ligando hidrófobo son
técnicas análogas de cromatografia
por afinidad
La crornatografia de Iigando colorante en soportes
como Sepharose azul, verde o rojo y Ea cromatografia
de ligando hidrofobo como octil o fenil-Sepharose son
técnicas con relación estrecha con la crornatografía
pos afinidad. La primera emplea como ligando inmovilizado a un colorante organice que sirve como
análogo del sustrato, coenzima a efecror alostCrico. En
general, la elución se logra usando gradientes salinus.
En la cromatografía de ligando hidrlifobo, un
hidrocarburo alquil o aril se adhiere a un soporte como
Sephadex. La retención de proteínas en estos soportes
comprende interaccioncc hidrofbbicac entre la cadena
alquil y ias regiones hidrófobas de la proteina. Las proteínas se adicionan a soluciones que contienen una
concentración alta de una sal (por ejemplo, [NH4]2S04)y
se eluyen con gradientes decrecientes de la misma sal.
La tecnología del DNA recombinante
puede ser una fuente abundante
de enzimas
Hasta fechas relativaniente recientes, los únicos materiales iniciales disponibles para preparar enzimas
purificadas eran las células de animales, plantas o
84
Bioquímica de Harper
bacterias, en Ias cuales se encuentran dichas enzimas.
La cantidad existente de una enzima dada en muchos
casos era muy pequefía, lo que imponía un límite
máximo z la cantidad de enzima purificada que se
podía obtener con un costo razonable. Esta situación
se ha modificado en gran medida por la tecnología del
DNA recombinante, ya que [os genes que codifican
muchas enzimas se han donado y secuenciado y
pueden colocarse en un vector de expresibn derivado
de pllismido o fago, bajo el control de un promotor
fuerte. Estos vectores se trasladan al interior de d l u las, ya sea de Escherichia coli, levaduras o de cultivos
de mamíferos. En presencia de un inductor apropiado,
la maquinaria de síntesis proteinica de la célula
huésped se [leva a la shtesis de Ea enzima deseada. La
purificación subsecuente se facilita tanto por las cantidades relativamente grandes de la enzima recombinante como por el hecho de que, al provenir de una
forma de vida diferente a la del hubsped puede diferir
en grado significativo de las propiedades de las proteínas de éste, como serfa Ea estabilidad al calor. Las
levaduras varían desde pocos, hasta cientos de miligramos de proteína homogCnea por litro de celdas de
Escherichia coli, cantidades adecuadas para los amplios estudios de cristalografía de rayos X y otros
anklisis fisicos necesarios para deteminar la estructura tridimensional.
La electroforesis en gel
de po!iacrjlamida detecta contarninantec
La homogeneidad de las proteínas se valora mejor por
electroforesis en gel de poiiacrilamida (EGPA) bajo
diversas condiciones. La EGPA unidimensional de la
proteina original revelará, si se aplica suficiente muestra, la presencia de contaminantes protelnicos mayores y menores. En la EGPA bidimensional
(O'Farrell), la primera dimensibn separa a las proteinas desnaturalizadas con base en sus valores pI,
equilibrindolos en un campo eldctrico que contiene
urea y se mantiene un gradiente de pH por los anfblitos
polimerizados. Entonces, la segunda dimensibn
separa a las protefnas, despuds de su tratamiento con
SDS, con base en los tamailos moleculares de sus
unidades protoméricas.
LAS EN2IMAS PUEDEN ENCONTRARSE
EN ORGANELOS ESPEC~FICOS
El ordenamiento espacial y la compartimentaiizacibn
de enzimas, sustratos y cofactores dentro de las c&lulas
son de importancia cardinal. Por ejemplo, en las cklulas hepáticas, las enzimas de la gluc6lisis están localizadas en el citoplasma, en tanto que [as del ciclo del
(Capitulo 8)
hcido cíirico están en las mitocondnas. La distribución
de las enzimas entre !3s organelos subcelulares puede
estudiarse despues de fraccionar los hornogeneizados
de células mediante ultracentrifugación. Entonces, se
examina el contenido enzimátiw de cada fraccidn.
La localizaci6n de una enzima particular en un
tejido o cdlula, en estado relativamente inalterado, se
puede lograr frecuentemente por procedimientos histoquimicos (histoenzimologia}. Cortes delgados de
tejido congelado (2 a 10 pm)son tratados con un sustrato
para una enzima particular. En las regiones donde se
encuentra la enzima se forma el producto de la reacción catalizada por ella. Si el producto es colorido e
insofuble, permanece en el sitio de formaci6n y sirve
como un indice para la localizaci6n de la enzima. La
histoenzimologia proporciona una imagen grhfica y
relativamente fisiológica de los patrones de distribucibn enzimática.
LAS ISOZIMAS SON FORMAS
F~SICAMENTEDISTINTAS CON LA
MISMA ACTIVIDAD CATALITICA
Cuando se aplicaron las tdcnicas de purificación de
enzirnas a la malato dechidrogenasa de diversas fuentes
(por ejemplo, hfgado de rata y Escherichia coli),
pronto se obsenib que, si bien la malato deshidrogenasa de hlgado de rata y la de E. coli, catalizan la
misma reaccidn, sus propiedades físicas y quimicas
exhibían numerosas diferencias importantes. Pueden
existir formas físicamente distintas con la misma actividad catalitica en diferentes tejidos del mismo organismo, en distintos tipos celulares, en compartimientos
subcelulares o en pr-otas
como E coli Este descubrimiento fue una consecuencia de aplicar los procedimientos de separacidn electroforktica a la separaci6n
de entidades electroforéticamente distintas de una actividad enzimktica particular.
Mientras que el ttmino "isozima" (isoenzirna)
podría utilizarse para englobar a todos los ejemplos
anteriores de formas fisicarnente distintas con una
actividad catalftica dada, en la prhctica, en especial en
la medicina clínica, la "isozima" tiene un significado
más restringido, es decir, las formas distintas y físicamente separables de una enzima dada, presentes en
tipos celulares diferentes o en compartimientossubcelulares de un ser humano. Las isozimas son comunes en
los sueros y los tejidos de todos los vertebrados,
insectos, vegetales y microorganisrnos unicelulares.
Tanto la clase como el número de enzima involucradas
es igualmente diverso. Se han localimdo isozimas de
numerosas deshidrogenasas, oxidasas, tramaminasas,
fosfatasas, transfosforilasas y proteasas. Tejidos diferentes pueden contener isozimas distintas y tstas a
su vez diferir en su afinidad por los sustratos.
Enzimas . propiedades generoles
La capacidad para separar e identificar
isozimas tiene valor diagnóstico
El interds mCdico en las isotimas fue estimulado por
el descubrimiento de que tos sueros humanos contenían varias isozimas de la lactato deshidrogenasa y
quesus proporciones relativascambian significativamente
en ciertos estados patol~gicos.Posteriormente, se han
descrito numerosos ejemplos adicionales de cambios
en las proporciones de isozimas como consecuencia
de una enfermedad.
Las isozimas de la lactato deshidrogenasa del
suero pueden demostrarsesometiendo una muestm de suero a laelectroforesis, usualmente a pH 8.6,usando un gel
de almidon, agar o poliacrilamida como soporte. Las
isozimas tienen diferentes cargas a este pH y emigran
a cinco regiones distintas del electroferograrna.
Luego, se localizan por medio de su capacidad para
catalizar la reducción de un colorante incoloro a su
forma colotida e insoluble.
Una mezcla tipica para anhlisis de deshidrogenasa contiene NADA,un sustrato reducido, la forma
oxidada de un colorante redox como nitroaml de
tetrazolio (NBT, del ingles, litro blue lelrmolrum)
intermediario necesario para la transferencia de eIectrones de NADH a NBT, amortiguador e iones activantes segun sea necesario. La figura 8 4 ilustra la
aplicacibn de este tipo de anklisis para visualizar y
cuantificar isozimas de lactato deshidrogenasa shica
(LDH, del inglks, lactnle dehydrogenuse) en el laboratorio clínico. La lactato deshidrogenasa cataliza la
transferencia de dos electrones y un ion hidrbgeno del
lactato al NAD' (figura 8-1). La reaccibn procede a
una velocidad mensurable s61o en presenciade la lactato
deshidrogenasa. Cuando la mezcla se rocía sobre el
electroferograma y se incuba a 37 "C,tienen lugar las
reacciones coordinadas de transferencia de electrones
s61o en aquellas regiones donde se encuentra la lactato
deshidrogenasa (figura 8 4 ) . Las intensidades relativas de las bandas pueden ser cuantificadas por un
foriimetra de barrido (figura 8-7). La isozima mas
negativa, se denomina 1
Las isozimas son productos de
genes estrechamente relacionados
Las enzimas oiigoméricas con varios protómeros
disimiles pueden existir en diversas formas. Con frezuencia, un tejido produce un protornero de manera
predominante y otro tejido sintetiza un prothmero
diferente. Si es posible que Cstos se combinen de
varios modos para construir una enzima activa (por
ejemplo, un tetrhmero), se dice que se han formado
isozimas de esa actividad enzirnática. Este fenómeno
se representa despues mediante una enzima de importancia en el diagnóstico: la deshidrogenasa Ifictica.
(Lactato)
sH2
WCTATO
S
k D E S H IDROGENASAJ
85
(Pjruvatc)
FMS reducido
~~C'oxidado
NBT oxidado
(incoloro)
(azul)
Flgura 8 4 . Reacciones acopladas para la demostración de
la actividad de la lactato deshidrogenasa en un etectroferograma. (NBT nttroazuF de tetrazoilo, PMS, metoculfato de
fenacina.)
Las isozimas de la laciato dcshidrtigeiiasa difieren en el orden de la estructura cuaternaria. La
molécula oligomérica de la lactato deshidrogenasa
activa (peso molecular de 130 000) consiste en cuatro
protomeros de dos tipos. E-1 y M (peso molecular
aproximado de 34 000). Sólo la molécula tetramirica
posee actividad catalitica. Si cl urden no e i iinportante, estos prothmeros pueden Fer combinado'; de
cinco maneras diferentes como se muestra en seguida:
HHHH
HHHM
HHMM
HMMM
MMMM
Market ha usado condiciones que se sabe disgregan y
reforman la estructura cuatemaria para esclarecer las
relaciones entre las isozimas de la lactato deshidrogenasa i,, o de la lactato deshidrogenasa Is. La
separacidn y reconstitución no produce nuevas isozímas las cuales, por tanto, consisten en un solo tipo de
protómeso. Cuando una mezcla de lactato deshidrogenasa I l y lactato deshidrogenasa 1s son sujetas al
mismo tratamiento, tarnbikn se producen las lactato
deshidrogenasas Iz, 1, e 14. Las proporciones aproximadas de las isozimas encontradas son las que resultarian si la relacibn fuera:
lsazirna
lactato
deshidrogenasa
11
12
13
14
15
Subunidades
HHHH
HHHM
HHMM
HMMM
MMMM
86
Bioquimica de Harper
(CapifuJo 81
NORMAL
Figura 8-7. Patrones normal y patolbgioode las isozimas de la laetato deshidrogenasa(LDH) en suero humano. Las isozimas
de LDH del suero fueron separadasen acetatode celulosa a pH 8.6 y tenidas en busca d e la presencia d e enzimas. El fotbmetro
de rastreo muestra la produccibn de las isozimas El patrbn A es suero de un pauente con infarto del rniocardio, B es suero
normat y C de un paciente con enfermedad hsphtica. (Cortesía del Dr. Melvin Black y Mr. Hugh Miller, St Luke's Hospital, San
Francisco.)
La sfntesis de subunidades H y M es controlada por
distintos Iocr geneticos que estiin expresados de
manera diferencial en diversos tejidos, por ejemplo,
el coraz6n y el mUsculo esquel&ico.
EL ANALISIS CUANTITATIVO DE
CIERTAS ENZIMAS PLASMÁTICAS
TIENE SIGNIFICADO DIAGNOSTICO
Ciertas enzimas, proenzimas y sus sustratos se encuentran siempre en la circulacibn de las personas
normales y realizan una funcibn fisiológica en la sangre.
Algunas de estas enzimas plasmhticas funcionales
son la lipoproteinlipasa, la seudocolinesterasa y las
proenzimas de la coagulacibn sanguinea y de la
disolución del cohgulo. Generalmente son sintetizadas en el hlgado, pero tarnbikn se encuentran en la
sangre a concentraciones equivalentes o mayores que
en los tejidos.
Como lo dice su nombre, las enzimas plasmáticas no funcionales no desempeiian ninguna funcibn
conocida en la sangre. Los sustratos de ellas con
frecuencia faltan en el plasma y las propias enzimas
se encuentran en la sangre de personas normales en
valores hasta de un mil1611 de veces inferiores a los de
los tejidos. Su presencia en el plasma en cifras mayores que tos valores normales sugiere una velocidad
aumentada de destruccibn tisular. Por tanto, la
medicion de estos valores de enzimas plasmhticas no
funcionales puede constituir para el médico una
prueba valiosa de diagnóstico y pronóstico clínico.
Las enzimas plasrnhcicas no funcionafes comprenden a las que existen en las secreciones exocrinac
v a las enzimas intracelulares verdaderas. Las enzimas
exocrinas, amilasa pancsektica, lipasa, fosfatasa biliar
alcalina y fosfazasa ácida prostática, difunden en forma
pasiva al plasma. Las enzimas intracelu lares verdaderas estiin normalmente ausentes de Ea circulacion.
La destrucción normal de c&lulas
conduce a la presencia en plasma
de concentraciones bajas de enzimas
no funcionaIes
Los valores bajos de enzima no funcionales que se
encuentran por lo general en el plasma, aparentemente
proceden de la desmiccibn rutinaria normal de los
eritrocitos, leucocitos y otras cdlulas. Con la muerte
acelerada de las c~lulas,las enzimas solubles entran
Enzimas. propiedades generales
en la circulación. Aunque los valores elevados de
enzirnas plasmiiticas se interpretan generalmente
como prueba de necrosis celular, el ejercicio intenso
tambikn libera cantidades importantes de enzimas
musculares.
Las enzimas plasmáticas no
funcionales ayudan en el
diagnóstico y pronóstico
Por mucho tiempo, la práctica profesional médica ha
usada la cuantificacibn de ciertas enzimas plasmaticas
no funcionales. Esta valiosa inforrnacidn para el diagnóstico y el pronóstico se obtiene muchas veces con
equipos totalmente automáticos. El cuadro 8-3 contiene una lista de lar enzimas principales utilizadas en
el campo de la enzimologla para diagnóstico. En el
Apendice se incluye la escala de valores normales de
las principales enzimas usadas con propositos de diagnostico.
Cuadra 8-3. Principales enzimas séricas utitizadas
en el diagnóstico clinico. Muchas de kstas no son
cas para la enferm
ncionada
-
-.
A
I Usa
Enzinna sérica
,-.-A-
--
uiirriuiriicu uriiiciuaI
A,minotrans!ferasas
Aspartat o aminoti
,*
rerasa (rtST
o SGOTI
Alanina aminotr
ferasa (A LT o SGR
."...
.,,.
-,,,,,-M
1 Infariu uei ~ n i u
. ....
-,
:reat~tisaguda
--
hepatote n-
'eruloplasniina
ticu
:rrnedad Ij c
-
-"
Creatinacine
stornos m usculares e
infarto del mi0cardio
F
Carcinoma rnr
la prhstata
iíio
de
-
Eosfatasa alcalina (isozi- Varias enfermedades bseas,
tras'tornos he1
1smas)
-
trucitivos
y-Glutamil t k m 1 3 p ~ C l ~1 ,Varias
~ ~ a entermcdades
L actato d e
. .
(isozirnas)
nasa Infarto del miocardio
--
--
Lipasa
-
he-
Pancreatitis aguda
--
* 87
LAS ENDONUCLEASAS RESTRICTIVAS
FACILITAN EL DIAGNÓSTICO
DE ENFERMEDADES GENÉTICAS
El diagnbstico de las enfermedades genéticas ha recibido un impulso tremendo con la tecnología del DNA
recombinante. Aunque desde hace tiempo se sabe que
todas las enfermedades moleculares son consecuencia
de una alteracibn del DNA, las técnicas para el examen directo de las secuencias del DNA s610 se han
desarrollado en épocas recientes. El desarrollo de
pruebas de hibridización para fragmentos de DNA ha
conducido a técnicas de sensibilidad suficiente para
investigar, desde antes del nacimiento, los trastornos
hereditarios p r mapeo de enzirnasde mtricci6n det DN A
derivado de las cklulas fetales en el líquido amnibtico.
Las pruebas para el DNA pueden, en principio,
ser preparadas para el diagnástico de la mayoría de las
enfermedades gendticas. Por ejemplo, para la detección
prenatal de talasemias (que se caracterizan por un
defecto en la sintesis de las subunidades de la hemoglobina; capitulo 7), una prueba preparada contra una
porcidn del gen para una subunidad de una hemoglcbina normal puede detectar un fmgmento de rwtnccibn
acortado o inexistente, el cual proviene de unasupresidn
en ese gen, como sucede en atgunas alfa talasemias
y en ciertos tipos poco frecuentes de beta y beta, delta
talasemias. De manera alternativa, se ha preparado un
detector o probador de cDNA sintktico que se hibridiza
a la secuencia de una beta-globina que contiene una
rnutacidn sin sentido, presente en ciertas beta-talasemias,
pero no en el gen normal de la beta-globina. La ausencia
del inhibidor de la proteasa plasmática alfa,-antilipsina se
ha relacionado con el enfisema y con la cirrosis hephtica
infantil. La presencia de una alfa,-antitripsina inactiva se ha identificado por un probador construido contra
el alelo inactivo que contiene una mutacián en un punto
en el gen para la alfai-antitripsina.
Los detectores de hibridizacidn tambitn pueden
utilizarse para averiguar alteraciones genkticas que
conducen a la pdrdida del sitio de una endonueleasa
de restriccibn (capitulo 42). Por ejemplo, la mutación
en un punto del coddn Glu (GAG) al codbn Y al (GTG)
tipica de la enfermedad de c6lulas falcifonnes puede
detectarse en el gen de la beta-globina en las células
contenidas en cantidades tan pequeiías de hasta 10 mL
de liquido amniótico usando la endonucleasa de restriccion MstII o SauI.
LA DIGESTIQN RESTRICTIVA DE
PROBADORES PUEDE REVELAR
GENES H O M ~ L O G O SCON
DIFERENTES SECUENCIAS DE BASES
Los detectores de DNA tambibn pueden usarse para
encontrar secuencias de DN A íntimamente enlazadas
al gen que interesa, pero en realidad no dentro de 4.
Los análisis pueden extenderse a la identificacibn de
variaciones específicas de cromosomas (diferencias
en la secuencia entre cromosomas hom6logos). La
digestión del DNA con una endonucleasa de restricci6n genera diferentes mapas (patrones de fragmentos
de DNA) de genes hornúlogos que contienen secuencias diferentes de bases. Este fenómeno se denomina
"polilimorfismo d e la Longitud del fragmento de
restriccibn" (PLFR). En una enfermedad genética
ligada a un polimorfismo de la longitud de restriccibn,
el portador de la enfermedad poseerá un cromosoma
con un gen n o m a l y uno con un gen defectuoso.
Cuando los fragmentos de restriccibn se analizan y
sondean, se detectan dos bandas de hibndizacibn (que
es distinto a una sola banda cuando ambos genes son
idénticos). Los descendientes que heredan el cromosoma portador del defecto exhiben una sola banda
de hibridizacibn que difiere de la producida por cromosornas normales. El fenbmeno de PLFR relacionado
se ha aplicado al anhlisis de rasgo de las cdlulas
falcifomes (bastsándose en un PLFR I-lpal relacionado)
y de la beta-talasemia (ligada a un PLFR HindIII y
BamHII.
Se h a desarrollado una exploracibn basada en los
PLFR para identificar la fenilcetonuria infantil (capítulo 32): Sin embargo, debe notarse que este enfbque
general no es infalible, puesto que el PLFR no causa
la enfermedad sino que simplemente se localiza cerca
del gen defectuoso. Al parecer, la importancia firtura del
PLFR radica en que es punto de partida para la identificacion del gen de las enfemidades relacionadas. Este
enfoque que se ha empleado recientemente en la
búsqueda de los fenómenos mutacionales que intervienen en la formación de los retinoblastomas y la
enfermedad de Huntington.
En el capitulo 42 se encuentran más ejemplos de
los usos de las enzimas de restriccibn para diagnóstico.
RNA CATALITICOS
Aunque es evidente que no son proteinas, ciertos
ácidos ribonucleicos (RNA) presentan actividad
catalitica altamente específica de sustrato. Estos
RNA, que cumplen con todos los criterios clhsicos de
la definicibn de enzirnas, se conocen como ribozimas.
Aunque los sitios de accibn de las ribozimas se limitan
a los enlaces fosfodiésteres de RNA, la especificidad
de su acci6n se compara plenamente con la de las
enzimas clksicas. Las ribozimas catalizan la trunsesterificacibn y, en iiltirna instancia, la hidrólisis, de
los enlaces fosfodidcttres en moléculas de RNA. Estas
reacciones son facilitadas por grupos libres --OH, por
ejemplo, en residuos de guanosil. Las ribozimas inter-
vienen de manera clave en procesos de separacidn
de intrones esenciales para la conversián de premRNA a m RNA maduro (capítulo 39).
RESUMEN
Las enzimas son catalizadores protelnicos que regulan
la velocidad a la cual se realizan los procesos fisiolbgicos. En consecuencia, las deficiencias en la función
enzim htica con frecuencia causan patología. Las enzimas que catalizan reacciones que comprenden trasferencia de grupo, isomerimción, oxidomducción o sintesis
de enlaces covalentes necesitan un cosustrato conocido como coenzima. Dado que numerosas coenzimas
son derivados de la vitamina B, las deficiencias vitamínicas pueden afectar de modo adverso la funci6n
enzimiitica y, por ende, la homeostasia. Varias coenzimas también contienen e[ nudebtido AMP. La mayoría
de las enzimas tienen especificidad elevada por sus
sustratos, coenzirnas y tipo de reaccion catalizada. Sin
embargo, algunas proteasas tambiéri escinden esteres.
Las enzimas que actúan sobre sustratos de peso molecular bajo, tambikn pueden reacciona. con análogos
de sustratos, pero en general a velocidades bajas.
La medicihn de la actividad enzimática es fundamental pam la cuantificacián de enzimas en investigacibn
o en e3 laboratorio clínico. La actividad de deshidrogenasas dependientes de NAD(P)' s e analiza en
espectrofotrimetro a través de la medición del cambio
en la absorcion a 340 nrn que acompafla a la oxidacibn
o reducción de NAD(P)+/NAD(P)H. Acoplar otras
enzimas a las deshidrogenasas puede facilitar su
análisis. En la investigacidn de su estructura, mecanismo
de accián y regulacibn de su actividad, las enzimas
deben purificarse a una homogeneidad mayor de 95
por ciento. Las tdcnicac para purificar enzimas incluyen precipitación selectiva por sales o solventes
orgánicos y cromatografía en soportes de intercambio
idnico, fi ttracibn en gel, afinidad por sustrato o interaccibn ligando colorante o ligando hidrbfobo, La capacidad para explotar tdcnicas de QNA secombinante en
la expresión de enzimas en hutspedes utiles ha revolucionado la puriftcacibn de enzimas al proporcionar
cantidades grandes de enzimas que en la mayorÍa de
tos casos ya pueden purificarse hasta la homogeneidad. El progreso de una purificación se valora con la
medición del incremento en la actividad especifica de
la enzima (actividad por unidad de masa) y su homogeneidad final mediante la electroforesis en gel de
poliacrilamida (EGPA). La localizacibn intracelular
precisa de enzimas se infiere por medio de tbcnicas de
histoquimica y fraccionamiento celular acopladas con
análisis enzimático de cortes de tejido o de fracciones
de hornogeneizados celulares. En todas las formas de
vida y tejidos existen isozimas, que son formas fisi-
Enzrmas: propiedades generales
misma actividad catatítica.
Patrones distintivos de isozimas de enzimas skricas no
funcionales revelan daíio de tejidos humanos específicos y proporcionan informacibn valiosa para el diagnóstico y el pronostico. Por Ultimo, la propiedad de las
endonucleasas restrictivas para detectar cambios sutiles en la estructura de los gcnes permite al médico el
diagnhstico de enfermedades genkticas donde las mucamente distintas con la
89
taciones conducen a sintesis de enzimas defectuosas
o no funcionales.
Aunque casi todas las enzirnas son proteínas, se
conocen RNA catalíticos, como las ribozimas que catalizan de manera muy especifica la hidrolisis de
enlaces fosfodiéster en el RNA. Estas reacciones son
importantes en fenómenos de procesamiento que incluyen la maduración de pre-mRNA.
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Muchas caracterisiicas de la cinetica enzirnática
provienen, por lógica, de conceptos propios de la
cinbtica de reacciones químicas no catalizadas. Por
tanto, este capitulo describe primero aspectos de la
teoría de la velocidad de reaccidn, válidos para reacciones químicas en general y luego considera los
factores exclusivos para reacciones cata1izadas por
enzimas.
Todos los factores que afectan la velocidad de las
reacciones catalizadas por enzimas (concentración
de enzima y de sustrato, temperatura, pH y presencia de
inhibidores) tienen interés en clínica. EI principio
biológico principal del estado homeostático de buena
salud requiere que la composición del medio interno
corporal se conserve dentro de limites relativamente
estrechos. Por tanto, la buena salud exige no sólo que
se produzcan cientos de reacciones catalizadas por
enzimas, sino que procedan a velocidades apropiadas.
No lograrlo perturba el equilibrio horntostatíco de los
tejidos, con profundas consecuencias potenciales. El
medico debe comprender el modo en que el pH, la
concentraci6n de enzimas y de sustrato así como los
inhibidores influyen en las velocidades de esas reacciones. Algunos ejemplos escogidos ejemplifican sobre
este puitto.
La velocidad de ciertas reacciones catalizadas por
enzirnas responde a las desviaciones sutiles del pH
intracelular que caracterizan a la acidosis o alcalosis
metabdlica. Además, dado que esta velocidad se eleva
o baja en respuesta a las fluctuaciones correspondientes en temperatura, la fiebre y la hipotermia perturban
la homeostasia al modificar la velocidad de numerosas
reacciones catalizadas por enzirnas. Sin embargo,
eszos cambios mínimos pueden convertirse en ventaja
para el mtdico. Por ejemplo, la disminucibn en la
actividad de todas las enzimas que tiene lugar a temperatura corporal baja (hipotermia), puede explotarse
para reducir la demanda rnetabolica global durante
cirugia a coraz6n abierto o en el transporte de órganos
para trasplante quirúrgico.
Por su parte, la toxicologia y la farmacología
aprovechan eI conocimiento de los factores que modifican la velocidad de reacciones enzimiticas. Los venenos
metabiilicos como los mercuriales, el curare y los gases
nerviosos ejercen su toxicidad mediante la inhibicibn
de enzimas y en consecuencia toman lentas o anulan
reaccionasmetaMlicas esenciales. Por ultimo, numerosos
fármacos importantes en terapéutica actúan por reduccjon de las velocidades de reacciones metabblicas al
competir con el sustrato natural por una enzima clave.
A menudo estos medicamentos tienen una estructura
anhloga a la del sustrato natural. Ejemplos son la
lovastatina y la zidovudina (AZT), famacos usados
para tratar la hipercolesterolemia y el SlDA, respectivamente. Ambos tienen efectos teraptuticos mediante
la alteracion de la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas.
LAS REACCIONES PROCEDEN
A TRAVÉS DE ESTADOS
DE TRANSICIÓN
El concepto de estados de transicidn es fundamental
para la comprensibn de las catfilisis de cualquier tipo,
incluyendo la enzirnhtica. Por ejemplo, considkrese
unareacción de desplazamiento donde un grupo L que
92
Bioqrcím ica de IJarpw
se desprende, adherido en uii principio a R, es desplazado por la entrada del grupo E:
E + R-L
=
E-R+
L
En realidad este desplazamiento pasa por un estado
de transicion, E- R.. L, cuya íormacibn y desintegración subsiguiente puede representarse con dos
''reacciones parciales". cada una con un cambio caracteristico en la energia libre:
E + R-L
E..R*.L
= E. .R. . L
= E-R+
L
AGF
reaccionar; y 2) para cada reaccion química. hay una
barrera energetica que debe superarse para que la
reacción tenga lugar. Para que una colisibn termine en
una reacción, las moléculas reactantes deben poseer
energia suficiente para sobrepasar esta barrera energhtica. Por tanto, cualquier cosa que: a) eleve la energía
cinética de las nioléculas reactantes, b) abata la barrera energktica para la reacción o c) incrernente la frecuencia de colisión, deberá aumentar la velocidad de
reacción.
Temperatura
Gn
AGF y AGD son 10s cambios de energia libre que se
producen en la formación y dcsintegracibn del estado
de transicibn, respectivamente. EZ AG, cambio de
energía libre relacionado con la reacción global, es
igual a la suma de las energías libres de Ea Iormacibn
y degradación del estado de transicihn:
De la misma manera que en cualquier ecuación con
dos tCrminos, no es posible inferir el signo o magnitud
de AGF y AGn por observación del signo algcbraico y
magnitud de AG. De otro modo, es iniposible, a partir
de la concideracihn del cambio de energia libre en la
reaccihn global, AG, inferir dato alguno respecto a los
cambios de la energia libre relacionados con la f o m a ción y degradación de los estados de transición, Dado
que la catalisis se relaciona de manera intima con AGF
y AGn, se deduce que la termodinamica de la reacción
global (AG) no puede proporcionar indicios del
camino que una reacción sigue [es decir. su mecanismo). Esta es tarea de la cinética.
Reacciones m i s complejas involucran varios y
sucesivos estados de transición y proceden a travhs de
una seric de reacciones parciales, cada una con un
cambio de energia libre. Es importante observar que
el cambio de energia libre para la reacción global, AG,
es independiente del número de estados de transición. Esto se deriva del hecho de que AG es la suma
algebraica de los cambios de energía libre para cada
reacción parcial participante.
Elevar la temperatura incrementa el número de
moléculas que pueden reaccionar, ya que aumenta la
energia cincrica e incrementa la frecuencia de las
colisioncs. Como se muestra en la figura 9-1, el numero
de mol&culas cuya energia cindtica excede la barrera energktíca para la reaccion (barra vertical) aumenta
cuando la temperatura sube desde un valor bajo (A) a
travds de uno intermedio (B) a uno alto (C). Adernhs,
cualquier elevación de temperatura, acelera el
movimiento molecular y, por ende, la frecuencia de
colisión. Los dos factores contribuyen al incremento
en la velocidad de reacción que acompafia a un
aumento dc temperatura. Sin embargo, este incremento
de la velocidad de reacción no continua de manera
indefinida, dado que finalmente se alcanza una temperatura a la cual las mol6culas reactantes ya no son
estables. Esta temperatura limitante tiende a ser en
extremo elevada para reactantes inorghtcos, modwadamente alta para gran parte de las rnolkculas orgánicas, pero bastante menor de 100 "C para la mayoría
de las reacciones de interés biolbgico.
Concentración de reactantes
A concentraciones elevadas de reactantes, tanto la
cantidad de mol&culas con energia suficiente para
reaccionar como su frecuencia de colisión son altas.
Esto es verdad, ya sea que todas o s61o una fraccion
de las mol&culasposean energia suficiente para reac-
Barrera de energia
NUMEROSOS FACTORES
MODIFICAN LA VELOCIDAD
DE REACCIÓN
La teoria cinética o de colisión de la cindticaquimica,
incorpora dos conceptos claves: 1) s61o las maltculas
que chocan; es decir, que se acercan una de otra a
distancias suficientes para formar enlaces, pueden
Figuta 3-1. Barrera energética para las reaeeiones químicas
cionar. Considtsrense reacciones que comprendan dos
moléculas diferentes, A y R:
la expresidn apropiada de la velocidad es:
Velocidad a [AnBd
La reversibilidad se presenta por flechas dobles:
Duplicar la concentración de A o de 13 elevará la
velocidad de reacción al doble, Dupticar la concentración de ambas. A y B, incrementarh cuatro veces la
probabilidad de colision. Por tanto, la velocidad pe
reacción aumenta al cuádruple. I,a velocidad de reaccihn es proporcional a las concentraciones de las
moléculas reactantes. Los corchetes denotan concentraciones molaresk* cr sigriifica "proporcional a". La
expresihn de la velocidad es:
Esta expresión se lee: "ri moléculas de A y m moléculas de B están en equilibrio con A,B,,". El signo
"proporcional a" (E) puede reemplazarse con un
signo de igualdad mediante la inserción de una constante de proporcionalidad, k, característica de la reacci6n en estudio. Para el caso general
Velocidad E [rnolbculas reactantes]
o
Velocidad s: [A] [B]
las expresiones para las velocidades de reacción hacia
la derecha (velocidad I ) y la izquierda (velocidad -I)
son:
Para la situaciiin representada por:
la expresihn de la velocidad es:
Velocldad m [A][B][B]
Cuando las velocidades de las reacciones hacia la
derecha e iquierda son iguales, se dice que el sistema
esta en equilibrio, es decir,
o
Velocidad or [A][B]~
luego
Para el caso general donde n moléculas de A reaccionen con m rnoldculas de B:
la expresibn de la velocidad es:
Velocldad a [Aln[BIm
K,, es una proporción de constantes
de velocidad
Dado que todas las reacciones qulmicas son reversibles, para la reacci6n inversa donde A,B, forman n
moléculas de A y m moléculas de B:
* Hablando de manera estricta, en lugar de concentraciones
debería decirse actividades molares.
ki[AIn[B]"' = k-~[AnBrn]
Y
La proporción de ki a kise conoce como la constante
de equilibrio, TG,. Deberh tenerse en mente las
siguientes propiedades importantes de un sistema en
equilibrio.
1) La constante de equilibrio es la proporción de
las constantes de la velocidad de reacción,
kik-1.
2) En el equilibrio, las velocidades (no las constantes de la velocidad} de las reacciones hacia
la derecha y hacia Ia izquierda con iguales.
3) El equilibrio es un estado dinámico. Aunque
en el equilibrio no existe un cambio neto en la
concentracion de nioléculas reactantes o productos, A y B se están convirtiendo de manera
continua a AnRm y viceversa.
4) La constante de equilibrio puede tener un
valor numérico si se conocen las concentraciones de A, B y AnBm en el equilibrio.
94 a Bioauimica de Hur~er
AGO puede calcularse a parkir de K,,
La constante de equilibrio se relaciona con AG' de la
siguiente manera:
R es la constante de los gases y T, la temperatura
absoluta. Dado que estas se conocen, el conocimiento
del valor numérico de K, permite el chlculo del valor
para AGa. Si la constante de equilibrio es > 1, la reacción es espontánea; es decir, se favorece la reacci6n
según se ha escrito (de izquierda a derecha). Si es < 1,
tiene lugar lo contrario; es decir, es mas probable que
la reacción proceda de derecha a izquierda. Sin embargo, nbtese que aunque la constante de equilibrio
para una reacci6n indica la direccidn a la cual una
seaccibn es espontánea, no indica si tendra lugar con
rapidez. Esto es, no informa acerca de la magnitud de
la barrera energttica para la reacci6n (es decir, AGF,
vkase antes). Esto se debe a que K, determina a AGO,
que previamente se demostrb concierne sólo a los
estados inicial y final. Las velocidades de reacción
dependen de l a magnitud de la barrera energética,
no de la magnitud de AGO.
La mayoríade los factores que afectan la velocidad
de las reacciones catalizadas por enzirnas lo hacen
mediante el cambio de la concentraci6n local de reactantes.
enzimas disminuyen la barrera energéticaen una reaccibn. En consecuencia, una proporcibn mayor de
moléculas de sustrato son capaces de reaccionar. Sin
embargo, nbtese que si bien las enzimas afectan a AGr;,
no modifican a AG. La AGn de la reacci6n global es
igual estt catalizada o no por enzimas. Debido a que
la constante de equilibrio para una reacción química
es una funcibn del cambio de energia libre estandar
para una reacciiin
se deduce que en las enzimas y otros catalizadores no
tienen efecto sobre la constante de equilibrio para una
reaccibn.
Las enzimas catalisan la formación
o rotura de enlaces covalentes
Para la reacci6n de transferencia de grupo:
un grupo, el G, es transferido de un donador, D 4 ,
a un aceptor, A. La reacción global comprende tanto
la rotura del enlace D-G como la forrnacidn de un
nuevo enlace A-G.
Las reacciones de transferencia de grupo, catalizadas por enzimas, pueden representarse de la
siguiente manera:
Esto enfatiza tres características importantes de las
reacciones de transferencia de grupo, caializadas por
enzirnas:
Las enzimas proporcionan estados
de transición alteinoc
Igual que en toda catálisis verdadera, las enzimas se
recuperan sin cambio después que la reaccibn termina.
No obstante, durante el proceso, las enzimas participan
de manera directa en la formación de estados de
transición. De manera tipica, los estados de transicibn
enzima-sustrato estan en niveles energeticos significativamente menores que los estados de transici6n
cuando la misma reaccibn procede en ausencia de
catalisis enzimhtica. Por tanto, un factor importante
que contribuye a la capacidad de una enzima para
acelerar la velocidad de una reacci6n dada es que el
AGFpara formar un estado de transicidn enzima-sustrato sea bastante menor que el AGF para la reaccibn
no catalizada correspondiente. De otra manera, Ias
1) Cada reaccibn parcial comprende tanto la rotura
como 3a formacibn de un enlace covalente.
2) La enzima es un reactante coeguivalente con
D-G y con A.
3) Si bien en la reaccidn global la enzima actiia
de manera catalitica (es decir, se requiere 5610
en oligocantidades y puede recuperarse sin
cambio cuando lareaccibn ha terminado), para
cada reaccidn parcial, la enzima es un reactante
estequiomktrico (esto es, se requiere en proporcibn molar 1: 1 con los demhs reactantes).
Numerosas reacciones bioquímicas adicionales
pueden considerarse casos especiaks de la transferencia de grupo en la cual D, A o ambas pueden estar
ausentes. Por ejemplo, reacciones de isomerización
(como la interconversión de glucosa 6-fosfato y glu-
Enzimus: cinética
cosa 1-fosfato) podrían presentarse como reacciones
en las cuales tanto D como A estan ausentes:
en términos de la constante de disociacibn, &, para el
complejo R-C o la constante de equilibrio para la
reacción:
R-C
Los complejos EnzS participan
en la catálisis
Las representaciones anteriores todavia no son suficientes para enfatizar otra característica fundamental
de las reacciones catalizadas por enzimas, la participacibn en la reacción global de dos o más fonnas
intermediarias del complejo EnzS y la participación
consecuente de u11 canjunto de varias reacciones parciales secuenciales. Una representación de una reacción
de transferencia de grupo que enfatiza estas características podria ser:
9j
R*C
Así, un valor bajo para Kd representa un complejo
R - C fuerte.
Una consecuencia importante es que cuando un
reactivo se une a un catalizador, éste aumenta la
concentracion del reactante en un Area localizada de
la solución, por arriba de su concentracion en soluci6n
libre. De este modo, ya no m m o s con una soluci6n quimica homogbnea, sino heterogknea.
Si el catalizador para una reacción bimolecular
(dos reactantes) se une a ambos, laconcentracibn local
de cada uno aumenta en razún de un factor que depende de su afinidad individual (valor &) por el
catalizador. Puesto que la velocidad de la reaccibn
biomolecular global
es, como se ve, proporcional a la concentracibn de
ambos, A y B, la fijación de los dos A y l3 por e!
catalizador puede conducir a un incremento enorme
(varias miles de veces) en la velocidad de la reacción
en la cual EnzG, EnzG* y EnzG* * representan sucesivamente los complejos EnzS formados durante la
reaccion global.
global.
Las enzirnas incrementan la
proximidad del reactivo
y la concentración local
LA CATALISIS SE PRODUCE
EN EL SITIO ACTIVO
Para que cualquiera de las reacciones anteriores tenga
lugar, todos los reactantes deben encontrarse, uno del
otro, a una distancia que posibilite la formacidn de
enlaces (o su rotura). Para una solucibn quinrica homogenea, en ausencia de catalizadores, la concenación de las mol~culasreactantes es constante en
toda la solución. Estacondición yano se cumple despuks
de introducir un catalizador. Los catalizadores tienen
sus propios dominios de superficie para unirse a las
moIdculas reactantes. Aunque este enlace es un
procese reversible, la constante global de equilibrio
para la unión favorece fuertemente las formas enlazadas miis que las libres de mol6culas reactantes. De
manera cualitativa, esto podria representarse asl:
Una propiedad esencial de las enzimas es su capacidad
para fijar los reactantes la cual se acompafia de incremento en la soncenmación local de estos y, por ende, en
la velocidad de la reaccihn. Las enzirnas son catalizadores extremadamente eficaces y muy selectivos.
Para comprender estas propiedades distintivas de las
enzimas, se ha introducido el concepto de sitio "activo" o "catalitico"*.
El gran tamafío de las proteínas en relación con
los sustratos condujo al concepto de que una region
restringida de la enzima, el "sitio activo", se ocupaba
de la catálisis. Inicialmente, era extremadamente enig-
Reactante + catarizador
complejo reactante-catalizador
* Aunque en muchos textos se establece una equivalencia
Cuantitativamente, se podría expresar la fortaleza de
la relación entre un reactante, R, y un catalizador, C,
entre los sitios activos y los catalíticos de las enzimas, hay
sobre éstas, otros sitios "activos" que se relacionan con
la regulación de la actividad enzimática m& que con la
enzimologIa intermediaria del proceso cataIítico.
matico para los bioquimicos el porqug las enzimas
cran tan grandes ciiando s6Io una porción de su estmctura parecía requerirse para unirse con el sustrato y
para la catAlisis. Hoy en día, se reconoce que una
porcion mucho mayor de la proteina actua reciprocamente con el sustrato que la que se suponia antes.
Cuando aparece también la necesidad de sitios
alostdricos de igual ramaiio ya no debe sorprender e!
tamafio de las enzimas.
El modelo de un sitio catalitico rígido
explica muchas de las propiedades
de las enzirnas
El modelo de un sitio catalitico, propuesto por Emil
Fischer, represenro la accion reciproca del sustrato y
la enzima en tkrminos de la analogia de una "cerradura y Ilave". Este modelo dc cerradura y Ilave o
modelo de plantilla rigida (figura 9-2), todavía es útil
para entender ciertas propiedades de las enzimas, por
ejemplo, la unión ordenada de dos o más sustratos
(figura 9-3) o la cin6tica dc una curva de saturación
del sustraio simple.
Los sustratos inducen un cambio
de conformación en la enzima
1Jna caractcristica desafortunada del modelo de Ficher
es que implica rigidez del sitio catalitico. Un modelo
mis geneml es el del "ajiiste inducido" de Koshland, el
cual ha recibido un considerable apoyo experimental.
En elmodelo de Fischer se presume que el sitio catalitico
esta prefigurado para adaptarse al sustrato. En el
modelo de ajuste inducido, el sustrato induce un cambio en la conformación de la enzima. Esto aIlnea los
residuos de aminoácidos y otros grupos de la enzima
en ia orientación espacial correcta para la combinacion del sustrato, la cathlisis o ambas.
En el ejemplo (figura 9 4 ) , los grupos hidrófobos
[porción rayada) y los grupos cargados (área punteada) se encuentran implicados en la combinacibn del
sustrato. Una fosfoserina (-P) y el -SH de un residuo
de cisteina intervienen en la catálisis. Otros residuos,
no implicados en proceso alguno, están representados
Figura 9-2. Reprecentacidn de la fomacibn de un complejo
EnzS de acuerdo con la hipdtesis de la plantilla de Fischer
Figura 9-3. Representacibn de la absorcibn sucesiva de una
uienzima (CoE) y de dos sustratos ($1 y $2) sobre una encima en término de la hipbtesis de la plantilla. Se supone que
la coenzima porta un grupo esencial que se une al primer
sustrato [Si), el cual a su vez es necesarbo para unir a S2
por los de lisina y metionina. En ausencia de sustrato.
el grupo catalitlcci y el fijador de sustrato estíh separados por varios enlaces. Ida aproximación del sustrato
induce un cambio en la conformacibn dc la proteína
enzimatica, alineando los grupos correctamesite par.1
combinarse con el sustrato y para la catálisis. A1
mismo tiempo, las orientaciones espaciales de otras
regiones tambikn están alteradas -la lisina y la
metionina están ahora más juntas (tigura 9 4 ) .
Los anhlogos del sustrato pueden causar algunos,
pero no todos, los cambios en la confomacibn correctos
(figura 9-5). Al adherirse el verdadero sustrato (A),
todos los grupos (representados como circulos negros
en todas las ilustraciones) son alineados correctamente. La adherencia de un análogo del sustrato que
es demasiado "voluminoso'' (figura 9-5 B) o demasiado
"delgadc" (figura 9-5C) induce una alineación incorrecta. Una caracteristica final es el sitio mostrado
como una pequefia muesca a 12 derecha de la enzima.
Tal vez se pueda imaginar una molécula reguladora
uniéndose en este punto y "bajando" uno de los braz.0~
polipeptídicos que portan un grupo catat itico. Entonces puede producirse la uni6n del sustrato, pero no la
catalisis. Como se puede observar en el modelo de
ajuste inducido, los residuos qtie comprenden el sitio
catalitico, pueder! estar niuy distantes entre si en la
estructura primaria, pero especialmente cercanos
cuando se considera la estructura tridimensional
(terciaria).
Figura 9 4 . Representacibn bidimensional de un ajuste inducido por un cambio de conformación en la estructura de la
proteina Obsérvenselas pastciones relativasde los residuos
clave antes y despues de la unibn del custrato
cadena polipéptida de 129 residuos y tiene una profunda hendidura central que alberga un sitio catalitico
con seis subsitios (figura 9 4 ) los cuares enla;ían
varios susrratos. Los residuos que originan la rotura
del enlace se encuentran entre los sitios D y E, cerca de
los grupos carhoxiIo de Asp 52 y Glu 35. Al parecer,
Enz + S
EnzS
este
último cede prolones al enIace acethlico de1 srisA
B
C
@ato,en tanto que Asp 52 Con carga negativa estabiliza
el ion c a r b ~ ndesde el lado posterior.
El sitio catalItico de la ribonucleasa también
Figura 9 4 . Representación de cambios de c~nformacibn~en
la protelna enrimatica cuando ocurre la unión can el sustrato
radica dentro de una hendidura semejante a la anterior, a
(A) a análogos inactivos del sustrato (B) y (C). (Según
través de la cual se encuenmn His 12 e FIis 1 19, residuos
Koshland.)
que, segiin la evidencia química, soii el sitio catalitico.
Muchos residuos arninoacilo
participan en el sitio activo
¿Qué partes de una enzima conforman y participan eii
su sitio activo? EI sentido de esta pregunta se entiende
mejor mediante el examen de las estructuras tridimensionales de un complejo terciario (tres componentes)
formado por unaenzima y dos sustratos. Sin embargo,
incluso en el estado de cristales, si estan presentes
todos los siistratos se producira la catAlisis, lo cual
complica Ia interpretacihn de los datos. Por tamo, se
ha dei.,ostrado que es iitil el examen de la estructura
de los denoiniiiados complqjoc terciarios abortivos
compuestos de un sustrato y uti producto, o de complejos enzima-sustrato anhlogos al inhibidor. Estos
complejos, que no pueden pasarse por alto, propercionan una estrecha aproximacibn al sitio activo durante el paso inicial de erilace con el sustrato en la
c a t á l ~ s i s .Estos estudios muestran que muchos
residuos aminoacilo esthn en contacto con sustratos o
coenzimas unidos y, por tanto, constituyen parte del
sitio activo.
El tamaiio amplio y 61 carhcter tridimensional de
los sitios activos determinan su visualizacibn 6ptima
en las pantallas de computadoras mediante programas
que permiten girar la estructura en todas las direcciones, verlas en tres dimensiones y acercar las partes que
interesan. Las limitaciones de la hoja impresa tan solo
permiten una representacibn iinperfecta de los sitios
activos. Sin embargo, se pueden establecer algunas
generalizaciones.
Los sitios activos a menudo
se localizan en hendiduras
Los sitios activos de enzimas
multiméricas pueden encontrarse
en subunidades de interface
Para ciertas enzimas que contienen multiples polipkptidos o subunidades, el sitio activo se encuentra en la
interfase entre estas. Los residuos aminoacilo de ambos sustratos contribuycn al sitio activo, al servir para
enlazar sustratos o para funcionar en la cathlisis. Uno
de estos ejemplos es la enzima HMG-COA reductasa,
que es la enziina limitante de la velocidad de
colesterologenesis (figura 9-7).
Los residuos cataliticoc se
conservan mucho
Ciertos arninoacidos, cn particular la cisteína y otros
aminolicidos hidroxllicos, Cicídos o bhsicos tienen funciones claves en la catllisis. Estos residuos sirven
como nucle6fi los, como catalimdores generales bhicos
Tri 63
'
Asn 46
Ser 36
h
F,
Para las enzimas que consisten en una subunidad
cnica, el sitio activo amenudo radica en una hendidura de
la enzima. Un ejemplo es la lisozima, enzima presente
en las lágrimas y en el moco nasal, la cual lisa las
paredes celulares de muchas bacterias grarnpositivas
trasmitidas por el aire. Está constituida por una soIa
Arg114
Figura 9-6. Representacibn'bidimencionaldel sitio catalitico
en la regibn hendida de la Ircozima De la A a la F representan
las fracciones glucosilo de un hexasadrido Algunos residuos
en la región hendida se muestran junto con sus números en
las secuencias en la Iisorima (Adaptado de Koshland )
98
Bioauim ica de Hurper
~Cu~íieclo
9)
generos. El cuadro 9-1 muestra esta conservacibn de
la estructura primaria en los sitios cataliticos de en7imas hidroliticas relacionadas, pero diferentes. Por su
parte, el cuadro 9-2 aclara la conservaci0n de "tipos"
estructurales primarios a través de los gkneros para la
enzima biosintética H M G X o A reductasa. No obstante, dado que un "tipo" estructural terciario puede
construirse a partir de varias estructuras primarias
diferentes, la estructura primariaglobal de las enzimas
esta mucho menos conservada que la terciaria.
MULTIPLES FACTORES INFLUYEN
EN LA VELOCIDAD DE LAS
REACCIONES CATALIZADAS
POR ENZIMAS
Figura 9-7. Estructurade una subunidad rjnica de HMG-COA
reductasa de la bacteria Pseudomonasmevalonii La subunidad consta de dos dominios, el mAs pequeíio de los cuales
(abajo izquierda) contiene un enlace nuclebtido doblado
compuesto de hola beta y h6licec alfa Los residuos aminoacilo esun numerados para facilitar el trazo del polipéptido
desde su terminal amino (N) hasta su teminal carboxilo (C).
Observese que el polipéptido inicia en el dominio grande,
entra al dominio pequeno y al final termina en el dominio
grande (Rediseriada con autorizaubn de Lawrence CM,
Rodwell VW, Stauffacher CV. Crystal structure of Pseudomonas mevalon~iHMG-COAreductase at 3 O angstrom resolution Science 1995:268 1758 )
o acicidos o como aceptores de un grupo que esth experimentando transferencia. Es probable que, para todas
las formas de una enzima que cataliza una reacción o
una ciase de reaccibn dadas, el mecanismo de reaccidn
sea idéntico sin importar el tejido o forma de vida
original. En consecuencia, los aminoácidos que tienen
funciones altamente especificas en la cathlisis y, hasta
cierto grado, Ios aminoácidos adyacentes, tienden a
mostrar una conservación elevada, inclusive entre
Temperatura
Aunque la elevación de la temperatura incrementa la
velocidad de una reaccihn cata1izada por enzimas, esto
es verdad s610 dentro de limites estrictos de tempemtura (figura 9-81. Al principio, la velocidad de la
reacci6n aumenta cuando latemperatura se eleva, debido
al incremento en la energía cinktica de las moléculas
reactantes. Sin embargo, al final, la energía cinetica
de Ia enzima excede a la barrera energética para
romper los enlaces dkbiles de hidr6geno e hidrdfobos
que conservan su estructura secundaria-terciaria, A
esta temperatura, predomina la desnaturalización con
pérdida precipitada de la actividad cataiitica. Por
tanto, las enzimas muestran una temperatura optima.
No obstante, kste no es un parhmetro fundamental, ya
que la temperatura óptima depende de la duración del
analisis usado para determinarla, es decir, mientras
mhs tiempo se conserve una enzima a una temperatura
a la cual su estructura es apenas estable, mayor probabilidad tiene de experimentar desnaturalizacibn.
Cuadro 9-1. Swuenrrlaa de los aminohcidos en la vecindad de los sitios catalíticos de varias proteasas
bovinas. Las regiones que se muestran son las situadas a cada lada de los residuos serilo S e histidilo
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Cuadre 9--2. La estructura primaria de algunas
regiones d,e un sitio catalttico puede conservarse a
través de 1os generris. Se piensa que los aminokidos, mostiar~uaaurit rodeando al residuo elutan
n
n la catá tisis realiizada por la
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A reduc,tasa. L(i s residi10s
subrayados se desvian de Ea secuencia consensual
--.S--
-
:ima de marniferos
.- - -..-
-
Aminohcidc
-
Levadura"
--
L
Y
Ser humano
C
F
-
-.
m -
El factor por el cual la velocidad de un proceso
biológico aumentacon un incremento de temperatura de
10 O C es el coeficiente de temperatura o Qio. La
velocidad de numerosos procesos biolbgicos, como
la contracci6n de un cosaz6n fuera de la cavidad
toiricica, casi se duplica con una elevacibn de 10 "C en
Ia temperatura (Qio = 2). La alteracidn en las velocidades de numerosas reacciones catalizadas por enzimas
que acompaña a una elevacibn o caida de la temperatura
corporal, constituye una caracteristica de supervivencia
esencial para formas de vida como las lagartijas que
no conservan constante su temperatura corporal. Por
el contrario, organismos homottmicos como el ser
humano toleran sblo alteraciones estrictamente limitadas en su temperatura. Por tanto, los cambios en la
velocidad de reacción en el ser humano, debidos a
alteraciones en la temperatura tienen escaso significado fisiológico, excepto cuando hay fiebre o hipotermia.
Dado que el aumento en el nhrnero de moléculas
con energia cinética suficiente para superar la barrera
energktica, ofkce escasas opciones para los organismos homotkrmicos, entonces, ¿cómo incrementan sus
velocidades de reaccibn? La respuesta se apoya en la
propiedad de las enzimas de abatir las barreras energéticas para las reacciones y elevar las concentraciones locales de reactantes.
Para casi todas las enzimas, las temperaturas 6ptimas son iguales o mayores a las de las células en las
que se encuentran. Las de los microorganismos adaptados para crecer en aguas termales o en áreas oceánicas termales profundas muestran temperaturas
bptimas prbxirnas al punto de ebullición del agua.
Cuando se mide la actividad enzimAtica a diversos pH,
la hptima generalmente se observa entre los valores
de 5.0 y 9.0. Sin embargo, unas cuantas enzimas,
como la pepsina, son activadas a valores de pH muy
alejados de estos límites.
La fomia de las curvas de pT-1 bptimo estii determinada por:
1) Desnaturalizaci6n de la enzima a valores de
pH altos o bajos.
2) Alteraciones en el estado de carga de la enzima
del sustrato o de ambos. Para la enzima, los
cambios de carga pueden afectar la actividad,
ya sea cambiando la estructura o la carga en
un residuo que funciona para ligar el sustrato
o en la catálisis. Para aclarar esto, considérese
una enzima con carga negativa (Enz-) que
reacciona con un sustrato cuya carga es positiva (SH*):
Temperatura dptime
I
A pH bajo, la Enz-adquiere protones y pierde
su carga negativa:
A valores de pH altos, SH' se ioniza y pierde
su carga positiva:
Figura 9-8. Efecto de la temperatura sobre la velocidad de
una reaocibn hipotetia catalizada por enzimas.
Puesto que, por definicibn para este ejemplo, las unicas formas que interaccionan son SH' y Enz-, los
valores extremos de pH disminuirán las concentraciones efectivas de Enz- y SH', con lo cual se reduce la
100
Rioquímica de Harper
mSH*
X
(Capítulo 99)
m Enz
Figura 9-9. Efectos del pH cobre la actividad enzimhtica.
velocidad de reacción (figura 9-9). Solamente en el
área som breada con rayas cruzadas, se encuentran Enz
y S en el estado ibnico apropiado y sus concentraciones rnliximas están correctamente cargadas a pH X.
Ademh, las enzimaspueden experimentar cambios
de conformación con las variaciones del pH. Podría
ser necesario un grupo cargado dista1 a la región donde
el sustrato se ha fijado, para conservar una estructura
activa terciaria o cuaternaria. Conforme cambia la
carga en este grupo, la proteína puede desenrollarse,
volverse más compacta o disociarse en protiimeros,
todo lo cual conduce a la pérdida de la actividad.
Dependiendo de la gravedad de estos cambios, la
actividad puede ser restablecida o no cuando la enzima
regresa a su pH bptimo.
Las enzimas no afectan
las constantes de equilibrio
La enzima es un reactivo que se combina con el
sustrato formando un complejo enzirna-sustrato,
EnzS, que se descompone para formar un producto,
P, y la enzima libre. En su f m a miis simple, esto
puede representarse como:
Aunque las expresiones de la velocidad para las reacciones hacia la derecha e izquierda y global incluyen
el tCrmino [Enz],
velocidad^ = kl [Enz] [S]
Veloeidad.i = kl [Enz] [P]
en la expresihn de la constan.te de equilibrio glohaI la
[Enz] se cancela.
Así, la concentración de la enzima no tiene efectas
sobre la constante de equilibrio. Dicho de otra
manera, puesto que las enzimas afectan a las velocidades y no a las constantes de velocidad, no pueden
modificar a K,, que es una relacion de constantes de
velocidad. Entonces, la K,, d e una reaccibn es la
misma sin importar que se alcance el equilibrio con
catálisis enzirnhtica o sin ella (recordar A G ~Las
.
enzirnas cambian la via de la reacci6n, pero no afectan
las concentraciones de equilibrio inicial y final de los
reactantes y productos, los cuales son los factores que
determinan a K,, y AGO.
LA VELOCIDAD INICIAL ES
PROPORCIONAL A LA
CONCENTRACION DE LA ENZIMA
La velocidad inicial de una reacción es la velocidad
medida antes de que se haya formado suficiente producto
para permitir que la reacción inversa ocurra. Además,
la velocidad inicial de una reacción enzirnática es
siempre proporcional a la concentracibn de la enzima.
No obstante, obsdrvese que este enunciado se sostiene
sole para velocidades in tiales.
LA CONCENTRACIÓN DEL
SUSTRATOAFECTALA
VElOClDAD DE LAS REACCIONES
En la explicación siguiente, las reacciones enzimáticas son tratadas como si tuvieran un solo sustrato y un
producto unico. Aunque Cste es el caso de algunas
reacciones catalizadas por enzirnas, la mayorla de
ellas tienen dos o mas sustratos y productos. No
obstante, esta consideración no invalida lo siguiente.
Si se aumenta la concentracion del sustrato [S1
mientras que todas las demás condiciones se conservan constantes, la velocidad inicial medida, v, (la
velocidad medida cuando m u y poco sustrato ha reaccionado), crece hasta un valor mfiximo, V,,,, y no
mas (figura 9-1 0 ) .
La velocidad se incrementa al aumentar la concentracibn del sustrato hasta el punto donde se dice
que la enzima estli "saturada" con el mismo. La
velocidad inicial medida alcan7a un valor máximo y
no es afectada por el incremento ulterior en la concentraci6n del sustrato, debido a que este está presente en
Figura 9-10. Efecto de la ooncentracibn del suctrato sobre
la velocidad de una reaacibn catalizada por enzimas.
un gran exceso molar con relación a la enzima. Por
ejemplo, si una enzima de peso molecular de 100 000
actúa sobre un sustrato de peso molecular de 100 y
ambos se encuentran a la concentración de 1 mg/mL;
existen 1 O00 moles de sustrato por cada mol de
enzima. Cifras mhs realistas serian:
[Enz] = 0.1 pglmL = 7 0 molar
~
[S] = 0.1 mglm L = 1o4 molar
dando un exceso molar de lo6 de sustrato sobre la
enzima. Incluso si [S] decreciera 100 veces, el sustrato
todavia estaria presente en un exceso molar de 10 000
veces sobre la enzima.
La situación en los puntos A, B y C de la figura
9-1 0 se aclara en la figura 9-1 1. En los puntos A y B
solamente una porcihn de la enzima presente estl
combinada con el sustrato, aun cuando haya muchas
mhs molkculas de sustrato que de enzima. Esto se debe
a que la constante de equilibrio para la reaccihn
Enz + S & EnzS (formación del complejo EnzS) no
es infinitamente grande. En los puntos A o B al
aumentar o disminuir [S], aumenta o disminuye la
cantidad de Enz ligada con S como EnzS: de aquí que
V I dependa de [S].
En C, esencialmente toda la enzima se encuentra
combinada con el sustrato, de manera que un incremento ulterior en [S], aunque praduce un aumento en
la frecuencia de las colisiones entre Enz y S, no puede
causar incrementos en la velocidad de reacción,
puesto que no existe enzima libre disponible para
reaccionar.
El caso B presenta una situacibn de mayor interés
tebrico donde exactamente la mitad de las rnol&culas
de enzima esthn "saturadas con" sustrato. De acuerdo
con esto, la velocidad es la mitad dc la vclocidad
rnbxima alcanzable {V,/2)
a esa concentración particular de la enzima.
LAS ECUACIONES DE
MICHAELIS-MENTEN DE HlLL
REPRESENTAN LOS EFECTOS
DE LA CONCENTRACION
DEL SUSTRATO
La ecuación de Michaelis-Menten
La concentraci6n del sustrato que produce la mitad de la
velocidad mhxima, llamada valor K, o constante de
Michaelis, se puede determinar experimentalmente
graficando v, como funcibn de [S] (figura 9-10). La
Km tiene las dimensiones de la concentracidn molar.
Cuando [S] es aproximadamente igual a K,,, v, es
muy sensible a los cambios en [S] y la enzima esta
trabajando precisamente a la mitad de su vclocidad
máxima. De hecho, muchas de las enzimas poseen
Figura 4-11. Representacibn de una enzima a concentraciones bajas (A), altas (C) y a la wncentracibn Km del sustrato (6)
Los puntos A, B y C corresponden a los de la figura 9-1 0
valores de Km que se aproximan a la concentraci6n
fisioliigica de sus sustratos.
L a expresión de Michaelis-Menten
describe el comportamiento de muchas enzimas de
acuerdo a las variaciones de la concentracibn de sustrato. Ln dependencia de la velocidad inicial de una
reacción catali7ada por enzirnas en [S] y en Kmpuede
aclararse valorando la ecuaci6n Michaelis-Menten
como sigue:
1 ) Cuando ISI es mucho menor que Km(punto
A en las figuras 9-1 O y 9-1 1). Aííadiendo ahora
[S]a Kmen el denominador, cambia muy poco
su valor, de modo que el término [S] puede ser
eliminado dcI denominador. Dado que tanto
Vmav
como Km son constantes, se puede reemplazar su relación por una nueva constante, K:
yi
", ,v
Fl - vi = !!!?%N
= be
K m + [SI'
Km
Km
[S]
"aproximadamente igual a"].
En otras palabras, esto significa que cuando la
concenlracihn del sustrato es considerablemente inferior a la requerida para producir la
miiad de la velocidad miixirna (el valor U,),
la velocidad inicial v,, depende de la concentraci6n del sustrato [S].
2) Cuando [S]es mucho mayor que Km(punto
C, figuras 9-10 y 9-1 1). Agregando ahora Km
a [S] en el denominador, el valor de [S] cambia
muy poco, por lo tanto el tCrmino Km se
elimina del denominador.
Esto establece que cuando la concentración
del sustrato [S] excede con mucho el valor de
Km,la velocidad inicial v,, es mhxima, Y,,.
3) Cuando [Si = Km (punto B, figuras 9-10 y
9-1 1).
= 'V d x [SI
Km + [C] '
Puesto que numerosas enzimas dan curvas de
saturación que no permiten fácilmente la valoración
de Vmex
(y por tanto de Km),cuando la v, es graficada
contra [S], es conveniente reordenar la expresión de
Michaelis-Menten para simplificar la valoracihn de Km
y V,,,. La ecuacihn de Michaelis-Menten puede ser
invertida y factorizada como sigue:
Invirtiendo:
K [S]
[a significa
VI
Para determinar Kmy V,A, se usa
una forma lineal de La ecuación
de Michaelis-Menten
[SI - V m h [SI -Vrns!
p] SI+ [S] 2 [SI - 2
Vdx
= -
Esto expresa que cuando la concentracion del
sustrato es igual al valor de Km, la velocidad
inicial vi es semimáxima. Tambikn indica la
forma de evaluar a Km, esto es, de determinar
de manera experimental la concentracion del
sustrato donde la velocidad inicial es la mitad
de la rnhxirna.
Simplificando:
~ s t es
a la ecuación de una linea recta:
donde:
Si y, o 1/v, se grafican en función de x, o de l/[S], la
interseccion en y, b, es IIV,,, y la pendiente, a, es
K,/V,h. La interseccibn negativa en x puede ser
valorada haciendo y = O. Entonces
Esta gráfica es llamada gráfica del doble reciproco,
por ejemplo, el reclproco de v,(l lv,) se grhfica contra
el reciproco de [S] (l/[S]).
El valor dc K,, puede: ser calculado a partir de la
grhfica de Lineweawer-Burk o del doble reciproco
(figura 9-1 2) usando la pendiente y la intersección en
y o la interseccibn negativa en x. Puesto que el [S] está
expresado en rnolaridad, las dimensiones de Km
esthn en molaridad o moles por litro. La velocidad,
v,, se puede expresar en cualquier tipo de unidad,
puesto que Km es independiente de [Enzl. El
Kmpuede aproximarse a una
constante de fijación
La afinidad de una enzima por su sustrato es igual al
inverso de la constante de disociación, Kd, para el
comple.jo enzima-sustrato, EnzS.
Figura 9-12. Gráfica de Lineweaver-Burk o de/ doble
reciproco, l l v , contra [S] usado para valorar Km y Vmh
Esto es, mientras menor sea la tendencia del sustrato
y de la enzima para disociarse, mayor será la afinidad
de la enzima por el sustrato.
El valor Kmde una enzima para su sustrato puede
tratamienta por el doble recíproco requiere relativamente pocos puntos para definir Kmy es el método
más utilizado para determinarla.
De manera experimental, el uso de la grhfica de
Lineweaver-Burk para valorar Km puede dar origen a
una importancia no justificada de los datos reunidos
a concentraciones bajas del sustrata. Éste cs el caso
cuando las concentraciones del sustrato, seleccionadas
para el estiidfo, difieren por un incremento constante.
Este inconveniente puede superarse seleccionando las
concentracioncs de sustratos, cuyos reciprocos difieren por incrementos constantes.
Un enfoque alternativo a la evaluaci6n experimental de Km y V,,, es el de Eddie y Hofstee. La
ecuación de Michaelis-Menten puede reordenarse a
Para evaluar Kmy V,,,, se grafica v,l[S] (eje y) contra
v, (eje x}. Entonces la interstccidn en y es V,,,/K, y
la intersección en x es Vmk.La pendiente es -1 /Km.
Aunque la gráfica de Lineweaver-Rruk y el enfoque de Eadie-Hofstee son útiles en los ejemplos
escogidos, la determinación rigurosa de Km y V,,
rcquiere de tratamiento estadistico.
Los valores de K,, son de importancia prActica
considerable. A una concentracion de sustrato de 100
veces K,,, la enzima actuará esencialmente a velocidad mhxima y por tanto la velocidad mhxima (V,,,)
reflejara la cantidad de enzima activa presente. Por lo
general, en el análisis de enzimas esta situación es
deseable. El valor de Km indica la cantidad de sustrato
que debe usarse para medir V,,,,. Los tratamientos con
el doble reciproca también tienen aplicacihn extensa
en la cvaluacion de los inhibidorcs dc enzimas.
servir también corno una medida de su Kd. Sin embargo, para que esto sea verdadero, debe ser válida una
hipótesis incluida en la derivacidn de la expresión de
Mfchaelis-Menten. La derivación supone que el
primer paso de Izt reacción catalizada enzimáticamente
es rapido y siempre esta en equilibrio. En otras
palabras. la velocidad de dicaciacion de EnzS a Enz +
S debe ser mucho mhs rápida que su disociación a
enzima + producto.
En la expresion de Michaelis-Menten,
13
[S] que da
v,= V,8,/2 es:
[S] =
kr
+
k-1
kl
- Km
pero cuando
k-, >>
k2
entonces
kz + k-.r
k-I
En estas condiciones, 1/K, = Kd = afinidad. Si kz es
no a proximadamente igual a km,,entonces liK,
subestima la afinidad, 1 /Kd.
104
Bioquímica de Harper
La ecuación de Hill
Ciertas enzimas y otras proteinas que -jan ligandos,
como la hemoglobina, no muestran la cinética clásica
de saturación de Michaelis-Menten. Cuando [S] ce grafica contra v,, la curva de saturacibn es sigmoide (figura
9-13). Esto indica, por lo general, el enlace cooperativo del sustrato a sitios múltiples. El enlace en un sitio
afecta el enlace en otros como se describió en el
capitulo 7 para la hemoglobina.
Para la cinktica de saturacibn del sustrato sigmoide no son válidos los métodos dc evaluacibn gráficas de la concentración del sustrato que produce la
mitad de la velocidad máxima, como se describib (no se
producen rectas). Para valorar la sigmoide de Ta cinttica
de saturacibn se utiliza una representacidn gráfica de
la ecuación de Hill, que originalmente se derivó para
describir el enlace cooperativo de moléculas de oxígeno
a la hemoglobina. Escrita de manera lineal, la ecuacihn
- de Hitl es
log k'
donde k' es una constante compleja. La ecuación
afirma que cuando [S] es baja comparada con k', la
velocidad de reacción aumenta a la enésima potencia
de [S]. La figura 9-1 4 presenta una gráfica de Hill de
datos cinéticos para una enzima con cinbtica de enlace
cooperativo. Una grAfica de v,/V,,, -vi) contra log [S]
proporciona una recta con pendiente = n, donde n es
un pariirnetro empírico cuyo valor depende del
número de sitios de enlace del sustrato y del numero
y tipo de interacciones entre los sitios de enlace.
Cuando n = 1, los sitios de union achian de modo
independiente uno del otro. Si pl 1 1, los sitios son
cooperativos; y cuanto mayor sea el valor de n, tanto
Figura 9-1 3. Sigrnoide de la cinética de saturacibn.
mejor será el cooperativismo y, de este modo, será m&
"sigmoide" la cinética de saturación. Si rr < 1, se dice
que los sitios exhiben una cooperativismo negativo.
A la mitad de la velocidad máxima (v, = V,/2),
v,J(Y,,, - v,)= 1, y por tanto, log v,/(V,, - v,) = O. De
este modo, para determinar S r o (concenlracibn del
sustrato que produce la mitad de la velocidad
maxima), se traza una Ilnea perpendicular al eje de las
x desde el punto donde log v,J(V,a, - v,) = 0.
EL ANALISIS CINETICO DISTINGUE
ENTRE INHIBICIÓN COMPETlTlVA
Y NO COMPETITIVA
Aunque de manera tebtica se distinguen los inhibidores
de la actividad enzimática con base en si la inhibici~n
se anula o no por el incremento de la concentraci6n del
sustrato, numerosos inhibidores no muestran las
propiedades ideales de inhibicibn competitiva o no
competitiva puras que se describen despubs. Un criterio alternativo para la clasificación de inhibidores es
su sitio de acción. Algunos se unen a la enzima en el
mismo sitio que el sustrato (el sitio catalitico); otros
lo hacen en alguna región alejada de &te (un sitio
alostérico).
Los inhibidores competitivos típicos
se asemejan al sustrato
La inhibicibn competitiva clásica tiene lugar en el sitio
de unión del sustrato (catalitico). La estructura
qulmica de un inhibidor (1) analogo del sustrato (S)
Figura 3-14. Evaluación grafica de la ecuacibn de Hill para
determinar la concentracibn de sustratos que produce la
mitad de velocidad mhxima. Este método se emplea cuando
la curva de la cinbtica de saturacibn del sustrato es un
sigmoide
por lo general es similar a la de este. Puede, por tanto,
combinarse de manera reversible con la enzima, formando un complejo enzima-inhibidor (EnzI) en lugar
de un complejo EnzS. Cuando tanto el sustrato como
este tipo de inhibidor están presentes, compiten por
los mismos sitios de unión sobre la superficie de la
enzima. Un caso muy estudiado de inhibición competitiva es el del malonato (1) con el succinato (S) por la
succinato deshidrogenasa.
La succinato deshidrogenasa cataliza la formaci6n de fumarato mediante la remacibn de un htomo
de hidrbgeno de cada htomo de carbono alfa del
succinato (figura 9-1 5).
El malonato (DOC-CT-iz-C003 puede combinarse con la deshidrogenasa formando un complejo
EnzI. Este no puede ser deshidrogenado, puesta que
no hay manera de quitar ni siquiera un atomo de
hidrógeno del único atomo de carbono alfa del
malonato sin formar un átomo de carbono pentavalente. La única reaccion que puede experimentar el
complejo EnzI es la descomposicibn regresiva en
enzima más inhibidor.
Para la reaccibn reversible,
ki
E R A + S $ Enz + I
k-i
la constante de equilibrio Ki es:
La accibn de los inhibidores competitivos se puede
entender en tkrminos de las siguientes reacciones:
Enz + P
Enzl (inactivo)+
se fija firmemente a la enzima (K, = una cifra pequefla).
Ahora hay una cantidad escasa de enzima libre (Enz)
disponible para combinarse con S para formar EnzS y
finalmente Enz + P. Así, la velocidad de reaccibn
(formación de P) sera lenta. Por razones anhlogas, una
concentración igual de un inhibidor unido con menor
fuerza (K, = un numero mayor) no hará disminuir la
velocidad de la reaccibn de manera tan marcada.
Supbngase que a una concentración fija de 1 se
agrega más S. Esto aumenta la probabilidad de que
Enz se combine con S, en lugar de hacerlo con 1. La
proporcion de EnzS a EnzI y la velocidad de reacción
se incrementan. A una concentracibn suficientemente
elevada de S, la concentración relativa de EnzI desaparecerá. Si esto es asi, la velocidad de la reacción
catalizada sera la misma que en ausencia del inhibidor
(figura 9-1 6).
La gráfica del doble recíproco
facilita la evaluación de los inhi bidores
La figura 9-1 6 representa un caso tipico de inhibición
competitivamostrada gráficamente en la forma de una
línea de Lineweaver-Burk. La velocidad de reacción
(v,) a una concentración fija del inhibidor fue medida
a diversas concentraciones de S. Las líneas trazadas a
travds de los puntos experimentales coinciden en el
eje de las y. Puesto que la jnterseccibn en y es lIV,,,
esto dice que a una concentración infinitamente
grande de S (l/S = O), v, es la misma que en ausencia
del inhibidor. Sin embargo, la interseccibn sobre el
eje de las x (que está relacionado a Km)varia con la
concentración del inhibidor y se convierte en un
número mayor (-1 K', es mayor que -1/K,) en presencia del inhibidor. Así, un inhibidor competitivo
eleva la Km aparente (K',) para el sustrato; puesto
Enz
EnzS (activa)
-+
Enz + P
La velocidad de formacibn del producto depende sOIo
de la concentracibn de EnzS. Sup6ngase que el inhibidor
H
I
H -C -COO
1
-0012C-H
-
- 2H
--OOC-C-H
Succinato
H- C-COOII
Fumarato
Figura 9-1 5. Reaeeibn del suminato deshidrogenasa.
Figura 9-16. GrAfica de Lineweaver-Burk de la inhibicidn
cornpetiwa c l h s k . O b s é ~ e s ela liberacibn de la inhibición a
concentración alta [S] (1I[S] baja).
106
nioquim ica de Har-p~r
Km es la concentración del sustraío a la cual la
concentraci6n de enzima libre es igual a la concentración de enzima como EnzS, una cantidad sustancial
de enzima libre estd disponible para combinarse con
el inhibidor. Para la inhibicion competitiva simple, la
intersección sobre el eje de las x es:
que
El valor de Kmpuede ser evaluado en ausencia de 1, y
K, también puede serlo usando Ia ecuación anterior.
Si el nbmero de moles de 1 agregado es mucho mayor
que el numero de moles de enzima presente [1] puede
ser generalmente tomado como la concentracián agregada (conocida) der in hi bidor.
Los valores de K,, para una serie de inhibidores
análogos al susirato (competitivos), indican cuales
son los mas eficaces. A una concentración baja, con
los valores más bajos dc K, produciran el mayor grado
de inhibición. Muchos medicamentos eficaces en
clíiiica actúan corno inhibidores competitivos de actividades enzimkticas importantes en las células microbianas y animales,
Los inhibidores no competitivos
reversibles reducen Vmax pero no
afectan a K m
En la inhibicibn no competitiva no hay competencia
entre S e 1. Usualmente el inhibidor no muestra analogía
estructural con S o esta es muy escasa y puede asumirse que se une a un espacio diferente en la enzima. Los
inhibidores reversibles no competitivos disminuyen la
velocidad rnfixima alcanzable con una cantidad dada
de enzima (reducen V,,) pero por lo general no
afectan a K,,. Puesto que S e I se pueden combinar en
diferentes sitios es posibje la formacibn d e complejos
En21 y EnzIS. Ya que EnzlS puede descompanerse
para formar el producto a una velocidad menor que la
de EnzS, la reaccihn puede retrasarse pero no impedirse Es posible que se presenten las siguientes
reacciones de competencia:
Si S tiene igual afinidad par Enz y por En21 (1no afecta
la afinidad de Enz por S), los resultados que se mues-
tran en la figura 9-1 7 son los que se obtienen cuando
l l v , es graficado contra 1 /[S], en presencia y en ausencia de inhibidor. Se supone que no ha habido ninguna
alteracion importante en la conformacibn del sitio
activo cuando está unido 1.
Inhibidores irreversibles "envenenan"
a las enzimas
Unagran variedad de "venenos'knzimáticos tales como
la yodoacetarnida, los iones de metales pesados (Ag',
1-Ig2'), agentes oxidantes, etcétera, reducen la actividad
enzimhtica. Puesto que estos inhibidores no tienen
semejanza estructural con el sustrato, un incremento
en la concentración de éste, en general, es ineficaz para
suprimir esta inhibicr~n.Sin embargo, la presencia de
uno o más sustratos o productos pueden proteger a la
enzima contra la inactivacion. Un análisis cinetico del
tipo anteriormente tratado puede no distinguir entre
venenos enzirnáticos e inhibidores no competitivos
reversibles verdaderos. La inhibicidn reversible no
competitiva cs, en todo caso, rara. Por desgracia, esto
no se aprecia siempre, ya que tanto la inhibicihn no competitiva reversible, como la irreversible, muestran
cinética serne.jantc.
La mayoría de las reacciones
implica a dos o mas sustratos
Ida exposición anterior de las reacciones enzimhlicas
catalizadas considera 3610 las reacciones que involucran sustratos y productos únicos. Sin embargo, la
mayoria de las reacciones bioquímicas implican dos
o más sustratos y productos. Aunque el análisis detallado de la cinCtíca de los mecanismos de las reacciones
de rnultisustrato esta m& allá dcl asunto de este capítulo,
a continuación se comentan las reacciones de dos
sustratos y de dos productos, denominadas "Bi Bi".
Figura 9-17. Gráfica de Lineweaver-Burk para inhibición
reversible no competitiva.
Términos especiales describen
las reacciones enzimáticas complejas
Los siguientes términos convencionalec se emplean
pasa caracterizar reacciones compIe,jas catalizadas por
enzirnas. Idossustratos se denominan A. B, C y D de
acuerdo al orden en que se agregan a la enzima. Dc
igual manera. los productos se designan P, Q, R y S
de acuerdo al o r d ~ nen que se separan de la enzima.
Los diferentes tipos de la enzima se denominan E, F
y G, en las cuales la E corresponde a la enzima libre.
y Cuater (4)
Los términos Uni ( 1 ), Bi ( 2 ) , Ter (3,
denotan el número de reactantes y productos. Aun cuando
muchas reacciones catalizadas por enzimas involucran mis reactantes y productos (por e.jernplo, reacciones Bi Ter), aquí sblo se consideran las reacciones
Bi Bi, es decir, aquellas que tienen dos sustraios y dos
productos.
Reacciones en secuencia
o de desplazamiento unico
En las reaccioncs en secuencia todos los sustratos
deben combinarse con la enzima antes de liberar
cualquier producto. Estas tambikn se denominan reacciones de desplazamiento unico porque el grupo sujeto a transferencia (G) se pasa directamente desde el
sustrato donador A-G al sustrato aceptor B.
Dependiendo del modo en el cual los sustratos se
agregan a la enzima, se distingue entre reacciones en
orden aleatorio y reacciones en orden compulsorio.
En las primeras, cualquier sustrato puede agregarse
primero para formar ya sea E-A o E-8, mientras que
en las segundas solo A puede reaccionar con E, en
tanto que B reacciona c61o con el complejo E-A
(figura 9-1 8). Una explicación para un orden compulsorio en la adicibn de sustratos es que agregar A
induce un cambio en la conformación que alinea
residuos escnciales para el enlace de B.
Reacciones en ping pong
El tkrmino ping pong se aplica a mecanismos en los
cuales uno o más productos se desprenden de la
enzima antes de la adicibn de todos los sustratos. Las
reacciones Bi Ri ping-pong son reacciones de doble
desplazamiento porque el grupo sujeto a transferencia ( G ) primero es desplazado de A 4 por E y a
continuación de E-G por B, con formación del producto Q-G.
t o s datos cineticos sirven para
distinguir los tipos de mecanismos
Los datos sobre el estado de reposo cinbtico y las
ecuaciones apropiadas respecto a la velocidad se utili-
E
EA
P
E
t
EAB-EPQ
EA-FP
t
E
a
B
F
t
EQ
FB-EQ
t
E
Figura 9-18. Reprecentaci6n de tres clases de mecanismos
de reacuones Bi Bi Las líneas representan la enzima y las
flechas la adición de sustrato y desprendimiento de productos Arriba: Un mecanismo Bi 61ordenado, característico de
muchas oxidorreductasas dependientes de NAD(P) Centro:
Una reacción BI Bi aleatoria, típica de algunas deshidrogenasas y cinasas. Abajo: Una reacción de ping pong, propia
de l a s arninotransferasas (transaminasas) y de la
quimiotripsina
zan para distinguir entre diferentes mecanismos. Aunque Ios t&rminocen estas ecuaciones cinéticas son m&
numerosos, son análogos a los de la ecuación de
sustrato único de Michaelis-Menten; incluyen: 1) V,,,
velocidad de reacción media cuando están presentes
tanto A como B en concentraciones saturadas; 2) las
concentraciones de A y B que dan como resultado la
mitad de la velocidad m k i r n a cuando el otro sustrato
esth presente en concentracion saturada, y 3 ) las constantes de disociación para el desprendimiento de A y
B de la enzima.
Las gráficas de doble reciproco
diferencian entre los mecanismos
ping pong y los secuenciales
Para distinguir entre diversos tipos de mecanismos, se
mide la dependencia de la velocidad inicial en la
concentracihn del sustrato A en varias series de concentraciones diferentes (pero constantes) del sustrato
B. Los datos se obtienen ahora considerando B coma
el sustrato variable y A como el sustrato constante. Los
patrones de las lineas cuando 10s datos se representan
mediante grhficas del doble recíproco muestran el tipo
de mecanismo. Por ejemplo, las lineas paralelas indican un mecanismo Bi Bi ping pong, y las lintas que
se intersectan en el cuadrante negativo, un mecanismo
Bi Bi ordenado.
108
Bioquímica de Harper
Los estudios sobre inhibición de producto se utilizan para completar estos anhlisis cintticos y para
distinguir entre mecanismos Bi Bi ordenados y Bi Bi
aleatorios. Por qjemplo, en una reacción Bi Bi de
equilibrio m i d o , cualquier producto es un inhibidor
competitivo de A con [B] constante y de B con [A]
constante. 1,os patrones mfis complejos de inhibiciOn
de las reacciones B i Bi ordenadas involucran patrones de
inhibición tanto competitivos como mixtos, dependiendo del producto que se estudie, de3 sustrato que
varia y del que permanece constante.
RESUMEN
La temperatura, el pH, la concentración enzimática y
de sustrato y los inhibidores alteran las velocidades de
las reacciones catalizadas por entimas, con importantes implicaciones en la salud y la enfermedad. Las
enzimas alteran las velocidades de reaccidn por medio
de: 1) abatir la energía de activacidn para formar
estados de transición, 2) servir como plantillas para
incrementar las concentraciones tocales de sustrato y
3) proporcionar aminoicidos cuyos grupos funcionales cumplan con funciones especificas en la catiilisis.
Aunque las enzimas modifican de manera profunda
las velocidades de las reacciones, no afectan las constantes de equilibrio ni los cambios globales en la
energía libre de esas reacciones. La catAlisis enzimática
comprende estados de trancicibn de menor energía que
los correspondientes en reacciones no catalizadas. De
este modo, disminuye la barrera energetica para la
reacci6n.
La fíjaci6n y catalisis del sustrato se produce en
el sitio activo (catalitico), región tridimensional de
una enxima que, además de residuos de aminoacidos,
puede contener coenzimas o iones metálicos. Los
sitios activos con frecuencia radican en hendiduras en
las enzimas o en la interfase entre subunidades de
enzimas multimericas. Cuando los sustratos se aproximan, los sitios cataliticos experimentan cambios de
conformación que pueden propagarse mhs allá del
sitio catalitico (recukrdese la fijaci6n de 01a la hemoglobina). Estos cambios de conformaci6n inducidos
por el sustrato pueden crear bolsas para su retenci6n
y alinear residuos clave para la catálisis.
Cuando la temperahira de una enzima se eleva, la
velocidad de reaccion aumenta, pero sblo hasta que el
nivel de la energia cinetica de la enzima excede a la
de rotura de las ddbiles fuerzas no covalentes que
mantienen su estructura secundaria y terciaria nativa. En
este punto, la actividad decrece en forma precipitada.
Cambios de temperatura mAs moderados también
afectan la velocidad de reacciones catalizadas por
enzimas in vivo, aunque a un grado estrictamente
limitado en organismos homotérmicos, como el ser
humano.
Los cambios moderados del pH (es decir, en Ia
regibn de pH 5 a 9) afectan la actividad enzimktica al
alterar la carga de grupos R bcidos o bhsicos dkbites
de los arninoácidos que actúan en la caaisis, fijación de
sustrato o conformaci6n del sitio catalltico. Las
variaciones de pH t a m b i h pueden alterar la carga
elkctrica de los sustratos. Por tanto, las enzimas tienen
valores de pH a los cuales muestran actividad 6ptima
(pI-l óptimo). Los extremos de pH desnaturalizan las
enzimas al protonizar o desprotonizar residuos de
arninoácidos acidicos o alcalinos, de modo que ya no
pueden formar los enlaces salinos que conservan la
estructura secundaria y terciaria de la enzima.
En casi todas las situaciones de ínter&s fisio16gic0, la concentraci6n molar de una enzima [E] es de
un orden de magnitud menorque laconcentración molar
de su sustrato [S]. Dado que se dispone de abundante
sustrato para reaccionar con la enzima libre, cualquier
incremento o decremento en la concentración de la
enzima va acornpaflado de un aumento o disminucidn
en la velocidad de reacción. Sin embargo, los cambios en
la concentraci6n del sustrato [S] afectan la velocidad
de reacción sbIo cuando alrededor hay suficiente
enzima libre para reaccionar. Cuando toda la enzima
está unida como complejo EnzS (condiciones de
V,,,), incrementos mayores de [S] ya no aumentan la
velocidad de la reaccihn. Ida ecuacidn de MichaelisMenten describe los efectos de la concentracihn del
sustrato sobre la actividad de numerosas enzimas. La
constante de Michaelis (Km)es la concentracihn de
sustrato que produce la mitad de lavelocidad de reaccibn
mhxima (V,,,/2; la mitad de la enzima se encuentra
como EnzS). Los valores de Km tienen dimensiones
de molaridad y se determinan mediante grhficas. Para
una gráfica de doble recipraco de 1 /v, contra I/[S], la
intercepcidn en el eje horizontal es - 1 K y en el eje de
Ins y es lIV,,,. El efecto de [S] sobre las velocidades
de reacciones catalizadas por enzimas alostkricas es descritopor laecuacibn de Hill. Lamayoriade las reacciones
c a t a l i d a s por enzimas implican dos o más sustratos o
productos. Los criterios para establecer las diferentes
clases de reacciones Bi Bi (reacciones que involucran
dos sustratos y dos productos) son si el sustrato se
enlaza en secuencia o al azar y si el producto se libera
antes de que se una la totalidad del sustrato (reacciones
ping p o n d .
Los anhlogos de sustrato que se unen de manera
reversible al sitio catalitico y actúan como inhibfdores
competitivos de las enzima, incluyen muchos f h a cos de valor en medicina. La mayoria de los compuestos
quimicos con poca o nula semejanza estructural con
sustratos y que se unen al sitio catalitico o a algún otro,
actúan como inhibidores no competitivos de la actividad
enzimhtica. De manera breve, los inhibidores competitivos decrecen la Km,pero no tienen efecto sobre
Vmb,en tanto que los inhibidores no competitivos
decrecen V
, sin afectar a Km.Estos inhibidores pueden
distinguirse por la medicion de la actividad enzimática
a varias concentraciones de sustrato en presencia o
ausencia del inhibidor. Luego, los dos conjuntos de
datos se grafican como l/v,, contra lI[S]. En la inhibicibn competitiva clfisica, las dos líneas se intersec-
-
tan en el eje y (es decir, V,,, no cambia), pero la
intercepcibn (-IJK,) disminuye por la presencia de
inhibidor (es decir, en apariencia Kmha disminuido).
En la inhibicidn no competitiva, la intercepción en y
(l/V,,) aumenta en presencia del inhibidor (es decir,
V,b disminuye), pero la intercepcibn en x no se
modifica. I
-
REFERENCIAS
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Freeman RB, Hawkins HC (editors): The Enzymolo~).'of
Postiramlational ModEjicatinn ofProieins. Academic
Press, 1985
Lawrence CM, Rodwell VW, Stauffacher CV: Crystal
smicturc of Pseudomonas mevalnnii HMG-COArductaqe at 3.0 angstrom resolution. Science 1995368 1758.
Suckling CJ: Eníyme Chemzstv Chapman & Hall, 1990.
Syrnons RH: Small catalytic RNAs. Annu Rcv Biochem
1992,61:641.
Walsh CT: Suicide substrates, rnechanism4ased enzyme
inactivators: Recent developments. Annu Rev Biochem 1984;53:493.
Vtase tambikn las referencias del capitula T.
Enzimas: mecanismos de acción
Victor W. Rodwell, PhD
INTRODUCCION
Los mecanismos de la catAlisis enzimática reflejan
muy de cerca 10s mecanismos de las reacciones químicas.
Sin embargo, en contraste con la catálisis inorgánica
o la orgánica más sencilla, las enzimas muestran un
orden en extremo alto de especificidad al sustrato y
una enorme eficiencia catalítica; esto es consecuencia
del prolongado desarrollo evolutivo de sitios adaptados a la perfección pasa la cathlisis rripida y selectiva
de reacciones individuales.
Los caminos o vías por los cuales las enzimas
convierten los sustratos en productos involucran una
sucesión de intermediarios, mas que uno solo entre la
enzima y el sustrato. El propósito final de los estudios
de estos mecanismos es entender, a nivel molecular.
por qud las cnzimas son catalizadores eficientes y
específicos. Este objetivo todavía lejos de alcanzarse,
requiere de: la identificacion de la etapa o fase limitante
de la velocidad en la reaccibn global; la caracterización de todos Tos intermediarias enlamdos en la enzima; la
identificación de los iones metálicos o grupos funcionales en los residuos de aminohcidos, coenzimas o
grupos prosteticos que participan en el enlace de sustratos, productos e intermediarios en el sitio activo; y, de
ellos, identificación del participante directo en la
cathlisis. Por anaIogia con el estudio de los intcrmediarios en las vías del metabolismo intermedio, el de los
intermediarios enlazados a las enzimas que se forman
durante la cathlisis, se denomina con toda propiedad
"enzimología intermediaria". En este capitulo los
principales comportamientos de la catálisis enzimática
se ejemplifican Gon la enzima quimotripsina, una proteína comparativamente sencilla que no contiene
coenzimas, grupos prostéticos ni iones metAl3cos.
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
Los fenbmenos moleculares que acompafian la conversibn de sustratos a productos constituyen el tema
del mecanismo de acción enzimática. Estos estudios
conducen a un enfoque racional para la terapéutica y
la preparaciiin de medicamentos - á r e a s dc gran potencial de desarrollo en un futuro inmediato. La informacihn estructural de alta resolucion obtenida por
cristalografía con rayos X, combinada con la información mecanicista, facilita ahora la preparación de farmacos que inhiben enzimas especlf'ícas como
H M G X o A reductasa, la enzima limitante de la velocidad en la biosíntesis del ~olesterol.Asimismo, los
estudios de los mecanismos sugieren ciimo puede
usarsc la tecnologia del DNA recombinante y la mutagenesis dirigida a un sitio, con el fin de modificar la
especificidad enzimática o la eficiencia catalítica. En
ultimo caso, estas técnicas facilitarán el diseflo y la
introducción en seres humanos de enzimas con las
propiedades especificas deseadas.
LA "ENZIMOLOG~AINTERMEDIARIA"
DE LA QUHMOTRIPSINA MUESTRA
LAS C A R A C T E R ~ T I C A SGENERALES
DE LA CATÁLISIS ENZIMATICA
La quimotripsina cataliza la hidrolisis de los enlaces
peptidices en los que el grupo carboxilo es cedido por
un aminohcido aromático (Fen, Tir, o Tri) o por uno
con un grupo R voluminoso no polar (Met). Igual que
muchas otras proteasas, la quimotripsina cataliza también la hidrólisis de ciertos ésteres. Aunque la
propiedad de la quirnotipsinapara catalizar la hidriilisis
de ésteres no tiene importancia fisiolbgica, si facilita
el estudio del mecanismo catalitico.
1
O
D
e-5
Z
Fase de
equilibrio
, Fase de "estallido'
Flgura 10-1. pNttrofenilacetato (PNPA)
Tiempo (mseg)
El sustrato sintttico p-nitrofenilacetato (figura
10-1) facilita el análisis colorimétrico de la actividad
de la quimotripsina, debido a que su hidrólisis libera
p-nitrofenol. En un medio alcalino, Cste se convierte
en el anión amarillo p-nitrofenilato.
LA CINÉTICA DE FLUJO
INTERRUMPIDO REVELA
LA "ENZIMOLOG~AINTERMEDIARIA"
DE LA QUlMOTRlPSlNA
La cinética de la hidrólisis del p-nitrofenilacetato por la
quimotripsina puede estudiarse en un aparato de
"flujo interrumpido". Estos experimentos utilizan
cantidades equivalentes de sustrato (mas o menos cantidades equimolares de enzima y sustrato) y ponderan
los fenómenos que tienen lugar en los primeros
milisegundos desputs de hacer la mezcla. EI aparato
tiene dos jeringas: una para la quimotripsina y la otra
para el p-nitrofenilacetato. La mezcla instantanea de
la enzima y el sustrato se logra con un dispositivo
mecanice que expele con rapidez y de manera
simulthnea, el contenido de ambas jeringas en un tubo
angosto que pasa a cravts de un espectrofot6metro. La
densidad 6ptica como función del tiempo despuds de
la mezcla, se registra en un tubo de rayos catbdicos.
La liberación del anión p-nitrofenilato
es bifasica
La liberacihn del anión p-nitrofenilato tiene lugar en
dos fases distintas (figura 10-2): 1) una fase de "esta-
CT + PNPA
Figura 10-2. CinBtica de liberación del anión p-nrtrofenilato
cuando la quimotripsina hidroliza al p-nitrofenrlacetato en un
aparato de flujo interrumpido. En esta grfifica, el "fenol liberado" se calwfb a partir de la densidad bptica del anión
p-nitrofenilato.
Ilido", caracterizada por el desprendimiento mhs
rApido del anión p-nitrofenilato y 2) una liberaci6n
mhs lenta, subsiguiente, del mismo. El carhcter
bifhico de la liberacibn del anión p-nitrofeniEato se
comprende en tkrminos de los pasos sucesivos de la
catdlisis mostrados en la figura 10-3.
La etapa lenta es la hidrólisis
del complejo quimotripsina-acetato
(CF-Ac)
Una vez que toda la quimocsipsina disponible forma
parte del complejo CT-Ac, ya no puede haber más
desprendimiento dep-nitrofenilato hasta que se libera
quirnotripsina mediante la remocibn hidrolitica lenta
del ani6n acetato procedente del complejo CT-AC
(figura 10-3). La fase de "estallido" (figura 10-2)
corresponde a la conversion de toda la quimotripsina
libre disponible en el complejo CT-Ac, con liberaci6n
simultánea del ani6n p-nitrofenilato. El p-nitrofenilato
(feno[PNPA del ingl~s~p-nifropknylafe)
~
+despds~
de la fase de "estallido" es consecuencia de la formación lenta de quimotripsina libre por hidrbtisis del cornplejo CT-Ac. Esta quimotripsina libre queda entonces
disponible para la formación posterior de complejos
~
- tCT-&
ucT
CT-PNPA
Rapida
RBpida
Lenta
Flgura 1 0 3 . Pasos intermedios en la cathlicis de la hidrblisis del p-nitrofenifacetato por la quimotripsina (CT, quirnotripsina,
PNPA,p-nitrofenilacetato; CT-PNPA,complejo quimotripcina-pnitrofenilacetata;CT-Ac, complejo quimotripsina-acetato;fenol,
anrbn pnitrofenilato, A F , anibn acetato.) La formación de los complejos CT-PNPA y CT-Ac es rápida en relacibn a la hidrblisis
del complejo CT-Ac.
Enzirnas: mecanismos de acci&
CT-PNPA y CT-Ac con iiberacibn concurrente del
PNPA. En realidad, la magnitud de la fase de "estallido'' (es decir, los moles dep-nitrofenilato liberados)
es directamente proporcional al número de moles de
quimotripsina presentes inicialmente.
La señina 195 tiene una funcibn
clave en la catálisis
El grupo acil del intermediario acil-CT está enlaza'do
a un residuo seril altamente reactivo -serina 195de la quimotripsina. La elevada reactividad de la Ser
195 se demuestran por su capacidad (aunque no por la
de los 27 residuos seril restantes de la quimotripsina)
para reaccionar con el diisopropilfosfofluorjdato
( D 1 P F , d e 1 in g Id S, diisopropylphosphoJuuridate)
(figura 10-4). Reacciones análogas tienen lugar con
otras proteasas de serina.
La fomacihn de derivados de la Ser 195 inactiva
a la quimotripsina. Muchas otras proteasas son inactivadas por el DiPF mediante un mecanismo analogo.
Estas se conocen como "serina proteasas".
Un sistema relevador de carga
funciona como una lanzadera de
protones durante la catá!isis
Este proceso utiliza tres residuos aminoacil que están
bastante separados respecto a su estructura primaria,
aunque a distancia suficiente para formar enlaces entre
si, en el sentido de la estructura terciaria. Estos
residuos son Asp 102, His 57 y Ser 195. Aunque la
mayoría de los residuos cargados de la quimotripsina
estan en la superficie de la molkcula, los que pertenecen n la "lanzadera" estan "enterrados" en el interior
no polar de la mol~cula.Los tres residuos se encuentm
alineados en e! orden Asp 102-His 57-Ser 195.
Recuérdese que Ser 195 es el residuo acilado
durante la catalisis por quirnotripsina. La aproximacibn
del ani6n acetato (derivado del pnitrofenilacetato) al
Btomo de oxígeno del grupo R de la Ser 195 desencadena el desplazamiento secuencia! de protones que se
mueven como "lanzadera" de Ser 195 a travhs de His
57 a Asp 102 (figura 10-5).
'f
. Ol
Enz-CH,OH+
F-P=O
4
A
DIPF
S"'
' Sus- (es decir. Ac-)
His
-C-O-H-
- .N
1 13
N-H
O-
A
Ser
Figura 10-5. Operacibn de la lanzadera de protones de la
quimotripsina durante la acilacibn de Ser 195 por el sustrate
(Sus3
Durante la desacilacion del intermediario acil-Ser
195, los protones se mueveii en direccidn contraria.
Se cree que una serie análoga de desplazamiento de
protones acompaña la hidrblisis de un sustrato fisio16gico de la quimotripsina, como la es un pCptido.
Al igual que muchas proteasas, la quimotripsina
se libera desde los ribosomas como precursor de la
enzima sin actividad catalitica denominado preenzima o
cirnógeno. Tal como se explicara en el capitulo 1 1, la
conversibn de la preenzima quimotripsinbgeno en
la enzima activa quimotripsina implica una serie de
fenomenos proteoliticos selectivos cuyo resultado final es la formación del sitio activo y el alineamiento del
sistema relevador de carga responsable de la catálisis.
Catálisis mediante
fructssa-2,6-bifosfatasa
La fructosa-2,6-bifosfatasa es una fosfohidrolasa
(capitulo 21) que cataliza la remocibn mediante
hidrdlisis del fosfato del carbono 2 de la fructosa2,6-bifosfato. La figura 10-6 muestra la funcibn de
siete residuos de sitios activos en la catilisis efectuada
por esta fosfohidrolasa. Igual que en la catálisis que
producen las proteasas de serina, ésta implica una
"triada catalitica", aunque una parte de ella consta de
dos His y un residuo Glu. También se muestra la
estabilizacibn por residuos de Arg y Lis con carga
positiva, de la fuerte carga negativa del sustrato.
Y
o
Enz-CH,-O-P=O
I
I
A
Figura 1 0 4 . Reaccibn del hidroxilo primario de la Ser 195
de quimotripsina con el diisopropilfosfofluoridato (DIPF).
LAS COENZIMAS PARTICIPAN
DIRECTAMENTE EN LA
CATALISIS ENZIMÁTICA
La participación directa de las coenzimas para las
enzimas conocidas como arninotransferasas, o, con
mayor frecuencia, como transaminasas se explican en
transaminacas implica los mecanismos de ping pong
que se expusieron en el capitulo 9, con liberacion de
un producto antes de agregar el segundo sustrato
(figura 10-7).
E-P Fru-6-P
E Fru-2,6-P,
Arg
307
His
392
*rg 257
HIS asa
E-P H,O
EmP,
Catálisis por fructosa-2,6-bifosfatasa. (1) La
mrga negativa cuádruple del sustrato unido se estabiltza por
las interacciones d e carga a carga con brg 257. Arg 307, Arg
352 y LIS 356. Uno d e los integrantes de la trfada catalitica,
Glu 327, estabiliza la carga positiva d e His 392 (2) La
nucleofilica His 392 ataca al carbono 2 del grupo fosforilo, y
transfiere el fosfato a His 258 con formación d e un fosfate
intermedio Se desprende fructosa 6-fosfato d e la enzima
(3) Un segundo ataque nucleofilico por una rnol&culade
agua. posiblemente asistida por Glu 327 que actua como
base, forma fosfato inorgánico. (4) Se desprende ortofosfato
inorg8nim desde Arg 257 y Arg 307 (Reproducida con
autorizaci6n de Pilkic SJ et al ,6-Phosphofructo-2-kinaselfrucose-2,6-bisphosphatase. A rnetabotic signaling enzyrne
Annu Rev Biochem 1995,64:799 )
Figura 1 0 4 .
seguida. Las transaminasas catalizan el intercambio
de grupos alfa amino de los aminoacidos por grupos
alfa 0x0 de los alfa oxoacidos del piruvato, oxnlacetato
o aIh cetoglutarata; estas reacciones son fundamentales
para la biosintesis y el catabolismo de los aminoácidos
(capitulas 30 y 3 1). Lo mismo que muchas reacciones que
requieren coenzimas, la catálisis por medio de las
E-cHo
dcH0-E
'
A I ~
LOS RESIDUOS EN EL SITIO
CATAL~TICOPUEDEN ACTUAR
COMO CATALIZADORES
~ci~oaÁsicos
Una vez que el sustrato se ha unido al sitio catalítice,
los grupos funcionales cargados {o con posibilidad de
tener carga) de las cadenas laterales de residuos aminoacil cercanos, pueden participar en la catálisis al
funcionar como catalizadores Acidos o bhsicos,
Existen dos amplias categorías de catllisis acidobásica efectuada por enzimas: la catálisis Acida (o
blsica) general y especifica. Por otro lado, aunque las
reacciones cuyas velocidades varían en respuesta a los
cambios en la concentraci6n de M' o II3O1son independientes de las concentraciones de otros hcidos o bases
presentes en la soluci6n, se dice que están Sujetas a
catálisis ácida específica o bhsica especifica. Por su
parte, se dice que las reacciones con velocidades sensibles a todos los ácidos (donadores de protones) o a
todas las bases (aceptores de protones}en Ia solucibn,astán
sujetas a catálisis hcida general o básica general.
Las variaciones del pH y de las
concentraciones de amortiguador
establece la diferencia entre
catálisis acidobásica general
y la especifica
Si la velocidad de la reacci6n cambia como una función
del pH a concentracion constante de amortiguador, se
dice que es catálisis básica específica (cuando el pH
es superior a 7) o catalisisiicida específica (con pH menor
a7). Si seeleva lavelocidad de lareacci6n apH constante
con los incrementos en la concentración del amortiguador, sediceque esthsujetaa catálisis bhsica general
(cuando el pH es mayor de 7) o cathIisis hcida general (con pH inferior a 7).
N,
/CHzNHaLE-CH2~H2
\
Pir
-E
\
KG
E-cHo
\
Giu
Figura 10-7. Mecanismode ping pong de la transaminacibn. E-CHO y E-CH2NH2 representan los complejosenzima-fosfato
de piridoxal y enzima-focfato de piridoxamina. respectwamente. (Ala, alanina; Pir. piruvato; KG, alfa-cetoglutarato, Glu,
glutamato.)
Como ejemplo de catálisis ácida especifica, considérese la conversihn de un sustrato (S) a un producto
(P). El proceso tiene dos pasos, una transferencia de
protones rápida y reversible,
seguida por un pasa más lento y, por tanto, determinante de la velocidad, de reordenamiento del sustrato
protonado a producto:
El aumento de la concentracibn del ion hidronio
[ H d 3 + jincrementa la velocidad de la reacción aI elevar la concentraci6n de SH', el acido conjugado del
sustrato. que es a su vez el sustrato para el paso
determinante de la velocidad en la reacción global.
Expresado de manera matemhtica,
Velocidad
=
dlpl
dt
=
WH 7
donde P = producto, t = tiempo, k = constante
especifica de la velocidad y [SH '1 = concentracion del
acido conjugado del sustrato.
Dado que la concentraci~nde SH' depende de las
concentraciones de S y de &O', la expresibn general
de la velocidad para las reacciones catalizadas ácido
especificas es:
Nótese que un requisito de la catálisis hcida especifica
es que la expresión de la velocidad contenga $610
términos para S y para h O + .
Ademas, considbese que, en adicibn a la catlilisis
ácida especifica descrita antes, hay también catalisis por
el ian irnidazolio de un amortiguador imidazblico.
Puesto que el imidazol es un ácido débil (pK, aproximadamente 7), es un donador de protones malo; por
eso la reacción
es lenta y determina la velocidad para la reacción
global. Nótese que el paso rhpido y el lento estan
invertidos cuando el mecanismo cambia de catfilisis
Bcida especifica a general. Las expresiones de velocidad para la cathlisis hcida general con frecuencia son
complejas por lo cual no se describen aquí.
LA MUTAGENESIS DlRlGlDA
A UN SITIO PROPORClONA
NUEVAS PERSPECTIVAS
Las técnicas de la biologia molecular proporcionan
herramientas poderosas para la investigacion del me-
canismo de accibn de las enzimas. Destaca entre ellas
la posibilidad de alterar a voluntad Ia secuencia de
bases de nucleótidos de los genes y expresar las proteínas en huespedes unicelulases como células de
mamíferos cultivadas o la bacteria EScherichia col[
En combinaci6n con estudios de la estmctura tridirnensional en solución por cristalografía con rayos X
'y con investigaciones cinkticas clasicas, estas tdcnicas
moleculares proporcionan nuevas perspectivas sobre
los mecanismos de accibn de las enzirnas.
Cuando los datos físicos y cinhticos indican que
un residuo aminoacídico dado desempefia una funcibn
especifica en la catiilisis (es decir, que sirve como una
base general o como un reactivo de transferencia de
grupo), la posibilidad puede ser respaldada mediante
el cambio del aminoacido por otro incapaz de ejecutar
Ia funcián postulada. En algunos casos, esto puede
lograrse con la modificaci6n química de la enzima.
Sin embargo, un enfoque mhs general consiste en
emplear la mutagenesis dirigida a un sitio para modificar el gen que codifica la enzima, luego expresarlo y
caracterizar la enzima mutante. Por la alteración de la
secuencia de bases de un codón especifico, la mutagknesic dirigida a un sitio, puede reemplazar un
aminoácido dado por cualquier aminohcido proteínico
deseado. Asimismo, la mutagénesis dirigida a un sitio
puede producir numerosas mutantes en un punto. Un
oligonuclebtido corto (es decir, un mer-F 9) que codifica un aminohcido mutante, generado por síntesis
automatizada, es templado in vjtro al gen original
aislado. Luego se produce un gen mutante por adición
de DNA polisomerasa, DNA ligasa y trifosfatos de
ribonucle6tidos. A continuación, ese gen se traslada a
un vector para expresion detrfis de un promotor potente, se expresa y la enzima mutante que se obtiene
es purificada para examinar SLIS propiedades.
LOS IONES METALICOS PUEDEN
FACILITAR LA FIJACIÓN
Y LA CATÁLISIS DEL SUSTRATO
Mfis de 25% de las e n z i m a contienen iones metálicos
firmemente unidos o los necesitan para su actividad.
Las funciones de éstos se estudia por medio de la
cristalografía con rayos X, e imágenes de resonancia
rnagnktica (IRM), y resonancia del spin del electrón
(RSE). Junto con el conocimiento de la formación y
[a degradaci~nde los complejos metAlicos y de las
reacciones dentro de las esferas de coerdinacion de los
iones methlicos, proporcionan una perspectiva de sus funciones en la cathlisis enzimática, las cuales se considerarAn más tarde.
Las rnetaloenzimas contienen una cantidad definida de un ion methlico funcional que es retenido
116
e
Binguímicade Harper
(Capíf u10 J O)
durante !a purificación. Las enzimas activadas por
metales se unen con &.tos de manera menos firme,
pero los necesitan para ser activas. Por tanto, la distinci6n entre rnetaloenzimas y enzimas activadas por
metal radica en la afinidad de una enzima particular
por su ion metálico. Los mecanismos que emplean los
iones metAlicos para desempefiar sus funciones parecen ser semejantes en las metaloenzimas y en las
enzirnas activadas por metal.
En la catálisis funcionan complejos
ternarios con metales
Para los complejos temario5 (de tres componentes) del
sitio catalítico (Enz), un ion metálico (M) y el sustrato
(S) que presentan estequiometría 1 : 1 : 1, son posibles
cuatro disposiciones:
Complejo con puente
de sustrato
Complejo con puente
methtico en la piruvatocinasa mantiene un sustrato
(ATP) en su lugar y lo activa.
ATP
Piruvatocinasa-
\
Creatlna
B. Complejos cuyo puente
es el sustrato (EnaSAfJ
Al parecer, la fomaci6n de complejos ternarios de
trifosfatos de nucleósido y enzima, metal y sustrato
con puentes de sustrato, se atribuye al desplazamiento
del HzO desde la esfera de coordinacibn del metal por
el ATP:
A T P ~+' M ( H ~ o ) ~ ~ATP'
M ( H ~ O )+~3H20
~'
enzimatico
Las enzimas entonces se enlazan, formando el complejo ternario:
Complejo can puente
metálico cíclico
Complejo con puente
metálico simple
Para las enzimas activadas por metal, las cuatro disposiciones son posibles, mientras que las rnetaloenzimas no pueden formar el complejo EnzSM, debido a
que retienen al metal a travds de la purificacidn (es
decir, ya son un complejo BnzM). Pueden enunciarse
tres generalizaciones: 1) la mayoria, pero no todas las
cinasas (ATP:fosfotransferasas) forman complejos
con puente de sustrato del tip Enz-nuclebtido-M. 2) Las
fosfotransferasas, que utilimn pinivato o fosfoenolpiruvato como sustrato, las enzimas que catalimn otras
reacciones del fosfoenolpiruvato y las carboxilasas,
forman complejos con puente rnethlico. 3) Una
enzima dada puede formar un tipo de puente en el
complejo con un sustrato y uno de tipo diferente con
otro.
A. Complejos con puente enzimáfico
(MEnzS)
Se presume que los metales en los complejos con
puente enzimático tienen funciones estructurales en el
mantenimiento de la conformacibn activa (por ejemplo,
la glutamina sintetasa) o forman un puente metiilico
hacia el sustrato (por ejemplo, la piruvatocinasa).
Ademhs de su función estructural, se cree que el ion
En las reacciones de las fosfotransferasas, los iones
met8licos se consideran como activadores de los átomos de fbsforo que ast forman un complejo rigido
pol ifosfato-aden ina, de conformación apropiada en el
complejo cuaternario activo.
C. Complejos con puente metálico
Los datos cristalogrhficos y de secuenciación han
establecido que un residuo His interviene en la fijación del metal al sitio activo de muchas proteinas
(por ejemplo, carboxipeptidasa A, citocromo c, mbredoxina, rnetamioglobina y metahemogfobina; capitulo
7). Para los complejos binarioc (dos componentes)
E n N , el paso limitante de la velocidad es en muchos
casos la separación del agua de la esfera de coordinación del ion methlico. En muchas peptidasas, la
activación por los iones metklicos es un proceso lento
que requiere muchas horas. Es probable que la reacciOn lenta sea et reordenamiento confomacional del
compIejo binario EnzM para llegar a la forma activa,
por ejemplo:
Enzimas - mecanismos de acciún
Unibn del metal:
Rhplda
+
Enz + M(Hfl)s -+ Enz-M{H20)6.,
nH20
Reordenamiento a una conformacibn activa (Enz'):
Lenta
En~-M(Hz0)6.~ +
un ion metklico puede "enmascarar" a un nuclebfilo
y así prevenir una probable reaccibn secundaria. Finalmente, el control estereoquimico del curso de una
reacción catalizada por enzimas, puede lograrse con
la propiedad de la esfera de coordinacibn del metal
para actuar como un molde tridimensiona! para mantener los grupos reactivos en una orientación espacial
especifica (cuadro 10-1).
E l i f4 ! A ( H 2 0 ) ~ . ~
Sin embargo, en las metaloenzimas el compleio ternario con puente metfilico debe formarse mediante Ia
combinación del sustrato (S) con el complejo binario
EnzM :
Enz-iUi
117
+ S k Enz-M4
/
'. I
o Enz
S
Los iones metálicos desempeñan
múltiples funciones en la catálisis
RESUMEN
La quimotripsina proteasa (CT) ejempIifica numerosas características generales de la catalisis
enzimática, las cuales incluyen la formación de intermediarios unidos a enzima (CT-PNPA y CT-Ac), la
naturaleza escalonada del proceso (tres reacciones
parciales}, el carácter limitante de la velocidad de una
reaccibn parcial sencilla (hidrdlisis de CT-Ac) y Ia
liberacihn en secuencia de productos (fenol seguida
por acetato). Idas funciones.de aminohcidos p&iculares en el sitio catalitico se mostraron por la función
de un residuo Ser (SeriYs)como aceptor de un grupo
(Ac-) que es transferido a agua y por las funciones de
los residuos Ser, 1-Iis y Asp específicos en la formación
d e un sistema relevados de carga. Además, este
sistema relevador de carga ejemplifica quc los
residuos adicionales bastante separados en el sentido
de una estructura primaria (Ser 195, His 57 y Asp 102)
1-0siones methlicos pueden participar en cada 1 de los 4
mecanismos con los que se sabe las enzimas aceleran
la velocidad de las reacciones qufmicas: 1) catálisis
acidobásica general, 2) catáIisis covalente, 3) aproximación de los reactantes y 4) induccion de rigidez o
tension en la enzima o el sustrato. Además del hierro
Cuadro 10-1. Ejemplos escogidos de funciones dc?
y el manganeso que funcionan en las proteínas hémilos iones me.
el mecani
IS
cas, los iones metálicos que intervienen más común:nzimas*
mente en la catálisis enzimática son ~ g ~~ ' ,n " y ~ a ? 'aunque
,
otros iones metálicos (por ejemplo, K')
Funcion uei iuii irieiaiicu son importantes para la actividad de ciertas enzirnas.
IIisnaina riesarninasa
Los iones metblicos, al igual que los protones, son
Cinasas,
liasas, pirii- I
valo descarboxilasa
ácidos de Lewis (etectr6filos) y pueden compartir un
par de electrones para formar un enlace sigma.
Ar
rbbnica i Activaciiin de un nuclebfilo
Ademhs, pueden ser considerados "superácidos", dado
En
~rnldicas El meta! actiia como un nucieóque existen en soluci6n neutra, frecuentemente tienen
una carga positiva > 1 y pueden formar enlaces pi.
Pi ruvato cal-boxilasa,
Asimismo (a diferencia de los protones), los metales
carboxiplcptidasa,
pueden servir como plantillas tridirnensionaies para la
alcohol dr:shidrogeorientación de los grupos bhsicos en la enzima o el
nasa
sustrato.
IWeinas
ftmt
sin k m Donación
nes pi (n)
-- m
,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,, , .
Por otro lado, los iones metálicos pueden aceptar
Piruvato cinasa, pirue y orienia
electrones a travhs de los enlaces sigma o pi para
vato carlioxilasa,
activar electrófilos o nucleófilos (catálisis acidobksica
adeni latoci
-- .
general). Mediante la donaci6n de electrones, los
Fosfotrancf crasa, Dnsionales
metales pueden activar a los nuclebfilos o actuar como
xilosa isi3rnerasa,
nucleófi~osellos mismos. La esfera de coordinación
..
i1
hemoproteirids
-de un metal puede atraer a la enzima y al sustrato
* Adaptado de Mildvan AS Meials in enzyme cat;alysis Vol 2.
(aproximación) o crear una distorsión que produce
Pagc 456 in The Enzymes Boyer P U, Lardy H , Myrhack K
quelatos en una o en otro (rigidez o tensión). Ademas,
(editors) Academrc Press 1970
6
L
u
FE
--A
!..
'
118 * Rioquimica de Hurper
pueden formar porciones contiguas del sitio catalítico
de una enzima. La proteblisis selectiva de la preprotefna quimotripsinbgeno inactiva crea el sitio activo
de la quimotripsina y lleva los tres residuos que conforman el sistema relevador de carga a una distancia, uno
de otro, que permita formar enlaces.
Durante la catllisis, los residuos del sitio
catalitico pueden actuar como ácidos (Glu, Asp) o
bases (His. Arp, Lis) generales. La adicion de sustratos y la liberación de productos pueden proceder en
{Capitulo 10)
forma ordenada o de una manera aleatoria. Bajo un
mecanismo de ping pong (por ejemplo, transaminación), la reaccibn avanza a travks de los fenómenos
alternos de adicibn de sustrato y liberacibn de producto.
Los iones methlicos facilitan la fijación del sustrato y la catálisis mediante la creacibn de varias clases
de complejos puente, constítuidoc por enzima, metal
y sustrato. Los iones met8licos pueden actuar como
catalizadores acidos generales o facilitar la aproximaci6n de los reactantes.
REFERENCIAS
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Fersht A: E q m e Structure and,Wechan~sm,2nd ed. Freeman, 1985.
Freeman RB,Hawkins HC (editors): The E q m o l o L w of
Post-translational ~ ~ o d ~ J i c a r iofo nProteins. Acadernic Press, 1985.
Purich DL (editor): Enzyme kinetics and mechanisms.
Parts A and B in: Methods in Eyvmology. Vol 63,
1979; Vol 64, 1980. Academic Press.
Regan L: Tne design of metal hinding sites in proteins.
Annu Rev Riophys Biomol Struct 1993;22:257.
Vease: tambitn las rcfcrencias de los capítulos 7 y 8.
Enzirnas:
regulación de actividades
Victor W. Rodwell, PhD
de un medicamento provoca cambios significativos en
el metabolismo de otro (capitulo 61).
En este capitulo, algunos ejempIos escogidos muestran
los mecanismo^ que regulan los procesos metabólicos
mediante la cantidad o eficiencia catalítica de las
cnzimas. La intención es establecer las características
de los patrones globales de regulación. En todo el libro
se hace referencia a otros muchos ejemplos espectficos para mostrar las diversas caracterís-ticas de la
regulación metabólica.
IMPORTANCIA BIOMEDICA
¿De qué manera Ias células y ios organismos íntegros
regulan y coordinan el metabolismo global? Esta pregunta
interesa a los trahaiadores en áreas de las ciencias
biornkdicas tan diversas como chncer, cardiopatias,
envejecimiento, fisiologia microbiana, diferenciación,
rnetakorfosis, accihn h-onal
y de Fármacos. En todas
estas áreas, se han encontrado ejemplos importantes de
regulaciiin n o m a l o anormal. Por ejemplo, muchas
celulas canmrosas exhikn anormalidadesen Ia regulación
de su complemento enzimático (carecen de induccion o de
represiOn); caso que ejemplifica la conclusi6n ya establecida, de qtic las alteraciones del control qenktico
son fen6menoS fundamentales en las c&lulascañcerosas.
De nuevo, ciertos virus onctjgenos contienen un gen
que codifica para una tirosina proteincinma. Cuando
esta cinasa actúa en las células del hugsped, puede
fosforilarmuchas proteínas y enzirnas que normalmente
no lo estAn y, por tanto, conducir a cambios importantes en el fenotipo celular. Al parecer, un cambio de
esta naturaleza es la base de ciertos tipos de transformacibn oncogenica vira!. La accibn de los famiacos
proporciona otro ejemplo importante que comprende la
regulación enzimática, pues la induccidn enzimática
es una causa bioquimica importante en las interacciones
medícamentosas, situaciones en las que la administracibn
LA R E G U L A C I ~ W
DEL METABOLISMO
LOGRA LA HOMEOSTASIA
El concepto de regulación homeostática del medio
interno emitido por Claude Bernard a finales del siglo
XIX hizo hincapie en la facultad de los animales para
mantener constante su medio intracelular a pesar dc
los cambios en el exterior. Este concepto impIica que
todas las reacciones necesarias catalizadas por enzimas
se efectúan a velocidades que responden a cambios
tanto en el medio interno como en el externo. Una cCIula
u organismo pueden considerarse enfermos cuando no
responden o lo hacen inadecuada o incorrectamente a
una seiial interna o a un esmés externo. El conocimiento
de los factores que afectan las velocidades de las
reacciones catalizadas por enzirnas, es esencial para
entender el mecanismo de la homeostasia en las células
normales y para comprender la base molecular de la
enfermedad.
El flujo de metabolitos tiende
a ser unidireccional
Todas las reacciones quirnicas, incluyendo las catalizadas pos enzimas, son en cierto grado reversibles*.
Dentro de la celula viva, sin embargo, es posible que
no se produzca la reversibilidad porque los productos
* Una reacciiin fácilmente reversible tiene un pequeao valor
numérico de AG, micntras que una con un valor negativo
grande para AG podría llamarse "realmentc irreveriihle"
cn casi todas las siiuacioncs bioquimicas.
120
Bioquimica de Harper
de reacciiin son removidos con rapidez mediante reacciones adicionales catalizadas por enzimas. El flujo de
metabolitos en una celulavivaes análogo al flujo de agua
en un acueducto el cual aunque es capaz de transportar
agua en ambas direcciones, en la prhctica el fiujo es
unidireccional. El flujo de metabotitos en la d l u l a
también lo es en gran parte. El equilibrio verdadero,
lejos de ser característico de la vida, se alcanza s61o a
la muerte de la célula. La célula viva es un sistema
dinámico estacionario conservado por un flujo unidiseccional de metabolitos (figura 1 1-1). En las cklulas
maduras, las concentraciones medias de los metabolitos permanecen relativamente constantes durante
periodos considerables*. La flexibilidad del sistema
estacionario s e manifiesta en los delicados desplazamientos y equilibrios mediante los cuales los
microorganismos conservan constante el medio intemo, a pesar de Ias amplias variaciones en alimentaciiin, ingestibn de minerales y agua, rendimiento de
trabajo o temperatura externa.
Las velocidades de reacción
responden a las necesidades
fisio~ogicascambiantes
Para que la vida proceda de una manera ordenada,
debe regularse el flujo de metabolitos a travks de las
vías anabólica y catabólica. Es preciso que todos los
fenómenos quimicos necesarios tengan lugar a velocidades congruentes con los requerimientos del organismo en relacidn con su medio. La produccidn de
ATP, la sintesis de precursores macromoleculares, el
transporte, la secreción y la resorción tubular, deben
responder todos a cambios suti les del medio celular,
del brgano y del animal integro. Se necesita que estos
procesos sean coordinados y, además, respondan a
cambios a corto plazo del medio externo (por ejemplo,
la adicibn o la eliminaci6n de un nutriente), ncl como
a sucesos intracelularcs periddicos (por ejemplo, la
replicación del DNA). I-lasta ahora, los detalles
moleculares de la regulacibn son mejor comprendidos
en las bacterias, las cuales carecen de las complejidades del control hormonal o neurológico y en las
cuales los estudios genéticos pueden llevarse a cabo
con facilidad para analizar los acontecimientos
moleculares. Sin embargo, nuestra comprensihn de la
regulacibn rnolecular en la célula animal está en un
estado de rhpida expansibn. En tanto que la regulacion
metab6lica en los mamíferos difiere de modo signifi-
(Capibulo I 1)
/
grandes
\m
Figura 11-1. Una oélula ideal en estado de estabilidad.
Obsérvese que el flujo de rnetabolitos es unidireccional.
cativo, de los fenómenos superficialmente semejantes
de las bacterias, la regulacibn de los procesos
metab6licos en &as ser6 el ejemplo a discutir debido
a que proporciona un marco conceptual de referencia
para considerar la regulación en el ser humano
TRES MECANISMOS GENERALES
REGULAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTI~A
El flujo neto de carbono de una reacción catalizada
enzirnAticamente podria ser influido: 3 ) cambiando la
cantidad absoluta de enzima presente, 2) alterando el
tamaiio del conjunto de reactantes distintos de la
enzima y 3 ) alterando la eficacia catslitica de la enzima.
Las tres opciones son utili~adasen casi todas las
formas de vida.
Las velocidades de síntesis
y degradación determinan
la cantidad de enzima
La cantidad absoluta de una enzima presente esta
determinada por su velocidad de sintesis (k,) y por
Ia velocidad de su degradación (b,} (figura 1 1-2). La
cantidad de una enzima dentro de una celula puede
Enzima
Aminoácidos
* Sin emhargo, si ocurren osciiaciones de corta duración en
las concentraciones del meiaholito y de la enzima y tienen
gran importancia fisiológica.
Figura 11-2. La cantidad de enzima se determina por el
balance neto entre la sintesic de la enzima su degradación
Las K, y Kdegson las mnstantes de velocidad para el proceso
completo de sintesis y degradacibn, respectivamente
Enztmar: regulación de uctividudes
elevarse ya sea por un incremento en su velocidad de
síntesis (incremento de k,), por una disminución en su
velocidad de degradacibn (disminucion de h,), o por
ambos. De manera semejante, una cantidad menor de
enzima puede resultar de una disminucihn de k,, de un
incremento en kdq, O deambos procesos. En el ser humano
se encuentran ejemplos de cambios tanto en k, como
en k+. En todas las formas de vida, la síntesis de enzimas
a partir de los aminoAcidos y su degradacibn hasta
aminohcidos son procesos distintos catalimdos por conjuntos de enzimas por completo diferentes. La regulación independiente de la sintesis y de la degradacihn
de las enzimas se logra asl, fhcilmente (figura 11-2).
Los inductores pueden estimular
la síntesis de enzirnas
Las celulas pueden sintetizar enzimas especificas en
respuesta a la presencia de inductores especificos de
peso molecular bajo. Por ejemplo, Escherichia colr
cultivada en glucosa no cataboli~arala lactosa debido
a la falta de la enzima beta galactosidasa, que hidroliza
la lactosa a galactosa y glucosa, Si al medio de cultivo
se agrega lactosa o algunos otros beta galactosidos,
hay inducción de síntesis de beta gaIactosidasa y
entonces el cultivo puede catabolizar la Iactosa.
Aunque muchos inductores son sustratos para la
enzima que inducen, ciertos compuestos estmcturalmente semejantes al sustrato pueden ser inductores, pero
no sustratos; se les llama inductores gratuitos. A la
inversa, un compuesto puede ser un sustrato, pero no
un inductor. Frecuentemente, un inductor estimula a
varias enzirnas de una ruta catabdlica(por ejemplo, tanto
la beta galactosidopemeasa como la beta galactosidasa son inducidas por lactosa).
Las enzimas cuya concentraci6n en una ctIula es
independiente de un inductor agregado se denominan
enzimas constitutivas. Una enzima particular puede
ser constitutiva en una cepa, inducible en otra, y ausente
en una tercera. Las células capaces de ser inducidas
por una enzima particular, por lo general contienen
una cantidad basa1 pequefía medible de esta enzima,
aun en ausencia del inductor agregado. La herencia
gendtica de la ctlula determina así, tanto la naturaleza
como la magnitud de la respuesta al inductor. t o s términos "constitutiva'" e "inducible" son, por tanto, términos
relativos, como "caliente" o "frio", que representan los
extremos de un amplio espectro de respuestas.
La induccibn enzimhtica tambitn existe en las
células eucariotas. Ejemplos de enzimas inducibles en
los animales son la triptbfano pirrolasa, la treonina
deshidrogenasa, la tirosina alfa cetoglutaratotransaminasa, la invertasa, las enzimas del ciclo de la ula
HMG-COA reductasa y el citocromo P450.
121
Los productos finales reprimen
la síntesis de enzimas
La presencia de un metabolito biosintktico en el medio
de crecimiento bacteriano, puede reducir la nueva
síntesis del mismo por medio de la represión. Tanto
en la induccion como la represión participan elementos cis, secuencias especificas de DNA ubicadas en la
parte superior de la cascada de genes que codifican
una enzima dada, y proteínas reguladoras trunTactuantes. Además, metabolitos especificos sirven corno
correpresores o coinductores que al enlazarse a proteínas transactuantes, lo mismo fortalecen que debilitan su integracihn con un elemento cis. Por tanto, los
valores intracelulares altos de un metabolito como una
purina o un aminoácido pueden interrumpir la síntesis
de las enzimas que participan en su propia biosíntesis.
Por ejemplo, en Salrnonelh typhirnurrum, la adición
de histidina reprime la síntesis de todas las enzimas que
intervienen en su biosíntesis, mientras que la adicibn
de leucina reprime la síntesis de las tres primeras enzimas peculiares para su biosíntesis. Despues de la
eliminación o del agotamiento de un intermediario
biosintético esencial del medio, de nuevo se produce
la biosintesis enzirnitica. Esto constituye lo que se
denomina dessepresión.
Los ejemplos anteriores muestran la represibn
por retroalimentación con el. producto, típica de Ias
vias biosinttticas de las bacterias. Por otro lado, la
represión por catabolito es un fenómeno relacionado
que se refiere a la facultad de un intermediario en una
sucesi6n de reacciones catabólicas catalizadas por
enzimas para reprimir la sintesis de las enzimas catab0Iicas. Este efecto fue observado primero en cultivos de E. coli creciendo en una Euente de carbono
(X) distinta de la glucosa. Se not6 que la adición de
glucosa reprimía la síntesis de las enzimas encargadas
de1 catabolismo de X y este fenómeno fue inicialmente
llamado el "efecto de la glucosa*'. Puesto que otros
nutrientes oxidables diferentes a este carbohidrato
producen efectos semejantes, se ndopt6 el tdrrnino
represidn por catabolito, la cual es mediada por el
cAMP. Los mecanismos moleculares de la inducción,
la represion y la desrepresidn se dcscribirhn en el
capitulo 4 1.
EL RECAMBIO DE PROTE~NAS
TIENE LUGAR EN TODAS
LAS FORMAS DE VIDA
Los procesos combinados de síntesis y degradacibn
de [as enzimas constituyen el recambio enzimático
reconocido como una propiedad característica de las
c&IuIasde los tiamíferos, mucho tiempo antes de que
se mostrara que también tenia lugar en las bacterias.
La existencia del recambio de proteínas en el ser humano
se dedujo de experimentos dietkticos hace bastante
más de un siglo, aunque fue hasta el trabajo clásico de
Schoenheimer, justamente antes y durante la 11 Guerra
Mundial, que se estableció concluyentemente. Midiendo
las velocidades de incorporación de aminoácidos rnarcados con NI5 a las proteinas y los índices de pCrdida
de NI5 de las proteinas, Schoenheimer concluyó que
las proteínas están en un estado de "equilibrio dinamico",
un concepto extendido desde entonces a otros constituyentes del cuerpo, incluyendo los Iípidos y los ficidos
nucleicos.
Las velocidades de degradación
de las enz'imas específicas están
sujetas a regulación
La degrada~ionde proteínas de mamfferos por vías
que dependen de ATP y ubiquitina, asi como las
independientes dc ATP, se describen en el capitulo 3 1.
La susceptibilidad de una enzima a la degradacibn
proreolitica depende de su ~onfomacibn.La presencia
o la falta de sustratas, coenzirnas o iones metálicos,
que pueden modificarla, alteran lasusceptibilidad proteolítica. De este modo, laconcenmci61-ide sustratos, de
coenzímas y posiblemente de iones en las cklulas
puede, influenciar las vclocidades a las cuales son
degradadas enzimas especificas. La arginasa y la triptófano oxigenasa (tripthfano pirrolasa) e,jemplifican
estos conceptos. La regulación de las cifias hephticas
de arginasa puede incluir ya sea un cambio en k, o en
L,. Despudc de la ingestidn de una dieta abundante
en protehas, los valores hepriticos de arginasa se
elevan debido a un incremento en la velocidad de su
sintesis. Los mismos valores también aumentan en los
animales hambrientos. Aquí, sin embargo, es la degradación de la arginasa la que está disminuida, en
tanto que k, permanece inalterada.
En un segundo ejemplo, tanto la inyeccidn de
glucocorticoides como la ingestión de triptófano
aumentan 30s valores de triptofano oxigenasa en los
mamíferos. El efecto de las hormonas es la elevacibn
de la velocidad de síntesis de la oxigenasa (aumento de
k).El triptófano, sin embargo, no ejerce efecto sobre k,
pero abate be,
estabilizando la oxigenasa respecto a
la digestibn proteolitica. Estos dos casos contrastan
con la inducción enzimática en las bacterias. En el
caso de Ia arginasa, el incremento en la ingesti6n de nitrhgeno por una dieta abundante en proteinas puede
elevar las cifras hepáticas de arginasa (capitulo 3 1). El
aumento en Ia velocidad de síntesis de la arginasa se
parece así, superficialmente, a la induccibn por sustrato en las bacterias. En el caso de la triptdfano
pirrolasa, sin embargo, aun cuando el triptbfano puede
actuar como un inductor en las bacterias (afecta k,), su
efecto en los marniferos sc qjerce solamente sobre el
proceso degradante (abate kd,,).
Los valores enzimaticos en los tejidos de
marniferos pueden ser alterados por una amplia gama
de factores fisiologicos, hormonales o dietéticos. Se
conocen ejemplos para una diversidad de tejidos y
vias metabólicas, pero nuestro conocimiento es fragmentario acerca de los detalles molecularec que intervienen para producir estos cambios.
Los glucocorticoides incrementan Ia con~entración
de tirosina trancaminasa estimulando su k,. Este fue el
primer caso cSaro de una hormona reguladora de la
sintesis dc una enzima de mamíferos. La insulina y cl
glucagbn, no obstante sus cfectos fisiológicos mutuamente antagbnicos, incrementan k,, de manera independiente, de 4 a 5 veces. El efecto del glucagón
probablemente es mediado a través del cAMP.
La síntesis de ciertas enrimas
como precursores inactivos tienen
ventajas en la regulación
La actividad enzimatica puede regularse con la conversión de una proenzima inactiva a la forma catalítica
activa. Para volverse catallticamente activa, la
proenzima debe experimentar una proteólisis limitada,
un proceso acompañado de cambios en la conformación
que revelan o "crean" el sitio catalítico. Esto se mostrara
después en relacibn con la enzima quimotripsina.
MUCHAS PROTEASAS SE SECRETAN
COMO PROENZIMAS SIN ACTIVIDAD
CATAL~TICA
Ciertas proteinas se elaboran y secretan en forma de
proteinas precursoras inactivas conocidas como proproteínas. Cuando son enzimas, las proproteinas se
denominan proenzimas o cimógenos. La conversion
de una proteína en proteina madura implica la proteólisis selectiva, proceso que convierte la proproteina
en una forma que tiene la actividad típica de la proteina madura (su actividad enzimfitica} mediante uno
o más "cercenamientos" proteoliticos sucesivos. Los
ejemplos de proteinas elaboradas como proproteinas
incluyen la hormona insulina (proproteina = profnsulina), las enzima5 digestivas pepsina, tripsina y quimotnpsina (proproteínas = pepsindgeno, tripsindgeno
y quimotripsinógeno, respectivamente), varios factores de la cascada de la coagulacibn sanguínea y de
la disolución del cohgulo (capitulo 59), y la proteina
cotágena del tejido conjuntivo (proproteina = procoIágena}.
La conversibn de proquimotripsina (pro-QT),
polipéptido de 245 residuos aminoacilo, en la enzima
alfa quimotripsina activa implica tres cercenamientos
y la formación de un intermediario activo conocido
como piquimotripsina (pi-QT) (figura 1 1-3).
En la alfa quimotripsina las cadenas A, B y C
permanecen integradas en virtud de la presencia de
dos enlaces disulfuro entre las cadenas (figura 1 1 4 ) .
estar disponible un conjunto completo de los aminohcidos precursores. Como consecuencia, cl proccso
de secrecidn puede ser de lentitud relativa con relación
a la demanda físiológica.
Las proenzimas facilitan la movilización
rápida de una actividad en respuesta
a la demanda fisiológica
forma madura con actividad fisiológica ejernplifica
¿Por qu$ cicrias proteínas se secretan en la forma
inactiva? Algunas son necesarias practicamenlc en
todo momento, mientras que otras (como las enzimas
de la fomacidn y disolucilin del coágulo sanguíneo)
se requieren sólo de manera intermitente. Más aún,
cuando estas últimas se necesitan de urgencia, Ciertos
procesos flsiologicos como la digestión son intermitentes, pero bastante regulares y predecibles (aunque éste pudo no ser el caso para los seres humanos
primitivos). Otros, como la formacibn y disolución de
coágulos sanguíneos y la reparación tisular, tan rolo
deben estar "en Iinea", para responder a la presibn de
una necesidad fisiológica o fisiopatológica.
Puede apreciarse con facilidad que el proceso de
formación y disoluci6n de coágulos sanguíneos debe
ser coordinado en el tiempo para alcanzar Ia homeostasia. Además, la sintesis de proteasas como proteinas
precursoras sin actividad catalítica sirve para proteger
el tejido de origen (por ejemplo, el pfincreas) de la
autodigestibn, lacual puede presentarse en lapancreaiitis. La sintesis de nuvo de las protehas que se requieren puede no efectuarse con la rapidez suficiente
para responder a la presión de una demanda fisiopatolégica como es la pérdida de sangre. Más aun, debe
La activación de la proquimotripsina
requiere de proteolisis selectiva
El e.jernplo de conversihn de una proproteína a s u
los principios generales siguientes de tal conversión:
1) El proceso implica la proteblisis selectiva que,
en algunos casos, sb10 requiere un cercenamiento proteolítico Único.
2) Los productos polipéptidos se pueden separar
o permanecer integrados a la proteína madura.
3) El proceso puede (o no) cumplirse con cambio
significativo en el peso molecular.
4) La principal consecuencia de la proteólisis
selectiva es alcanzar una nucva conformación.
5) Si la proproteína es una enzima, el cambio mencionado en Ta conformación origina el sitio
catalítico de la enzima.En taI virtud, la proteolisis
selectiva de una proenzima puede verse como
un proceso que desencadena cambios esenciales en la conformación que "crean" el sitio
catalitico.
Obskrvese que mientras His 57 y Asp 102 se encuentran sobre el peptido B de la alfa quimotripsina, Ser
195 se encuentra sobre el peptido C (figura 1 1-3). La
proteblisis selectiva de la proquimotripsina (quimotripsinógeno) facilita la aproximación de los tres
residuos del sistema relevador de carga, lo cual muestra
la manera en que la proteólisis selectiva da lugar al
sitio catalítico. Nótcse que el contacto y los residuos
Figura 113.Convessi611de la proquimotripsina {pro-QT) a pi-quimotflpsina (pi-QT) y de manera subsecuente a la enzima
madura alfa quimotripsina (alfa-QT) con actividad catalitica.
S-S
S-C
S-
S
Flgura 1 1 4 Enlaces de disulfuro intra e tntercadenas de la alfa quirnotripsina (alfa-QT).
cataliticos pueden localizarse sobre diferentes cadenas de péptidos, pero mantenerse a una distancia que
permita formar enlaces con el sustrato enlazado.
EXISTEN MÚLTIPLES OPCIONES
PARA REGULAR LA ACTIVIDAD
CATAL~TICA
Si una modificacibn fisiológica altera el grado de la
actividad enzimatica, se puede preguntar si la cantidad
de enzima ha cambiado o si la enzima es un catalizador
más o menos eficaz. A todos los cambios de la actividad enzimatica sin modificación de la cantidad de
enzima presente se les denominara como "efectos en
la eficacia catalítica".
LA SEPARACIÓNDE ENZIMAS
EN COMPARTlMlENTOS FACILITA
LA R E G U L A C I ~ NDEL METABOLISMO
No se puede pasar por alto la importancia de la disposicidn en compartimientos de Tos procesos metabhlicos en las ct5lulas eucariotas, que incluyen las de los
mamíferos. La IocaZización de los procesos metabólicos
especificas en el citosol o en los organelos subcelulares facilita la regulación de estos procesos independientemente de los que suceden en otras partes. La
extensa formación de compartimientos de los procesos
metabolicos tipicos de las formas superiores de vida
confiere asi el potencial para un ajuste fino de la regulación del metabolismo. Al mismo tiempo, plantea
problemas con respecto a lamovilizacion de metabolitos
a través de las barreras de los compartimientos. Estos
metabolitos pasan las barreras mediante "mecanismos de lanzadera", que convierten el metahlito en una
forma permeable para la barrera del compartimiento,
lo cual va seguido por el iransporte y la conversión a la
forma original en el otro lado de la barrera. En censecuencia, estas interconversiones requieren, por
ejemplo, formas citosólicas y mitocondriales de la
misma actividad catalítica. Puesto que estas dos formas
de la enzima están fisicamente separadas, su regulación independiente se facilita. En el capitulo 18 se
describe la función de los "mecanismos de lanzadera"
para poder lograr el equilibrio de Ias confluencias
metabblicas dc equivalentes reductores, del ciclo del
hcido cltrico y de otros intermediarios anfibólicos.
LAS ENZIMAS PUEDEN FORMAR
COMPLEJOS MACROMOLECULARES
La organización de un conjunto de enzimas quecatalizan
una secuencia de reacciones metabhlicas, coordina a
las enzimas y a los canales intermediarios a lo largo
de una via metabdlica. La alineacibn apropiada de las
enzirnas puede facilitar la transferencia del producto
entre las enzimas sin equilibrio previo con las confluencias metabblicas. Esto permite un modo más fino de
control metabólico que el posible con los componentes aislados del complejo. Además, los cambios de
confomacl6n en un componente del complejo puede
transmitirse por interacciones de proteína con proDe este iriodo
teína hacia otras ennimas del ~omple~jo.
es posible laamplificacion de los efectos reguladores.
LAS CONCENTRACIONES LOCALES
DE SUSTRATOS, COENZIMAS
Y CATIONES PUEDEN REGULAR
LAS ENZIMAS
La concentracién intracelular media de un sustrato,
una coenzima o un ion methlico puede tener escaso
significado para el camportamiento rn vivo de una
enzima. Es necesaria la informaci6n sobre las concentraciones de metabolitos esenciales en la vecindad
inmediata de la enzima en cuestibn. Sin embargo, aun
la medicibn de las concentraciones de metabolitos en
compartimientos celulares diferentes no toma en cuenta
las discontinuidades locales en su concentraci6n dentro de los compartimientos, causadas por factores
como la proximidad al sitio de entrada o de producción
de un metaboiito. Por último, generalmente se le da
poca importancia a la discrepancia entre la concentracibn total y libre del metabolito. Por ejemplo, aunque
la concentración total del 2,3-difosfoglicerato en los
eritrocitos es extremadamente alta, la concentracidn
Enzimas: regulucidn de actividades
libre de bisfosfoglicerato (es decir, no unida a la h e m e
globina) es comparable a la de otros tejidos. Consideraciones semejantes se aplican a otros metabolitos en
presencia de proteínas que los fijan de modo eficaz y
que reducen su concentracibn en estado libre.
Una hiphtesis del enfoque cinético de MichaelisMenten es que la concentración del sustrato total es
igual en esencia a la concentración del sustrnto libre.
Como se anot6, esta suposicibn puede no ser vilida in
vivo, donde es posible que las concentraciones de los
sustratos libres se aproximen a las de la concentracibn
de enzimas.
Los iones metálicos que desempefian funciones
catalíticas y estructurales en mas de una cuarta parte
de todas las enzimas conocidas (capitulo 103, pueden
tener tambien funciones reguladoras particularmente
en las reacciones en que el ATP y otros polianiones
son sustratos, Se observa la tlpica actividad mhxima
cuando el cociente molar de ATP a metal es casi la
unidad. El exceso de metal o de ATP son inhibitorios.
Dado que los di y trifosfatos de nucleósidos forman
complejos estables con los cationes divalentes, Ias
concentraciones intracelulares de 30s nucle6tidos
pueden influir sobre las concentraciones intracelulares de los iones methlicos libres y, por tanto, la
actividad de ciertas enzimas.
CIERTAS ENZIMAS SON REGULADAS
POR EFECTORES ALOSTÉRICOS
La actividad catalítica de ciertas enzimas reguladoras
es controlada por efectores alostericos de peso molecular
bajo que por lo general tienen poca o ninguna semejan72 estructura1 con los sustratos o coenzimas para la
enzima reguladora. La inhibición por retroalimentacibn se refiere a la inhibición de la actividad de una
enzima inicial en una vía biosintktica, por medio de
un producto final de esa vía. Para la biosíntesis de D
a partir de A, catalizada por las enzimas En21 a Enq,
Enzi EUQ
Eny
A+B+C-+
D
una concentraci6n alta de D, inhibitii de manera típica
la conversion de A en B. Esto no implica un simple
"retraso" de los intermediarios sino la capacidad de
D para unirse a Enzl e inhibirla. Asi, D actúa como un
efector alostérico negativo o inhibidor por retroalimentacihn de Enz,. Por tanto, la inhibicidn por
retroalimentaci6n de Enzl mediante D regula la slntesis
de D. De manera tlpica, D se une a la enzima sensible
en un sitio alost4rico remato del sitio catalítico.
La cinetica de la inhibición por retroaccion puede
ser no competitiva, competitiva, parcialmente compe-
1.25
titiva, no acoplada o mixta. Es la más común en tas
vias biosinttticas. Frecuentemente, el inhibidor por
retroacciones es la ultima molkcula pequefia antes de
una macromol~cula(por ejemplo, arninohcidos antes
de proteínas o nucleótidos antes de ácidos nucleicos).
La regulacibn por retroacción tiene Iugar generalmente en el paso mhs temprano, funcionalmente
irreversible*, que es exclusivo para una serie biasintética particular. Un ejemplo muy estudiado es la
inhibición de aspartato transcarbamilasa bacteriana
por CTP (véase después y capitulo 36).
Frecuentemente, una ruta biosintkticapuede estar
ramificada, sirviendo la porción inicial para la síntesis
de dos o mBs metabolitos esenciales. La figura 1 1-5
muestra los sitios probables de inhibición por setroacción simple en una vía biosintdtica ramificada (por
ejemplo, para aminoácidos, purinas o pirimidinas).
Los Si,S2y S3 son precursores de los cuatro productos
finales (A, B, C y D). El S4 e5 un precursor de B y C
y S, es precursor únicamente de D; de este modo, las
secuencias:
constituyen sucesiones de reacciones lineales de las
que puede esperarse sean inhibidas por sus productos
finales. De nuevo, la biosintesis d e nucleotido
(capitulo 36) proporciona ejemplos especificas.
Circuitos múltiples de retroalimentación
regulan vías biosintéticas ramificadas
Múltiples asas de retroalimentación (figura 3 1 4)
proporcionan control fino adicional. Por ejemplo, si B se
encuentra en exceso, disminuye el requerimiento de
S.La capacidad de B para disminuir la producción de S2
confiere asi una ventaja biolbgíca. Sin embargo, si el
exceso de B puede inhibir no 5610 la porción de la vía
particular de su propia síntesis, sino tambitn porciones
comunes a la de la síntesis de A, C o D, un exceso de
B deberá reducir la síntesis de los cuatro productos
finales. Claramente esto es indeseable. Sin embargo,
existen mecanismos para evitar esta dificultad.
En la inhibicidn por retroalimentación acumulativa, el efecto inhibidor de dos o mhs productos
finales sobre una sola enzima reguladora es estrictamente aditivo.
* Uno favorecido fuertemente (en terminos termodinamicos) en una sola dirección, esto es, uno con un gran AG
negativo
(Capítulo 11)
Flgura 11-5. Sitios de inhibicibn por cetroalimentaubn en
una via biosintética ramificada. SI o S5 son intermediariosen
la biosintesis de los prcdudos finales R a D, las flechas
rectas representan las entimas que catalizan las conversiones indicadas. Las flechas curvas representan asas de
relroalimentacibn e ~ndicanlos sitios probables de inhibicibn por retroalimentación medlante productos finales
esnecificos.
En la inhibici6n por retroalimentaciónconcertada
o multivalente, la inhibicibn completa se produce
sólo cuando dos o más productos finales están presentes en exceso.
En la inhibición por retroalimentación cooperativa, un solo producto final presente en exceso inhibe
la enzirna regladora, pero la inhibición que se observa
cuando se encuentran dos o m& productos finales
excede, con mucho, a los efectos aditivos que se ven
en la inhibición por retroalimentación acumulativa.
del ingles, cyfidine triphosphate}. Después del
tratamiento con compuestos mercuriales, la aspartato
transcarbamilasa pierde su sensibilidad a la inhibicion
por el CTP,pero retiene su actividad completa para la
slntesis del carbamilaspartato. Esto sugiere que el
CTP esta unido a un sitio (alostérico) diferente del de
cada sustrato. La ATCasa consiste en múltiples
protómeros cataliticos y reguladores. Cada protómero
catalitico contiene cuatro sitios aspartato (sustrato) y
cadaprotbmero regulador por lo menos dos sitios CTP
(reguladores}.
Los sitios catalíticos y alostéricos
muestran diferencia espacial
Monod observ6 la falta de semejanza estructural entre
el inhibidor por retroalimentacibn y el sustrato para la
enzima cuy a actividad regula. Dado que los efectos no
son kocstéricos con un sustrato, sino alostéricos
(ocupan otro espacio), este investigador propuso que
las enzimas cuya actividad es regulada por efectores
aIost&ricos(por ejemplo, los inhibidores por retroalimentacidn) fijan el efector en un sitio alostérica físicamente distinto del sitio catalítico. Las enzimas
alostdricas son, pues, enzirnas cuya actividad en el
sitio catalítico puede ser regulada por la presencia de
efectores en un sitio atostérico. Varias pruebas apoyan
La enzima alosterica más estudiada
es la aspartato transcarbamilasa
La aspartato transcarbamilasa (ATCasa) cataliza la
primera reaccibn peculiar a Ea biosintesis de las
pirimidinas (figura 1 1-7). La ATCasa es inhibida por
retroacción mediante el trifosfato de citidina (CTP,
Carbami'-
fosfato
+
L-Aspartato
O
- o-C, II
HzN
CHP
I
H
I
Figura ll4. lnhibicibn milltiple por retroalimentacidn por
una via ramificada biocint&titica. Sobrepuestas a las asas de
retroalimentaciónsimple (flechas curvas de guiones) estfin
las asas de retroalimentacidnmúltiples (flechas curvas eontinuas) que regulan las enzirnas comunes a la biosíntesis de
varios productos finales
4
o
'
c\
C
H
COO -
Figura 11-7. Reacción de la aspartato transcarbamilasa
(ATCa sa) .
Emimus: regulación de actividades
127
la existencia de sitios alosttricos fisicamente distintos
en las enzimas reguladas; entre ellas está la siguiente:
1 ) LE. eenzirnas reguladas, modificadas portkcnicac
químicas o fisicas apropiadas, frecuentemente
se vuelven insensibles a sus efectores alostkricos sin alteración de su actividad catalítica. La
desnaturalización selectiva de los sitios alostéricos ha sido lograda mediante tratamiento con
derivados del mercurio, con urea, rayos0X,
enzima proteoliticas, fuerza ilinica o pH exmmos. envejecimientode O a 5 "C opor congelación
o calentamiento.
2) Lo efectos alostéricos frecuentemente protegen
el sitio catalitico de la desnaturalización en
condiciones en las cuales los propios sustratos
no lo hacen. Dado que parece inverosfmíl que
un efector unido al sitio catalitico proteja
cuando no lo hacen los sustratos, esto sugiere
un segundo sitio alostérico en cualquier otra
parte de la molkcula enzirnAtica.
3) En ciertas células mutantes, bacterianas y de
mamíferos, las propiedades para ia regulacion
de las enzimas reguladoras tienen modificadas
sus propiedades para la regulacidn, pero sus
propiedades catalíticas son idénticas a las del
tipo nativo de donde deriv6 la mutante. Así, la
estructura de Ios sitios alost&ricosy catalitica
son geneticamente distintos.
4) Los estudios sobre uni6n de sustratos y de efectos alost&ricosa las enzima5 reguladas muestran
que cada uno se puede unir independientemente
del otro.
S) En ciertos casos (por ejemplo, ATCasa), el sitio
alostkrico se halla colocado en un protómero
diferente al que posee el sitie catalitico.
Las enzírnas alostericas
por lo general muestran una cinética
sigmoidea de saturación con sustrato
En la figura 1 1-8 se muestra la velocidad de reaccibn
catalizada por una tipica enzima alosttrica medida a
varias concentracianes del sustrato, en presencia y
ausencia de un inhibidor alostdrico. Cuando este
último falta, se observa una cindtica de saturacidn
hioerbólica normal. En su presencia. la curva de
sahraciiin por sustrato es dis&rsionada de una hipdrbola a una curva sigmeidea, que a concentraciones
altas de sustrato puede coincidir con su forma hiperbdlica. Nótese la analogía de la relacion con las curvas
de saturación de 0 2 de la rnioglobina y la hemoglobina
(capitulo 7).
El anhlisis cinktico de la inhibicibn por remalimentaci6n parece ser competitivo, no competitivo, pmcialmente competitivo de otros tipos. Si aconcentraciones
Figura 11-8. Curva sigmoide de saturación para el sustrato
en presencia de un inhibidor alostérico.
elevadas de S, hay actividad comparable en presencia
o ausencia del inhibidor aIostkrico, la cindtica superficialmente se parece a la de una inhibicibn competitiva. Sin embargo, dado que la curva de saturacibn por
el sustrato es sigmoide y no hiperbólica, no es posible
obtener resultados significativos graficando los datos
para la inhibicibn alostérica por la tkcnica del doble
recíproco. Este método de análisis fue elaborado para
la inhibicibn competitiva con el suskato en el sitio
catalítico. Puesto que los inhibidores alost&ricosactúan
en un sitio diferente (alóstérico), el modelo cinético
ya no es válido.
El carácter sigmoide de la curva de v respecto a
[S] en presencia de un inhibidor alostérico, refleja el
fenómeno de cooperatividad. A bajas concentraciones de sustrato, la actividad en presencia del inhibidor
es baja con relacibn a la que se observa en su ausencia.
Sin embargo, cuando [S] aumenta, el grado de inhibición se vuelve m e w s intenso. Estas cinéticas son
congruentes con la presencia de dos o más sitios de
uni6n de sustrato que actuan reciprocamente, donde
la presencia de una molécula de sustrato en un sitio
catalitico facilita la unión de una segunda molkcula
del mismo en un segundo sitio. La cooperatividad de
la fijacibn del sustrato se describid en los capitulos 7 y
9: la curva sigmoide de saturación de Oz se forma a
consecuencia de las interacciones cooperativas entre
cuatro sitios de fljacj6n de oxígeno que se localizan
en los diferentes protbmeros de hemoglobina y en el
uso de la escala de Hill para cuantificar la cooperatividad.
(Capítulo I 1)
Los efectos alostéricos pueden
ser en Kmo sobre,,Y
,
La referencia a fa cinktica de la inhibición como
"competitiva'k ''no competitiva" respecto al sustrato
lleva implicaciones mecanicistas que son desorientadoras. Es preferible referirse a dos amplias clases de
enzimas reguladas, las de la serie K y las de la serie V.
Para !as mzimas alostkricas de la serie K, la cinética
de saturacibn por sustrato es competitiva en el sentido de
que Kmse eleva sin efecto alguno sobre Vmk.Para las
enzimas de la serie V el inhibidor alostdrico abate V
,
sin afectar la Km aparente. Probablemente las alteraciones en Kmo en V
, resultan de cambios conformacionaies en el sitio catalitico, inducidos por Ia fijacion
del efector alostérico en el sitio alostérico. Para una
enzima alostérica de la serie K, este cambio en la
conformación puede debilitar los enlaces entre el suctrato y los residuos que se fijan a &l.Para una de la
serie V, es posible que el efecto primario sea alterar
la orientacion o la carga de los residuos cataliticos, de
modo que V,,, disminuya. Sin embargo, se pueden
observar efectos intermedios sobre Kmy Y
,, consecutivos a estos cambios en la confomacibn.
LA REGULACIÓN POR
RETROALIMENTACI~N,NO ES
SINÓNIMO DE INHIBICIÓN
POR WETROALIMENTACIÓN
En ambas clases de ctlulas, de mamíferos y bacterianas, los productos finales retroalimensan y controlan
su propia síntesis. En muchos casos, esto involucra la
inhibicibn por retroalimentacibn de una enzima biosintCtica inicial. Sin embargo, se debe distinguir entre
regulacibn por retroalimentaci6n, un termino fenomenol~gicoexento de implicaciones mecanísticas, e
inhibición por retroalimentación, un mecanismo
para fa regulación de numerosas enzimas bacterianas
y de mamíferos. Por ejemplo, el colesterol de la dieta
restringe la sintesis de1 procedente de acetatos en los
tejidos de los mamíferas. No obstante, esta regulación
al parecer no hace intervenir a la inhibicibn por
retroalimentacidn de una enzima inicial de la biosintesis del ~olesterol.Una enzima inicial (HMG-COA
reductasa) es afectada, pero el mecanismo comprende
la interrupción de la expresibn de los genes que codifican para la formacibn de la HMG-Coh reductasa
mediante el colesterol o un metabolito derivado de él.
El colesterol agregado directamente a la HMG-COA
reductasa no tiene efecto sobre su actividad catalitica.
La fijación cooperativa de un sustrato
confiere una ventaja fisiológica
Las ventajas de la cinCtica de fijación cooperativa de3
sustrato son anklogas a aquetlas que se producen por
la fijación cooperativa del O? a Ia hemoglobina. h
concentraciones bajas de sustrato, el efector alostérico
es un inhibidor eficaz. De este modo, la regulación es
más eficiente en el momento en que la necesidad es máxima, es decir, cuando la concentración intracelular de
los sustratos es baja. Si se comienza a disponer de más
sustrato, entonces es menos necesaria una regulación
rigurosa. Cuando la concentración del sustrato se
eleva, el grado de inhibicion disminuye y se formauna
cantidad mayor de producto. Al igual que con la
hemoglobina, la curva sigrnoide de saturacion del sustrato en presencia del inhibidor también asegura que
cambios relativamente pequefíos en la concentraci6n
del sustrato ocasionan grandes modificaciones en la
actividad. Asl, se logra un control sensible de la actividad catalitica mediante cambios pequefios en la
concentración del sustrato. Finalmente, por analogla
con las diferencias en l a curvas de saturacion de 01
de hemoglobinas de diferentes especies, las enzimas
reguladoras de orígenes distintos pueden tener curvas
sigmoideas de saturacibn desplazadas a la izquierda o
a la derecha para acomodarse a los llmites de las
concentraciones de sustrato que prevalecen in vivo.
LA MODIFICACIÓMCOVALENTE
REVERSIBLE REGULA ENZIMAS
ESENCIALES DE MAM~FEROS
La modulacibn reversible de laactividad catalitica de las
enzimas puede producirse por la adherencia covalente
de un grupo fosfato a uno o mhs residuos Ser, Tri, Tir
o His. Las enzimas que experimentan modificacibn
covalente con regulacilin concomitante de su actividad se denominan "enzimas interconvertibles". Las
enzirnas interconvertibles existen en dos condiciones
de actividad, una de eficacia catalítica elevada y otra de
baja eficacia. Dependiendo de la enzima de que se trate,
el catalizador más activo puede ser la fosfoenzima o
la que no posee grupo fosfato (cuadro 1 1-1).
Las enzirnac pueden tener numerosos
sitios de fosforilación
Un residuo seril especifico es fosforilado, formando
el O-fosfoseril o un residuo tirosil es fosforilado para
formar el residuo O-fosfotirosil. Aunque una enzima
interconvertible puede contener muchos residuos Ser
o Tir, la fosforilación es sumamente selectiva y se
produce s61o en un pequefio nUmero de sitios posibles.
Probablemente estos sitios no f m e n parte del sitlo
E m i m m : reqialacihn de actividades
"
>
Cuadro 1 1-1. Ejemplos de enzimas dc mamíferos
cuya actividad catalítica está alterar'acihn-de!
-
-
izime
A<
,arboxilasa
GI
ntasa
I'iruvalo deshrdrogcnasr
HMG-COA ri
Glucbpcno fc
t
Rnjo
Alto
11.P
1;. 1'
f
Citratoliiisii
l'cisforil¿isnb L I I I ~ M
IIMG-COA reductnsa cinnsa
--
E. dcslosforocn7ima; EP, fosfuenzimn.
catalítico, ciiando menos en lo que se refiere a la
estructura. primaria, por lo cual constituyen otro ejernplo de iin sitio alosterico.
Las prateinas cinasas y las fosfatasas
son proteinas convertidoras
La fosforilaci0n y la desfosforilacion son catalizadas
por una variedad de proteínas cinasas y proteina fosfatasa (proteinas ctinvertidoras), respectivamente
(figura I 1-9). l.a capacidad de estas proteínas cfnasac
para reconocer figuras o patrones distintivos de la
estructura primaria esta relacionada en parte, con su
alta especificidad. En casos especificas, las mismas
protefnas convertidoras pueden ser enzimas convertibles (cuadro 1 1 -1 ). De este modo hay proteína cinasa
y prcrfeina cinasa fosfatasa que catalizan la interconversicin de estas ~roteinasconvertidoras. Las tiruebas
de que las proteha fosfatasa sean proteínas interconvertibles son menos convincentes, aunque su actividad es regulada. La actividad de la proteina cinasaestli
regulada y, lo mismo que la de la proteina fosfatasa,
csth baja control hormonal y neurolbgico, si bien los
detalles precisos por los cliales estos agentes actúan
están lejos de ser claros en la mayor parte de los casos.
ATP
129
ADP
La fosforilacion-desfosforilación
consume ATP
Las reacciones de la figura 1 1-9 se parecen a las de la
interconversión de gIricasa y gIucosa 6-fosfato o de
fructosa-6-frrsfatoy fnictosa- l,6-difosfato (capitulo 1 4).
El resultado neto de la fosforilaci6n y luego de la
desfocforilación de 1 m01 de sustrato (enzima o azúcar)
representa la hidrálisis de 1 mol de ATP. Las actividades de Ias cinasas, que catalizan las reacciones 1 y
3 (abajo), y de lac fosfatasas, que catalizan las reacciones 2 y 4, deberhn, en sí mismas, ser reguladas,
porque de otra manera podrian actuar juntas para
catalizar de modo incontrolable la hidrolisis del ATP.
,-
* ATP
+
ADP
+
Glucoca-fi-P
2. HzO + Glucosa-6-P + Pi + Glucosa
Neto: HzO + ATP
3. Enz-Ser4i-I
+ ADP * Pi
+ ATP +ADP * E n z 4 e r 4 - P
4. HzO + Enr-Ser-O-P
---
Neto: H2O + ATP
4 ADP
-+
Pi + E n z 4 e r 4 H
+ Pi
La modificación covalente regula
el flujo del metabolito
La regulación de la actividad enzimática por medio de la
fosforilación-desfosforilación tiene analogías con la regulacion mediante la inhibicibn por retroalimentaci~n.
Ambas proporcionan una regulación a corto plazo, fhcilmente reversible, del flujo de metabolitos en respuesta
a señales fisioldgicas específicas; actúan sin alterar la
expresión gendtica; actúan cobre enzimas tempranas
de una prolongada secuencia metabólíca (a meniido
biosintética} y en los sitios alostéricos más que en los
cataliticos. Sin embargo, la inhibición por retroacciiin
incluye a una sola proteina y carece de las caracteristicas
hormonales y neuroIógicas. Por el contrario, la regulación
de las enzimas de los marniferos por fosforilacilindesfosforil ación comprende a varias proteinas y ATP
estk bajo directo control hormonal y ncurol6gica.
RESUMEN
Figura 11-9. Modificacibn covalentede una enzima regulada
por la focforilación-desfosfonlacibnde un residuo ser11
La regulaciiin de la actividad enzimática contribuye
en gran parte a preservar la homeostasia que mantiene
1311
Bioquímiea de Hurper
un entorno intracelular e intraorganismo relativamente constante en presencia de arnpl iaq fluctuaciones
en el medio ambiente externo (como cambios de temperatura, presencia o ausencia de agua o tipos específicos
de alimentos). Para lograr la homeostasia, las velocidades de numerosas reacciones bioquímicas deben
responder a la necesidad físiolbgica. ¿Cómo se logra
este propósito?
Las concentraciones locales de sustrato, Ia
separacibn de enzimas en compartimientos y la secrecibn como proenzimas o cimiigenos (por ejemplo,
quimotripsina) sin actividad catalitica, contribuyen a
la regulacibn de los procesos metabólicos. Muchas
proteasa y otras proteinac se secretan como proproteínas biol6gicamente inertes que deben someterse a
un desprendimiento proteolitico selectivo para formar
una enzima u hormona con actividad biológica. Los
ejemplos incluyen quirnotripsina, insulina y las proteasas de las cascadas de la formacibn y disolucibn de
los coagulos sanguíneos. La secrecibn, como precursor
inactivo, protege contra su acci6n hasta que surge la
necesidad, al mismo tiempo que facilita la movilización
rhpida de una actividad sin que se requiera nueva
sintesis de la proteina. Uno o más procesos proreoliticos
desencadenan cambios en la conformación, los cuales
aproximan y alinean 30s residuos previamente distantes para formar el sitio catalítico. Los pkptidos que se
forman por la proteblisis selectiva pueden descartarse (qjernplo, dos dipéptidos de QT) o pueden permanecer
unidos mediante enlaces disulfiro (los peptidos A, B,
y C de la QT y las cadenas A y B de la insulina).
Además, las alteraciones rhpidas y minimas en la
actividad catalitica de enzimas clave reguladas tienen
funciones importantes en la canalizacibn selectiva de
metabolitos hacia uno u otro proceso metabólico. Las
enzimas reguladas tienden a ser aquellas que catalizan
una reaccibn inicial única (con frecuencia la primera)
de una secuencia detenninada de reaccionw metaMlicas.
La actividad catalitica de las enzimas reguladas puede
modularse (por qjernpto, cambios repetidos entre
estados bajo y alto de actividad catalitica) cuando no hay
nueva síntesis ni degradaciiin proteinica. La modu-
lacibn se logra cuando metabolitos específicos se fijan
a la enzima regulada, en general a sitios (alost&rfcoc)
bastante separados del sitio catalitico. La modulación
de la actividad enzimbtica por cambios en la conformación del sitio catalitico puede incluir la alteración
de Kmpara un sustrato, de V,,, para la reacción global
o efectos sobre los dos, Km y V,,. A menudo, las
curvas de saturacibn de sustrato para la inhibición
aIostéríca son sigmoideas, por lo cual no se aplica la
ecuación de Michaelis-Menten. La evaluacibn cuantitativa de la cooperatividad de las enzimas alostericas
utiliza la ecuacicin de Hill. Para procesos biosintéticos,
la inhibicibn por retroalimentaciOn incluye metaboiitos reguladores, que se encuentran en la biocintesis
"corriente arriba" de la enzima regulada (por ejemplo, inhibición de la aspartato transcarhomilasa por
CTP). En secuencias de reacciones catabólicas, metabolitos "corriente abajo en la biodegradacion" de la
enzima en cuestibn actúan como reguladores (como
la inhibición de fosfofructocinasa por ATP o citrato).
Cuando más de un metabolito puede regular por
retroalimentación a una enzima dada, la accion de
estos metabolitos reguladores múltiples puede ser
acumulativa, cooperativa o multivalente. Adernris, un
metabolito dado puede regular la actividad de varias
enzimas, cada una de ellas única para una secuencia
particular de reacciones rnetabálicas (asas múltiples
de retroalimentacibn).
En el ser humano y otros eucariotes, la actividad
de numerosas enzimas es regulada por modificacibn
covalente, siendo la forma más cornun la fosforilacibn
dependiente de ATP con elirninaci6n hidrolitica de fosfato como ortofosfato inorgánico. La fosforilación selectiva y la desfosforilaciiin subsiguiente, cn parlicular
de residuos específicos de Ser o Tír, son catalizados
por proteínas cinasas y proteínas fosfatasas (cnzimas
convertidoras). A su ve& la actividadde estas en7imasconvertidoras puede ser regulada. Por tanto, la enzima
blanco y sus enzimas convertidoras pueden constituir
una porcibn de una cascada reguladora que responde
a una sefial disparada por una hormona o por un
segundo mensajero como cAMP. II
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Bioeneraetica: la función de AñP
+ir
Peter A. Mayes, PhD, DSc
La bioenergética o termodinhrnica bioquimica, es el
estudio de los cambios de energía que acompaíían a
las reacciones bioqulmicas. Proporciona los principios que explican la causa de que algunas reacciones
puedan producirse en tanto que otras no. Los sistemas
no bioldgicos pueden utilizar la energia calorífica para
realizar trabajo, pero los sistemas bioIbgicos son en
esencia isotbrmicos y emplean la energla química
para energizar el proceso de la vida.
IMPORTANCIA BIOQU~MICA
Para proveer la energia que capacite a! ser vivo para
llevar a cabo sus procesos normales, se requiere un
combustible adecuado. Entender la forma en que los
organismos obtienen esta energía de sus alimentos
basico para comprender la nutrici6n y el metabolismo
nomales. La muerte por inanicibn se produce cuando
las reservas energeticas disponibles se agotan y ciertas
formas de desnutrición se relacionan con un desequilibrio de la energía (marasmo). El índice de emisión de
energía, medida por el indice rnetab6lic0, se controla
por las hormonas tiroideas cuya disfuncion es una
causa de enfermedad. El almacenamiento excesivo del
suministro de energia produce obesidad, una de las
enfermedades más frecuentes de la sociedad occidental.
Los sistemas biológicos cumplen
con las leyes generales de la
termodinámica
La primera ley de la termodinhrnica establece que Ta
energía total de un sistema, incluyendo la de su
entorno, permanece constante, ksta es también la ley
de la conservacibn de la energia. Implica que durante
cualquier cambio dentro del sistema completo, w se
pierde ni se gana energia. Sin embargo, dentro de ese sistema total, la energía puede transferirse de una parte
a otra o puede transformarse a otm forma de energia.
Por ejemplo, Ia energia química puede convertirse en
calor, electricidad, energia radiante o energía mecánica
en los sistemas vivos.
La segunda ley de la termodinámica establece
que si un proceso se produce espanthneamente, la
entropia total de un sistema debe aumentar. La
entropia representa e1 grado de desorden o lo fortuito
del sistema y se torna mfixima en un sistema cuando
&te se aproxima at equilibrio verdadero. En condiciones
de temperatura y presibn constantes, la relaci6n entre
el cambio de energia libre (AG) de un sistema en
reacci6n y el cambio de la entropia (AS) estfi dada por
la siguiente ecuación, que combina las dos leyes de la
termodinhica:
LA ENERG~ALIBRE ES LA ENERG~A
UTIL EN UN SISTEMA
El cambio en la energia libre (AG) es esa porci6n del
cambio de la energía total de un sistema que está
disponible para realizar trabajo; es decir, la energía
iitil, conocida tarnbikn en los sistemas químicos como
potencial qilimica.
donde hH es el cambio de la entalpía (calor) y T es
la
absoluta.
Bajo las condiciones de las reacciones bioquímicas, debido aque A-3 es aproximadamente igual a AE, que
es el cambio total en la energía interna dc la reacción,
la relacibn anterior puede expresarse de la manera
siguiente:
Si AG es de signo negativo, la reacción procede de
manera espontánea con pdrdida de energla libre, es
decir, es exergónica. Cuando, adembs, AG es de gran
magnitud, la reaccicín se dirige virtualmente a su
consumaci6n y es esencialmente irreversible. Por otra
parte, si AG es positiva, la reaccidn procede s61o si
puede ganarse energia, es decir, es endergónica. Si,
ademas, la magnitud de AG es grande, el sistema es
estable con poca o ninguna tendencia para que se
produzca una reaccibn. Si AG vale cero, el sistema esta
en equilibrio y ningUn cambio neto tiene lugar.
Cuando los reactantes esthn presentes en concentraciones de 1 .O mol!L, AG' es el cambio de la energia
libre esiandar. En las reacciones bioquímicas. una
condicióti estándar se define con un pH de 7.0. El
cambio de la energia libre estlndar a este pH se
designa por AG".
Puede calcularse a partir de la constantedeequilibrio K',
AG*'= - 2.303 RT log Ks,
donde R es la constante de los gases y T es la temperatura absoluta (capítulo 9). Es importante destacar que
la 3G real puede ser mayor o menor que AG", segiin la
concentracion de los diversos reactantes, incluso el
solvente, varios iones y proteinas.
En un sistema de reacciones bioquimicas, debe
apreciarse que una enzima s61o las acelera hasta liegar
al equilibrio: esto nunca modifica la concentracion
final de los reactantes en equilibrio después de su
desprendimiento de la enzima.
calor, los t$minos químicos nomiales exotémico y
endotermico no pueden aplicarse a estas reacciories.
En su lugar, se emplean las palabras exergunico y
endergbnico para indicar que un proceso se acornpafia
con perdida o ganancia, respectivamente, de energía
libre, independientemente de la forma de energia de
que se trate. En la prhctica, un proceso endergónico
no puede existir solo, sino que debe ser un componente
de un sistema acoplado exergónico-endergónico
donde el cambio neto global es exergonico. Las reacciones exergiinicas constituyen el cata bolismo (degradacion u oxidacián de moléculas combustibles), en
tanto que las reacciones sintéticas que fuman sustancias
se denominan anabolismo. El conjunto de procesos
catab6licos y anabblicos constituye el metabolismo.
Si la reacción mostrada en la figura 12-1 se
mueve de izquierda a derecha, e\ proceso global debe
estar acompaiiado por pérdida de energia libre como
calor. Puede concebirse un mecanismo posible de
acoplamiento si un intermediario comun obligatoria
(I)toma parte en ambas reacciones, es decir,
En los sistemas biolbgicos, algunas reacciones exergónicas y endergbnicas estan acopladas de esta
manera, DeberA apreciarse que este tipo de sistema
tiene incorporado un mecanismo para el control
biotogico de la velocidad a la cual se permite que se
produzcan los procesos oxidativos, ya que la existencia de un intermediario común obligatorio para las dos
reacciones, exergbnica y endergbnica, deja que la
velocidad de utilizacibn del producto de la vla sintetica (D)determine por acci6n de masas Ea velocidad
Calor
LOS PROCESOS ENDERGONICOS
SE LOGRAN POR ACOPLAMIENTO
A PROCESOS EXERGON~COS
Los procesos vitales -como las reacciones sintéticas,
la contracción muscular, la conduccione~de impulsos
nerviosos y el transporte activo- obtienen energía
por enlace quimico o acoplamiento, con las reacciones oxidativas. De manera más simple, este tipo de
acoplamiento puede ser representado como se muestra
en la figura 12-1. La conversibn del metabolito A al
metabolito B produce energia libre. Esta se acopla con
otra reacción, en la cual se requiere energia libre para
convertir el metabolito C al metabolito D. Como parte
de la energia liberada en la reacci6n degradativa se
transfiere a la reaccibn sinte-tica en forma diferente al
Energía
qulmica
Figura q2-1. Aco'plamiento de una reaccidn exergbnica y
una endergbnica.
n la cual A es oxidado. De hecho, estas relaciones
proporcionan una base para el concepto del control
respiratorio, proceso que evita que un organismo
fuera de control se incendie. Una extensión del concepto
de acoplamiento lo dan las reacciones de deshidrogenación. que están acopladas a hidrogenaciones por
iin portador intermediario (figura 12-2).
U n metodo alterno de acoplar un proceso exergónico a unti enderghnico es sintetizar un compuesto
con alto potencial energético en la reaccion exergonica
e incorporar cstc nuevo compuesto a la cndergbnica,
efectuando así una transferencia de energía libre de la
via exerg~nicaa la endergónica. En la figura 12-3, -@
es un compuesto con un alto potencial energetico y @ cs
el compuesto correspondiente con bajo potencial enercélico. I,a ventaja biológica de este mecanismo es que
u
-@, al contrario de 1 en el sisten~aanterior, no necesita
tener una estructura seme-jante a A, R, C o D. Esto
J actuara como transductor de energía
perm itiria que K
desde una amplia gama de reacciones exerglinicas a
un igualmeiite extenso grupo de rcnccioncs o procesos
endergónicos, como se muestra en la figura 1 2 4 . Por
otro lado, en la cdlula viva, el principal compuesto
intermediario o portador de alta energía (designado
es el trifosfato d c adcnosina (ATP, del iriglés.
~r(ic~i7osine
f ripho.~phate).
-a)
LOS FOSFATOS DE ALTA ENERG~A
DESEMPENAN UNA FUNCIÓN PRINCIPAL
EN LA CAPTURA X TRANSFERENCIA
DE ENERGIA
Para conservar los procesos de la vida, todos los
organismos debcn obtener suministros de energia libre
a partir de su entorno. Los orgmisinos autótrofos acoplan su metabolismo a aEgiin proceso exergónico simple
en su entorno; por .ejemplo, las plantas verdes utilizan
la energía de la luz solar y ciertas bacterias autotrofas
utilizan la reacción FeZ' -r Fe3'. Por otro lado, los
organismos heterbtrofos obtienen energia libre mediante el acoplamiento de su metabolismo a la rotura
de moléculas orghnicas cornple-jas procedentes de su
Figura 12-3. Transferencia de energla libre de una reacción
exergonica a una endergbnica a travhs de la formación de
un compuesto de alta energía.
entorno. En todos estos organismos, el ATP desempefia una funcihn en la transferencia de la energia libre
de las reacciones exerg~nicasa las endergíinicas
(figuras 12-3 y 124). El ATP es un nucleiitido especiaIizado que contienc adenina, ribosn y tres grupos
fosfato. En sus actividades celulares, funciona como
un complejo con Mp7+(figura 12-51.
La imporiancia de los fosfatos en el metabolismo
intermedio se hizo cvidente con el descubrimiento de
los detalles quiniicos de Ia glucólisis y de la función
del ATP, del difosfato de adenosina (ADP, dcI inglés,
udenosine djphosphuie) y del fosfato inorghnico (P,)
en este proceso (capítulo 19). El ATP se considerh
Proceso
enderg6nlco
Excitacibn
nerviosa
activo
Figura 12-2. Acoplamiento de las reacciones de deshidrogenactbn e hidrogenacrón mediante un portador tntermediario
Figura 12-4- Transduccibn de energla a los procesos
biolbgiees que la requieren (endergbnims) a través de un
compuesto común de alta energia
138
Bioquimica de Harper
se debe a la carga de repulsilin de los ritomos de oxigeno
adyacentes, con carga negativa y a la estabilización de
los productos de la reaccion, especialmente fosfatos,
como híbridos de resonancia. Orros compuestoc de importancia bíologica que se clasifican como "compuestos
de altaenergia" son tioésteresentre losquese encuentran
ésteres de la coenzima A (por ejemplo, acetil-COA),
proteínas acilportadoras, esteres de aminoácidns que
participan en la síntesis proteínica, S-ad~nosilmetionina
(metionina activa) UDPGIc (uridindifosfato glucosa)
y PRPP (S-fosforrihosi 1-pirofosfato).
Figura 12-5. El trifosfato de adenosina se muestra aquí
como un complejo de magnesio. El ADP forma u n complejo
similar con ~ g ~ ' .
como un medio de transferir radicales fosfato en el
proceso de la fosfonlacion. La función del ATP en la
energdtica bioquimica fue descubierta en experimentos que demostraron que el mencionado ATP y la
fosf'ocreatina eran degradados durante la contraccion
muscular y que su síntesis ulterior dependia del
suministro de energia procedente de procesos oxidativos en el rnUcculo. No fue sino hasta que Lipmann
introdu-jo el concepto de "fosfatoc de alta energia" y
el de "enlace fosfato de alta energia", que la función
de estos compuestos en hioenergdtica se apreció con
claridad.
El valor intermedio para Ia energía
libre de la hidrólisis de ATP comparado
con el de otros organofosfatos tiene un
importante significado bioenergético
En el cuadro 12-1 se muestra la enesgla libre esthndar
dc la hidrólisis de varios fosfatos importantes desde el
punio de vista bioquirnico. Es posihEe obtener el c8lculo
de la tendencia comparativa de cada uno de los grupos dc
fosfatos para transferir energia a un aceptor adecuado,
a partir de los AG"' de su hidrólisis (medido a 37 "C). En
et cuadro se puede observar que el valor de la
hidról isis del fosfato terminal del ATP divide la lista
en dos grupos. Uno, de fosfatos de baja energía,
e~jemplilicadopor los fosfoksteres intermediarios de
la gIucolisis, tiene valores AGO' menores que el del
ATP, en tanto que en el otro grupo, designado fosfatos
dc alta energia, el valores igual o misalto queel del ATP.
Los componentes de este ultimo grupo, incluyendo al
ATP y al ADP, por lo general son anhidridos (pos
ejemplo, el I -fosfato del 1,3-difosfoglicerato), enolfosfatos (corno el fos.foenolpiruva2o)y fosfoguanidinas
(por ejemplo, focfato de creatina, fosfato de arginina).
La posicicin intermedia del ATP le permite desernpefiar
una fi~nciánimportante en la transferencia de energía.
El alto cambio de energía libre en la hidrólisis de ATP
Los fosfatos de alta energia
se designan por el símbolo
-@
Lipmann introdujo el slmbolo -@, para indicar la
presencia del enlace fosfato de alta energia. El simbolo seiiala que cl grupo adherido al enlace, en la
transferencia a un aceptor apropiado, traspasa la mayor
cantidad de energia libre. Por esta razlin algunos prefieren el termino "potencial d e transferencia de
griipo" al de "enlace de alta energia". Asi, el ATP cnntiene dos grupos fosfato de alta energia y el ADP contiene
uno, mientras que el enlace fosfato del AMP (monofosfato de adenosina) es del tipo de baja energia ya
que se trata de un enlace Cster normal (figura 1 2 4 ) .
Cuadra 12-1. Energía libre estlindar
de la hidr6lisis de algunos fosfatos orgánicos
e import:incia bioc
-"
--
--
---AA~
l
rompuesto
Fosfocnolpiruvato
CarbamillFisFato
1,3-Diti)sfi~gIliccrato f a
glicerato)
Fosfocreatin~
I'P -+ ADP
A11I' + AMI
,. .+
I'il '010S1iit0
Gl ucosa I-fo!sfato
Friuctusa h-fosfato
AFvil'
G1ucosa 6-foi
G1icerol 3-fo!
-
* P i, ortofosfatc
+ Valores de ATP y ntms rnbs tomados de Krebs y Krirnberg
(1957). Los valores difieren entre investigadores según las situacioncs precisas bajo la cuales se efeclunron las mediciones.
I
Adenosina - O -
P-0-P-O-P-0-
II
11
o
Fosfoenol piruvato
I
I
o
1,3-Difosfogliceratc
Fosforilación
oxidativa
II
o
Trifosfato de adenoslna (ATP)
I
Adenosina - O - P - O
H
-
a
o Adenosina
1
P- OII
O
-@-@
Disfosfato de adenosina (ADP)
I
Adenoctna - O - P
11
- O-
o
o Adenosina
- '@
Otras fosforilaciones,
Monofoslato de adenosina (AMP)
activaciones y procesos
endergbn~cos
Figura 12-6. Estructuras del ATP, ADP y AMP que muestran
la posición y el número de fosfatos de alta energía
(a)
\
//
Glicerol 3-fosfato
Glucosa 6-fosfato
Glucusa 1.6difosfato
LOS FOSFATOS DE ALTA
ENERG~AACTUAN COMO
LA "ENERGIA
CIRCULANTE"
DE LA CELULA
Como consecuencia de su posición media en la lista
de energías libres cstándar de la hidrblisis (cuadro
12-1 ), el ATP puede actuar como donador de fosfato de
alta energía para formar aquellos compuestos que
están después de él en Ia lista. Asimismo, el ADP
puede aceptar fosfato de alta energía proveniente de
aquellos compuestos que estén en la parte superior del
cuadro, para formar ATP, siempre y cuando se disponga de la maquinaria enzimlitica adecuada. En
efecto, un ciclo ATPIADP conecta los procesos que
generan *a
las reacciones que lo utilizan (figura
12-7). As[, el ATP se consume y regenera de manera continua. Esto tiene lugar a una velocidad muy rápida,
dado que el depósito ATP/ADP total es en extremo
pequeno y suficiente para mantener un tejido activo
s61o durante algunos segundos.
Hay tres ruentes principales de -@, que toman
parte en la conservación o captura de la energía:
1) Fosforilaci6n oxidativa: Ésta es la fuente
los organismos
cuantitativa mayor de -@en
aerobios. La energía libre para conducir este
proceso procede de la oxidacibn de la cadena
Figura 12-7. Función del uclo ATPlADP en la transferencia
de fosfato de alta energia. Obdrvese que @no existe en
un estado libre sino que es transferido en las reacciones que
se muestran
respiratoria empleando O? rnolecular dentro
de Ias mitocondriats (capítulo 13).
2) GIucblisis: Hay una t'ormacibn neta de dos
@como resultado de la formación de Iactato
a partir de una mol8cula de glucosa, generados
en dos reacciones catalizadas por la fosfoglicerato cinasa y la piruvatocina, respectivamente (figura 19-2).
3) Ciclo del hcido cítrico: En el ciclo se genera
un
directamente en el paso catalizado pos
la succinil tiocinasa (figura 18-3).
a,
Otro grupo de compuestos fosfhgenos representado
en el cuadro actúan como formas de almacenamiento
de fosfato de alta energía. En éste se incluye a la
fosfocreatina, que existe en el músculo esquelético, en
el com6n, los ecpermatomides y en el cerebro de los
vertebrados, y la fosfoarginina, que s61o se encuentra
en el músculo de los invertebrados. En condiciones
fisiológicas, esta reaccilin permite que las concentraciones de ATP se conserven en el m.iisculo, aunque
esté utilizindose rhpidamente, porque la fosfocreatina
I4O Biquímica de Harper
(Capítulo 12)
sirve como fuente de energía para la contraccion muscular. Por otra parte, cuando el ATP es abundante, su
concentración puede funcionar como almacén de fosfato de alta energia (figura 12-8). En el muscrilo, se
ha descrito una lanzadera de fosfato de creatina que
traslada fosfato de alta energía de las mitocondrias al
sarcolema y que actua como un amortiguador del
mismo {figura 14-16). En el miocardio, este amortiguador puede ser importante para proveer una protección inmediata contra los efectos del infarto.
Cuando el ATP actiia como donador de fosfato
para formar aquellos compuestos de menor energia
libre de la hídrólisis (cuadro 12-11, el grupo fosfato
es convertido invariablemente en otro de baja energía,
por ejemplo:
-@)a
-@
Glicerol -@ + Adenosina - @ - @
Glicerol + Adenocina
de la glucosa. Tal reaccihn es la hidrblisis del fosfato
terminal del ATP.
(2) ATP
t ADP
+ P (AG"=
- 30.5 kJlmol)
Cuando (1) y ( 2 ) se acoplan en una reacción catalizada
por la hexocinasa, la fosforilación de la glucosa
avanza con facilidad en una reaccibn altamente exergónica que en condiciones fisiolbgicas dista mucho
del equilibrio y, por tanto, es irreversible para propbsitos prhcticos.
Glucosa + ATP 9-
Glucosa 6-fosfato + ADP
(AG"= - 16.7 kJlmol)
Muchas reacciones de "activación" siguen este
modelo.
El ATP permite el acoplamiento
de reacciones desfavorables
en el aspecto termodinámico
con otras favorables
La energktica de las reacciones acopladas se describe
con m& detalfe en las figuras 12-1 y 12-3. Tal reacción
es la primera en la vía de glucólisis (figura 19-2), la
fosforilación de la glucosa a glucosa 6-fosfato, que es
endergónica por excelencia y que, en condiciones
fisiológicas, podria no proceder en esa forma.
La adenilil cinasa produce
la interconversión de nucleótidos
de adenina
La enzima adenilil cinasa (miocinasa) esta presente en
la mayoria de las células. Cataliza la interconversion
de ATP y AMP por un lado y de ADF por el otro:
( 7 ) Glucosa +. Pi + Glucosa 6-fosfato+ H20
(AG" = + 13.8 kJlrnol)
ATP + AMP
>-
f
2 ADP
Para que tenga lugar, la reacci6n debe estar acoplada
con otra que sea más exergbnica que la fosforilacibn
Esta reaccibn tiene tres funciones:
'Ha
HIC-N
\
G-N
1
ADP
?'a'
Coow
-
ATP
(dGO' -12.6 W/moll
Fasfato de creatina
cm
Creatina
Flgura 724. Transferencia de fosfato de alta energla entre
el ATP y la creatina.
1) Permite al fosfato de afta energia del ADP ser
usado en la formación de A V .
2) Permite al AMP, formado como consecuencia
de diversas reacciones de activacibn en las que
interviene el A V , ser fosfosilade nuevamente
para formar ADP.
3) Permite al AMP, el cual aumenta en concentracibn cuando el ATP se agota, actuar como
una seflal metabblica (alostérica) para incrementar la velocidad de las reacciones catabólicas, las que a su vez llevan a la generacidn de
rnhs ATP (capitulo 2 1).
Cuando el ATP reacciona
para formar AMP, se forman
pirofosfatos inorgánicos (PPi)
Otros trifosfatos de nucleósidoc
toman parbe en la transferencia
de fosfatos de alta energia
Este proceso tiene lugar, por ejemplo, en la activacibn
de los ácidos grasos de cadena larga:
Por medio de la enzima nucle6sido difosfatocinasa.
los trifosfatos de nucleósidos semeiantes al A'TP, pero
que contienen una base distinta de la adenina, pueden
ser sintetizados a partir de sus difosfatos, por ejemplo:
ATP + COA SH + R COOHAMP
* PPi + R
DIFOSFATOClNASA
COCCoA
La reaccibn se acompafía de perdida de energia libre
en forma de calor, lo cual asegura que la reaccibn de
activación se desplace hacia la derecha; esto es facilitado ulteriormente por la escisión hidrolitica del PP,
catalizada por la pirofosfatasa inorghnica, reacción
que por sí sola tiene un elevado AGO' de -27.6 kJ/mol.
Obsérvese que la activacidn por la ruta del pirofosfato
produce una perdida de dos
en lugar de uno que
es lo que se pierde cuando se forman ADP y P,.
A f P + UDP->
ADP + UTP
(trifosfato de uridina)
ATP + GDP
ADP + GPT
(trifosfato de guanosina)
ATP + CDP<>
-
ADP + CTP
(trifosfato de citidina)
a,
PIROFOSFATASA
La combinacibn de las reacciones anteriores hace
posible que el fosfato pueda utilizarse de nuevo y que
los nucleótidos d e adenina se intercambien (figura 12-9).
Todos estos lxifosfatos intervienen en las fosfonlaciones
en la célula. De modo similar, las nucleósido monofosfato cinasas específicas de cada nucleósido de purina
o pirimidina, catalizan la formación de difosfatos de
nucleósido a partir de los rnonofosfatos cosrespondientes.
ATP + Nucleósido
-@
P
ADP
* Nucleósido -@ -@
Por tanto, la adenilil cinasa es una monofosfato cinasa
especializada.
RESUMEN
I
ADP
Flgura 12-9. Ciclos del fosfato e intercambio de los nucledtidos de adanina.
1) Los sistemas biolbgicos son isotkrmicos en
esencia y usan energia química para suministrar
energía a los procesos de los seres vivientes.
2) Las reacciones son espontheas cuando hay
pérdida de energia libre (AG es negativa); es
decir, son exergiinicas. Si AG es positiva, la
reaccibn tiene lugar 5610 si puede disponerse
de energIa libre; es decir, es endergbnica.
3) Los procesos endergbnicos se efectúan sblo
cuando se acoplan a procesos exerg6nicos.
4) El ATP actúa como la '"moneda circulante" o
"corriente energktica" de la cdlula, transfiriendo energia libre derivada de sustancias
con mayor potencial energético a las de potencial menor.
142 Bioqquimica de Hurper
(Capítulo IZ)
REFERENCIAS
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Oxidación biolóqica
V
Peter A. Mayes, PhD, DSc
y, en ocasiones, la administración de oxigeno a presiones
altas (terapéutica con oxigeno hiperbarica) ha proEn química, Ia oxidacidn se define como la pérdida de
electrones y la reducción como la ganancia de ellos;
esto se ilustra mediante la oxidación del ion ferroso
en férrico.
e- (electrón)
'i
En consecuencia, la oxidación está siempre acompaiíada por la reduccion de un aceptor de electrones.
Este principio de oxidacibn-reducción se apiica del
mismo modo a los sistemas bioquimicos y es un
concepto importante en la comprensidn de la naturaleza de la oxidacion biolbgica. Se apreciar&que
numerosas oxidaciones biologicas pueden tener lugar
sin la participaciiin del oxígeno molecular, por ejemplo, las deshidrogenaciones.
IMPORTANCIA BIQMÉDICA
Aunque ciertas bacterias (anaerobias) sobreviven en
ausencia de oxfgeno, la vida de los animales superiores
depende de manera absoluta de su suministro. ES uso
principal de este es en la respiracibn, que puede ser
definida como el proceso por el cual las cdlulas obtienen energía, en forma de A V , de la reaccibn controlada del hidrbgeno con el oxigeno para formar
agua. Además, el oxigeno molecular es incorporado a
una variedad de sustratos por las enzimas designadas
como axigenasas; muchos medicamentos, contaminantes ambientales y carcinbgenos quimicos (xenobibticos) son metaboli7ados por enzimas de esta clase,
conocida como el sistema del citocromo P450. La
administración de oxigeno puede salvar la vida de
pacientes con insufíciencia respiratoria o circulatoria
bado ser valiosa, aunque puede causar intoxicaciún.
LOS CAMBIOS DE ENERG~ALIBRE
PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS
DEL POTENCIAL REDOX
En las reacciones que implican oxidacián y reducción,
el intercambio de energia libre es proporcional a la
tendencia de las sustancias reaccionantes para donar
o aceptar electrones. De este modo, además de expresar
eI cambio de energía en términos de A G ' (capitulo
~
1S),
es posible, de manera análoga, expresarlo numkricamente como un potencial de oxidación-reduccibn
o potencial redox (E'& FA usual comparar el potencial
redox de un sistema (E,) contra el potencial del electrodo de hidrógeno, el cual, a pH O, se designa como
0.0 voltios. Sin embargo, para los sistemas biológicos
es normal expresar el potencial redox (E',) a pH 3.0 en
el cual el potencial del electrodo de hidrdgeno es -0.42
voltios. Los potenciales de oxidorreducci6n de algunos
sistemas redox de interés especial en la fisiología de los
mamíferos están indicados en el cuadro 13-1. La lista
de potenciales redox que se muestran en el cuadro
permite predecir la dirección del flujo de electrones
de un par redox al otro.
LAS ENZIMAS QUE INTERVIENEN
EN PROCESOS DE OXIPACIÓN
Y R E D U C C I ~ NSE DENOMINAN
OXIOORREDUCTASAS
En la siguiente descripcibn, las oxidorreductasas se
clasifican en cuatro grupos: oxidasas, deshidrogenasas, hidroperoxidasas y oxigenasas.
(Capitulo 13j
Cuadro 13-1.
.Algunos potenciales redox
importaricia espm
temas
de oxid acitin en
-
-+"
IS
'
m
-
-
"nlt;nn
Figura 13-1. Oxldacibn de un metabolito catalizado por una
oxidasa (A) que forma H20, ('B) que forma H202.
Citocromo
Il hiquinon
Citocromo
LAS OXIDASAS UTILlZAN OXÍGENO
COMO ACEPTOR DEL HIDRÓGENO
Las oxidasas catalirart la eliminacihn de hidrógeno be un
sustrato iisando al oxígeno como aceptor de
hidriigenoa. Forman agua o peróxido de: hidrbgeno como
u n producto de la reacción (figura 13-1).
Algunas oxidasas contienen
cobre
Idacitocrorno oxidasa es una hemoproteínaamplíarnente
distribuida en muchos tejidos, pues tiene cl típico
grupo prostetico hem presente en la rnioglobulina,
hemoglcibulina y otros citocromos (capitulo 7). Es el
cornpcincnte terminal de la cadena de portadores rcspiratorios que se encuentran en las mitocondrias y resulta. de este modo, responsable de la reacción por la
cual los electrones que provienen de la oxidación dc
las moléculas del sustrato por las deshidrogenasac son
transferidos a su aceptor final, e1 oxígeno. La enzima
e5 envenenada por el monbxido de carbono, el cianuro y el bcido siilfhídrico. TamhiCn se le ha llamado
ci~ocromoa,. A1 principio, se pensó que el citocromo a
y el citocrorno a3 eran compuestos separados, dado
que cada uno tiene un espectro distinto y propiedades
diferentes con respecto a los efectos del monóxido de
carbono y el cianuro. Estudios mhs recientes demuestran que los dos citocromos estiin combinados con la
misma proteína y el complejo se conoce como ci-
*
Algunas veces el tkrmino "oxidasa" se utiliza indistintamente para nombrar n todas las enzimas que catalizan
reacciones en que interviene oxlgeno rnolecular
tocromo uaf. Contiene dos moleculac de hem, teniendo cada una un &tomode Fe, que oscila entre Fe"
y Fe2- durante la oxidacibn y la reduccién. Además,
están presentes dos aíomos de Cu, ligado cada uno con
una unidad hemica.
Otras oxidasas son flavoproteínas
Las ~nzimasflavoproteinicascontienen rnononucle6tido
de flavina (FMN,del ingl&s,flavin rnononucleotide)
o dinucleliticlo dc flavina y adenina (FAD, del
ingles, flavin adeninc u'inucleorrde) como grupos
prost&icos. El FMN (figura 52-2) y FAD (figura 52-31
se forman en el cuerpo a partir de la vitamina rihoffavina (capitulo 52).
Por lo general, EMN y FAD están unidos estrcchamente -pero no por covalencia- a su respectiva
proteina, apoenzima. Numerosas enzimas flnvoproteinicas contienen uno o mAs metales como cofactores
esenciales y se conocen como metaloflavoproteinas.
Las enzimas que pertenecen a este grupo de oxidasas incluyen a la ~ a m i n a a c i d ooxidasa, una
enzima ligada al FMN que se encuentra en el riñiin
con especificidad general para la desaminacibn oxidativa de los L-an~inoicidosque se encuentran en la naturaleza. La xantina oxidasa tiene una extensa distribución, pues se encuentra en la leche, en el intestino
delgado, el rirlon y el hígado. Contiene molibdeno
y desempefla una fincibn importante en la conversión
de las bases púricas en ficido úrico (capitulo 36). Es de
particular irnportaicia en el higado y los tifionec de las
aves, las cuales excretan hcido úrico como el principal
producto final nitrogenado, no sblo del metabolismo
de las pwinas, sino también del catabolismo de las
protetnas y aminodcidos.
La aldehido deshidmgenasa es una enzima ligada al FAD que se encuentra en el hígado de los
marniferos. Es una metaloflavoproteina que contiene
molibdeno y hierro no h6mico la cual actúa sobre
aldehidos y sustratos N-heterociclicos.
La glucosa oxidasa, una enzima FAD especifica
preparada a partir de algunos hongos, es de interés ya
que se emplea para deteminar glucosa.
Oxidación biológica
Los mecanismos de oxidacibn y reducciiin de
estas enzimas son complejos. Sin embargo, la evidencia seaala que la reduccihn del anillo de isoaloxacina
se efectúa en dos pasos por la via de una serniquinona
(radical libre) intermediaria (figura 13-2).
AH2
,Red)-\/D
PoFtador
(OX,
Portador-H2
O
DEStIIDROGENASA
ESPECIFICA
PARA A
LAS DESHIDROGENASAS
PUEDEN USAR OXIGENO
NO
Son numerosas las enzimas de esta clase. Llevan a
cabo dos funciones principales:
1) Transferencia de hidrdgeno de un sustrato a
otro en una seaccibn de oxidacihn-reduccibn
acoplada (figura 13-3). Estas deshidrogenasas
son especificaspara sus sustratos, pero a menudo
utilizan la misma coenzima o portador de
hidrogeno qiie otras deshidrogenasas por
ejemplo NAD'. Cuando las reacciones son
reversibles, estas propiedades permiten que
los eqiiívalentes reductores se transfieran con
libertad dentro de la cklula. Este tipo de reacción, que habilita a un sustrato para ser oxidado
a expensas de otro, tiene utilidad particular
para permitir los procesos oxidativos en
ausencia de oxígeno, como sucede durante la
fase anaerobia de la gIuchlisis (figura 19-2).
2) Como componentes m una cadena respiratoria de transporte de electrones del sustrato
al oxigeno (figura 13-43,
Muchas deshidrogenasas dependen
de coenzirnas de nicotinamida
Muchas deshidrogenasas son especiticas para dinucleótido de adenina y nicotinamida (NAD', del
ingles, nicotinamideadenrne dinucleoride)o para fosfato de dinucieótido de adenina y nicotinamida
(NADP', del inglés, nicotinamide adenine dhucleolide phosphare) como coenzimas. Sin embargo,
algunas deshidrogenasas pueden usar en forma in-
145
DESHIDROGENASA
ESPECIFICA PARA B
Figura f3-3. Oxidación de un metabolita catalizado por
deshidroaenacas amaladas
distinta NAD' o NADP". Los NAD' y NADP' son
formados en el cuerpo a partir de la vitamina niacina
(figura 5 2 4 ) . Las coenzirnas son reducidas por el
sustrato específico de la deshidrogenasa y oxidadas de
nuevo por un aceptor de electrones adecuado (figura
13-5). A diferencia de FMN y FAD', tienen la peculiaridad de disociarse libremente y de modo reversible
de sus apoenzimas respectivas.
Por lo general, las deshidrogenasas ligadas al
NAD cataban reacciones de oxidorreducciiin en la
vía oxidativa del rnetaboIismo, particularmente e n
la glucólisis, en el ciclo del Acido citrico y en la cadena
respiratoria de la rnitocondria. Las deshidrogenasas
ligadas al NADP se encuentran característicamente en
la síntesis reductora, como en la vía extrarnitocondrial
de la slntesis de los Acidos grasos y de los estecoides.
También se encuentran como coenzimas de las deshidrogenasas en la vfa de la pentosafosfato. Por otro lado, se
ha descubierio que algunas deshidrogenasas dependientes de las coenzimas de nicotinamida contienen cinc,
de modo remarcable la alcohol deshidrogenaca del
higado y la gliceraldehido-3-fosfatodeshidrogenasa
del músculo esquelktico. No se considera que los
iones cinc participen en la oxidacibn y reducción.
Otras deshidrogenasas dependen
de la riboflavina
Los grupos flavínicos relacionados con estas deshidrogenasas son semejantes a los FMN y FAD que se
presentan en las oxidasas, Están, en gencral, más estrechamente unidas a sus apoenzimas que las coenzimas
Figura 13-2. Oxidorreduccibn del anillo isoaloxacina en los nucléotidoc de Ravina
146
Bio~uiminicade Harper
(Capitulo 13)
Figura 1 3 4 . Oxidacibn de un metabolito por deshidrogenasas y, finalmente, por una oxidasa en una cadena respiratoria.
de nicotinamida. La mayoría de las deshidrogenasas
anaerobias ligadas a la riboflavina están implicadas en
el transporte de electrones en (o hacia) la cadena respiratoria (capitulo 14). La NADH desbidtogenasa es
un miembro de la cadena respiratoria que actliacomo un
transportador de electrones entre el NADH y los componentes mhs electropositivos (figura 14-3). Otras
deshidrogenasas, como la succinato deshidrogenasa, la acil-COAdeshidrogenasa y la glicerol-3fosfato deshidrogenasa mitocondrial transfieren
equivalentes reductores de manera directa desde el
sustrato a la cadena respiratoria (figura 14-4). Otro
papel de las deshidrogenasas dependientes de la flavina es deshidrogenar el lipoato reducido (dihidrolipoil
deshidrogenasa), un intermediario en la descarboxilacibn oxidativa del piruvato y el alfa cetoglutarato
(figura 14-4). En este caso particular, debido al bajo
potencial redox, la flavoproteína (FAD} actiia como un
portador de electrones desde el lipoato reducido al
NAUt (figura 19-5). La flavoproteína que transfiere electrones es un transportador intermediario de
electrones entre la acil-COA deshidrogenasa y la cadena respiratoria (figura 144).
Los citocromos pueden considerarse
también como deshidrogenasas
Excepto por la citocromo oxidasa (descrita previamente), los citocromos están clasificados como
deshidrogenasas. Su identificación y estudio se facilitan
por la presencia, en cl estado reducido, de banda5
características de absorción, 1% cuales desaparecen cn la
oxidación. En la cadena respiratoria, intervienen
como portadores de electrones desde las flavoproteinas por un lado hasta la citocromo oxidasa por otro
(figura 14-4). Los citocromos son hemoproteinas que
contienen hierro, en las cuales el &romode este metal
EzEcl
ESPECIFICA PARA 6
Figura 13-5. Mecanismo de oxidación y reduccibnde las coenzimac de nicotinamida Hay estereoespecificidadalrededor de
la posicibn 4 de la n~cotinamidacuando es reducida por un sustrato AH2. Uno de los átomos de hidrbgeno es removido del
sustrato como un n~icleode hidrágeno con dos electrones (ion hídndo, H 2 y es transferido a la posicidn 4, donde puede
adherirse en las posiciones A o B de acuerdo a la especificidad determinada por la deshidrogenasa particular que cataliza la
reaccidn. El hidrbgeno remanente del par removido del cuctrato se conserva libre como ion hidrbgeno.
Oxidación hiolh~ica 147
oscila entre Fe3' y Fe2+durante la oxidación y la
reducciirn. Varios citocromos identificables se encuentran en la cadena respiratoria, es decir, los citocromos b, CI, c, a y al (citocromo oxidasa). De estos, sólo
el citocromo c es soluble. Además de la cadena respiratoria, los citocromos se encuentran en otros sitios,
por ejemplo, el retículo endoplhrnico (citocromo
P450 y Bs), las células vegetales, bacterias y levaduras.
La catalasa utiliza a l peróxido
de hidrogeno como donador y
como aceptor de electrones
La catalasa es una hemoproteína que cantíene cuatro
grupos hem. Ademfis de poseer actividad peroxídfisica, es capa? de usar una molécula de H20?como
sustrato donador de electrones y otra molécula de
H202 como oxidante o aceptor de electrones.
LAS HlDROPEROXlDASAS 'USAN
PEROXIDO DE HIDRQGENO
U OTRO PERÓXIDO ORGANICO
COMO SUSTRATO
Dos tipos de enzima entran en esta categoría: las
peroxidasas y las catalasas. Estos dos tipos se encuentran en animales y en vegetales.
Las hidraperoxidasas protegen al cuerpo de los
peMoxidos nocivos. La acumulación de perdxidos pueden
conducir a la generación de radicales libres, que a su
vez destruyen membranas y son causa posible de cáncer
y aterosclerosis (capítulos 16 y 53 para una descripción y resumen de los mecanismos de defensa contra
los radicales librcs).
Las peroxidasas reducen peróxidos
usando varios aceptores de electrones
1CATALASA
--A
En la mayoría de las condiciones in vivo, la actividad
peroxidasica de la catalaca parece ser favorecida. La
catalasa se encuenm en sangre, médula bsea, mucosas,
rifiiin e higado. Se supone que su funcidn es la desmiccibn del: peróxido de hidrógeno formado por la accibn
de las oxidasas. Los microcuerpos o peroxisomas se
encuentran en numerosos tejidos incluyendo el
hlgado. En ellos abundan las oxidasas y la catalasa, lo
cual sugiere que puede haber alguna ventaja biológica
al agrupar a las enzimas que producen H 2 0 2 con la
enzima que la destruye (figura 2 3 4 ) . Ademhs de las
enzimas peroxisomales, los sistemas mirocondriales y
microsómicos de transporte de electrones asi como la
xantina oxidasa se deben considerar como ruentes de
H202.
Aunque consideradas originalmente como enzimas
vegetales, las peroxidasas se encuentran en la leche y
en leucocitos, plaquetas y otros tejidos que intervienen en el metabolismo eicosanoide(capítulo 25). El grupo
prostético es el protohem, el cual, a diferencia de la
mayoria de las hemoproteinas, esta débilmente unido
a la apoproteina. En la reacción catali~adapor la
peroxidasa, el perdxido de hidrdgeno es reducido a
expensas de varias sustancias que actúan como dondores
de electrones tales come el ascorbato, las quinonas y
el citocromo c. La reacción catalizada por la peroxidasa
es compleja, pero la reaccibn global es como sigue:
1
PEROXIOASA
1
En los eritrocito&y otros tejidos, la enzima glutatión
peroxidasa, que c o n t i e n e selenio c o m o g r u p o
prostktico, cataliza la destrucción del HzOz y los
hidroperbxidos lipidicoc por el glutatibn reducido,
protegiendo a los Iípidos de la membrana y a la
hemoglobina contra la oxidacibn por los peróxidos
(capítulo 22).
LAS OXlGENASAS CATALliAN
LA TRANSFERENCIA DIRECTA
Y LA INCORPORACI~NDE OX~GENO
A UNA MOLÉCULA DE SUSTRATO
Las oxigenasas intervienen en la síntesis o la degradacibn de numerosos tipos diferentes de metabolitos,
más bien que m las reacciones que proveen de energía
a la dlula. Las enzirnas de este gmpo calalizan la
A'H,
1
A
1
Figura 13-6. Función de la catalasa en la destruccibn de
peroxido de hidrogeno.
148
Bioquimica de Harper
(Capítulo 13)
incorporacibn del oxigeno a una molécula de sustrato.
Esto se efectiia en dos etapas: 1) la fijación del oxigeno
al sitio activo de la enzima y 2) la reacción en la que el
oxígeno unido se reduce o es transferido al sustrato.
Hay dos subgrupos de oxigenasas:
enzimhticas conocidas ~olectivamentecomo ciclo de
la hidroxilasa (figura 13-8).
~~ki*i,l;
Fármaco-H
+ Oz + 2 ~ e +~2H-t*
Las dioxigenasas: incorporan los dos
átomos de oxigeno molecular al sustrato
(P450)
F a m i a c o 4 H + HzO + Xe3'
(P450)
La reacción básica es:
Ejemplos de ese tipo incluyen las enzimas que contienen hierro, por ejemplo, la homagentisato dioxigenasa (oxidasa) y la 3-hidroxiantranilato
dioxigenasa (oxidasa) de la fracción sobrenadante del
higado, y las enzimas que utilizan hem como grupo
prostktico, por ejemplo, la btriptófano dioxigenasa
(triptbfano pirrolasa) del hígado.
Las monooxigenasas (oxidasas
de función mixta, hidroxilasas):
incorporan sólo un átomo
de oxígeno al sustrato
El otro átomo de oxígeno es reducido a agua, por lo
que es necesario un donador adicional de elecirones o
cosustrato.
Los sistemas microsómicos de la
monooxigenaca del citocromo P450
son importantes para la hidroxilacion
de muchos fhrrnacos
Estas monooxigenasas se encuentran en los microsomas del higado junto con el citocromo P450 y el
citocromo bs. Tanto el NADH como el NADPH
donan equivalentes reductores para la reducci6n de
estos citocromos (figura 13-71, los cuales son oxidados a su vez por sustratos en una serie de reacciones
NADH
Amino oxidasa. etdtem
\
NADPH
FlavoPr~telna2
/
Flavopmteina3
+
Flavoproteina~
Entre los f i m a c o s metabolizados por este sistema
están el benzopireno, la arninopirina, anilina, morfina
y benzotelarnina. Muchos fármacos como el fenobarbital tierieri la capacidad de inducir la formación de
enzimas rnicrosOmicas y de citocromo P450.
Los sistemas mitocondriales de la
monooxigenasa del citocromo P450
catalizan hidroxilaciones de esteroides
Estos sistemas se encuentran en tejidos esteroidogenicos como la corteza suprarrenal, los testlculos, los
ovario y la placenta e intervienen en la biosíntesis de las
hormonas esteroides a partir del colesterol (hidroxilaci6n en CZZy CZO
en la separación de la cadena lateral
y en las posiciones 1 1P y 18). Los sistemas renales
catalizan las hidroxilaciones la- y 24- del 25hidroxicolecaIciferoI y el hígado cataliza Ia hidroxilaci6n en 26- en la biosíntesis de Acidos biliares. En la
corteza suprarrenal, el citocromo P450 mitocondrial
es seis veces mlis abundante que los citocromos de la
cadena respiratoria.
LA TOXICIDAD DEL OX~GENO
PUEDE DEBERSE AL RADICAL
LIBRE SUPERÓXIDO
La potencial toxicidad del oxigeno, se ha atribuido por
tanto a la formación de H202.Sin embargo, recientemente, la facilidad con la que el oxigeno puede ser
-
CNEstearil-COA desaturasa
Cit bs
/l-
A
Cit P450
+
Hidraxilaabn
Figura 13-7. Cadena de transporte de electrones en los microsomas. El cianuro (CN-) inhibe el paso indicado
NADPH t H'
o,,
r
A-OH
Figura 13-8. Ciclo de 3a citocromo P450 hidraxilasa en los microsomas El sistema mostrado es tipico de las hidroxilasas de
esleroides de la corteza suprarrenal. La citocromo P450 hidroxrlasa microsórnica del higado no requiere de la sulfoproteina
ferrica Fe2S2 El rnonoxido de carbono (CO) rnhibe el paso indicado
rcdiicido en los te-jidos al radical superóxido libre
(Oz5}y la existencia de una supcróxido dismutasa
en los rnicroorganisrnns acrobios (aiinque no en los
aiiaerobios obligados) ha sugerido que latoxicidad del
oxigcnri cs dcbida a su conversibn e n superóxidn.
Se origina superóxido cuando las flavinas reducidas -por eiernplo. presentes en la xantina deshidrogenasa- son reoxidadas de modo univalente por el
oxigeno molecular.
El superoxido puede reducir cl citocromo c oxidado
02'
+ Cit c ( ~ e ~4
' )0 2 + Cit c (Fe2+)
o ser eliminado por la prcsencia de la enzima
especifica superhxido dismutasa.
En esta ieaccicín el super6xido actúa como oxfdantc y
como reductor; los efectos quimicos cn los tejidos son
amplificados por las reacciones de las cadenas con
i-ndicalcs libres (capítulo 16). Se ha propuesto que el
0 2 ' unido al citocromo f
'450 es un intermediario en la
activación del oxigenri en las reacciones de hidroxilación (figura 13-8).
La runciiin dc Iri superhxidri disinutasa parece ser
la de proteger a los microurganismos aerobios contra
los efectos deletéreos potenciales del siiperoxído. La
enzima se encuentra en varios cornpartimicntos difer~ntes de la célula. La enzima citosólica, está compuesta
de do?subunidades similares que contienen cada una un
equivalente de Cu" y Zn2', en tanio rlue la enzima
mitocondrial contiene Mn". por lo que es similar a la
enzima que se encuentra en la bacteria. Bstc dcscubrimiento apoya la hiphtesis dc que la? mitocondrias
han evolucionado a partir dc uii procariota que entrb
en simbiosis con un protoeucariota. La dismutasaesta
presentc cn todos los principales te-jidos acrvhios. Si
bien la exposición de los animales a una atmbsfera de
100% de O2 causa un incremento adaptativo de la
enzima, particularniente en loc pulmones, la exposición
prolongada ocasiona daRn puIrnonar y muerte. Los
antioxidantes, por ejemplo, el alfa tocoferol (vitamina
E), actúan como recolectorcs d e radicales Iibrcs y
reducen la toxicidad del oxígeno (capitulo 53).
RESUMEN
1) En los sistemas biológicos, como en los
qziímicos, la oxidacihn (perdida de electrones)
1SO
Rioquimica de Harper
se acompafia siempre con la reduccibn de un
aceptor de electrones.
2) Las oxidorreductasas se clasifican en cuatro
grupos: oxidasas, deshidrogenasas, hidroperoxidasas y oxigenasas.
3) Oxidasas y deshidrogenasas tienen diversas
funciones en el metabolismo, aunque las dos
clases de enzimas desempeiian actividades
importantes en la respiración.
(Capilulo 13)
4) Las hidroperoxidasas protegen al cuerpo contra Iesion por radicales libres, mientras que las
oxigenasas realizan la hidroxilaci6n de medicamentos.
5) La toxicidad del oxígeno puede ser causada
por el radical libre super~xido.La enzima
específica super6xido dismutasa protege a los
tejidos del superóxido. I
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Yang CS, Brrdy JF, Hong SY: Dietary effects on cytochromes M50,xenohiotic metabolism. and toxicity.
FASEB J 1992:6:737
Cadena respiratoria y
fosforilación oxidativa
Peter A. Mayes, PhD, DSc
La mitocondria ha sido llamada apropiadamente, la
"casa de fuerza" de la célula, puesto que es dentro de
este organelo en donde se captura la mayor parte de la
energia derivada de la oxidacihn respiratoria. El
sistema de las rnitocondrias donde la respiración se
acopla para la generacion del Intermedio de alta energía, ATP, se denomina fosforilaci6n oxidativa.
La fosforilaci6n oxidativa capacita a los organismos
aerobios para aprovechar la energía libre disponible
de sustratos respiratorios en una proporción mucho
mayor que los organismos anaerobios. La teoría
quimiosmóiics ofrece una perspectiva de la forma en
que esto ocurre. Cierto número de medicamentos (por
ejemplo, amobarbital), y venenos (por ejemplo,
cianuro y monbxido de carbono}, inhiben la fosforilación oxidativa, por lo general con consecuencias
letales. Se han informado diversos defectos rnitocondriales hereditarios que comprenden componentes de
la cadena respiratoria y de la fosforilación oxidativa.
Los pacientes presentan miopatia, cncefalopatia y
con frecuencia presentan lactacidosis.
ENZIMAS ESPEC~FICASACTÚAN
COMO MARCADORES DE LOS
COMPARTIMIENTOS SEPARADOS
POR tAS MEMBRANAS MITOCONDRIALES
Las mitocondrias tienen una membrana externa permeable a la mayor parte de rnetabolitos, una membrana interna con permeabilidad selectiva y moldeada
en pliegues o crestas y una matriz dentro de la membrana intema (figura 14-1). La membrana externa
puede removerse por tratamiento con digitonina y se
caracteriza por la presencia de monoamino oxidasa,
acil-COA sintetasa, glicerofosfato aciltransferasa y
fosfolipasa Az. En el espacio intermembrana se encuentran adenilil cinasa y creatina cinasa. El fosfolipido
cardioiipina se concentra en la membrana intema.
Las enzimas solubles del ciclo del icido citrico y
las enzimas de la beta oxidación de Acidos grasos se
Iocal izan en la matriz, requ irikndose mechnisrnos para
el transporte de metabolitos y nucleótidos a travds de
la membrana intema. La succinato deshidrogenasa se
ubica en la superficie interior de la membrana interna,
donde transporta equivalentes reducidos por las enzimas de la cadena respiratoria, siendo estas ultimas los
constituyentes principales de la membrana interna. Ida
3-hidroxibutirato deshidrogenasa se fija t a m b i h en eI
lado de la matriz de la membrana interna. La glicerol3 -fosfato deshidrogenasa se encuentra en la superficie
exterior de la membrana interna, lugar adecuado para
participar en la lanzadera de glicerofosfato(figura 14-1 S).
LA CADENA RESRlRATORlA COLECTA
Y OXIDA EQUIVALENTES REDUCTORES
Toda la energia útil liberada durante la oxidacidn de
ácidos grasos, aminoheidos y virtualmente toda la que
proviene de la oxidaci6n de los carbohidratos se vuelve disponible dentro de las rnitocondrias en forma de
equivalentes reductores (-H o electrones). Las mitocondrias contienen la serie de cataliadores conocidos
como la cadena respiratoria que colectan y transportan
equivalentes reductores y los dirigen a su reacción
final con el oxígeno para formar agua. Tambikn está
en las mitocondrias la maquinaria que atrapa la ener-
MATRIZ
Particula submitocondrial
formada por fragmentos
de membrana interna
Figura 14-1. Estructura de las membranas mitocondriales Las partículas submitocondrialesestán "al revés" y permiten el
estudio del sistema encerrado en la membrana. donde las subunidades fosforilantea estan en el lado externo.
gi'a libre producida como fosfato de alta energia. Éstas
también contienen los sistemas enzimiiticos responsables de la producción de la mayor parte de los
equivalente? reductores en primer lugar, es decir, las
ALIMENTO
- -
1
1
Lipidos -
2
PO
Carbohidratos
enzimas de la beta oxidación y del ciclo del acido
citrico. Este último es la via mctabólica final corniin
para Ea oxidacion de todos !os alimentos principales.
Estas interrelaciones se muestran en la figura 14-2.
$
h
bcidos grasos
+
Glicerol
,
beta-Oxidacibn
\ --- - - - - - ---
ATP
\
t
Glucosa,etc
4-
Acetil-COA
E
:o
,A
/
.'
I
I
I
MITOCONDRION
l
ADP
I
I
I
Fuentes extramitouindrialesde
equivalentes reductores
Figura 14-2. Funcibn de la cadena respiratoria mitocondrialen la conversión de energia de los alimentos a ATP La oxidación
de los nutrientes principales genera equivalentes reductores (2H) que son capturados por la cadena respiratoria para la
oxidac16ny formación acoplada de ATP
Cadena respiratoria y fosforilacih~l oxidutrvu
Los componentes de la cadena
respiratoria están colocados por
orden creciente de su potencial
redox
Los componentes principales de la cadena respiratoria
se muestran en la figura 1 4-3. Los electrones o el hidrogeno
fluyen a travÉs de la cadena de manera escalonada
desde los componentes más electronegativos al
oxigeno mas electropositivo, a traves de una expansión
redox de 1.1 voltios dcl NAD'/NAUH al 0?/2Hz0
(cuadro 1 3-1).
Ida cadena resuiratoria de las rnitocondrias está
formada por cierto número de portadores redox que
va desde los sistemas de deshidrogenasa unidos aNAD,
flavoproteinas, citocromos, hasta llegar aI oxigeno
molecular. No todos los sustratos esthn ligados a la
cadena respiratoria a través de deshidrogenasas
específicasde N AD: algunos, debido a que sus potenciales
rcdox ron mhs positivos (por ejemplo, furnaratolsuccinato, cuadro 13-1 ), esthn ligados directamente a las
deshidrogenasas flavoproteinicas, las cuales a su vez
esthn ligadas a los citocromos de Ia cadena respiratoria
(figura 1 4 4 ) .
En aAos recientes se ha aclarado que se encuentra
otro poriador adicional en la cadena respiratoria que
une las flavoproteinas con ei citocromo h, el miembro
de la cadena de citocromos de mBs bajo potencial
redox Esta sustancia, que ha sido IIamada uhiquinana o Q (cwnzima Q; figura 14-51, existe en las
miiocondrias en fuma de quinona oxidada en condiciones acrobias y en la forma de quinol reducido en
condiciones anaerobias. La coenzima Q es un constituyente de los Iípidos mitocondriales, siendo los otros
lipidos predominantemente fosfolipidos que conslituyen parte de la membrana rnitocondrial. La coenzima
Q tiene una estructura muy semejante a la de las
vitaminas K y E (capitulo 53). También es semejante
a la plastoquinona que se encuentra en los cloroplastos. Todas estas sustancias se caracterizan por la
posesi~nde una cadena lateral poli-isoprenoide. En
las mitocondrias hay un gran exceso estequiométrico
de Q coinparado con otros miembros de la cadena
respiratoria; esto es compatible con Q actuando sobre
un coinponente mhvil de la cadena respiratoria que
recoge cquival entes reductores fijados a los complejos
de flavoproteinas y los pasa a los citocromos.
A
NADH
153
Un componente adicional que se encuentra en las
preparaciones de la cadena respiratoria es Ia proteína
fierrosulfurada (FeS: hierro no himico), el cual esta
relacionado con las flavoproteinas (metaloflavoproteínas) (figura 1 4 4 ) y con el citocromo h. Se cree que
el azufre y el hierro intervienen en el mecanismo de
oxidorreducción entre la flavina y la coenzima Q, que
incluye el cambio de un sor0 e-; el atomo de hierro
experimenta oxidorreduccibn entre Fe2' y Fe3 .
El punto de vista actual acerca de los componentes principales de la cadena respiratoria se muestra en
la figura 1 4 4 . En la terminal electronegativa de la cadena, las e n z i m a deshidrogenasas catali~anla transferencia de electrones desde los sustratos hasta el
NAD de la cadena. Existen varias diferencias en la
manera como esto se IIeva a cabo. Los alfa cetohcidos
pirúvico y cetoglutarico tienen sistemas compIejos de
deshidrogenasas que implican al lipoato y al FAD
antes de1 paso de electrones al NAD de la cadena
respiratoria. La transferencia de electrones de otras
deshidrogenasas como las de L (+)-2-hidroxiacil-COA.
D (-)-3-hidroxibutirato, prolina, glutamato, malato e
isocitrato, al parecer se acoplan directamente con el
NAD de la cadena respiratoria.
El NADH reducido de la cadena respiratoria es a
su vez oxidado por la enzima metaloflavoproteinica
NADH deshidrogenasa. Esta e n ~ i m contiene
a
FeS y
F M N , se encuentra unida con firmeza a la cadena
respiratoria y pasa equivalentes reductores a Q. La Q
es tambikn el punto de acopio en la cadena respiratoria
para los equivalentes reductores derivados de otras
sustancias que estan unidas directamente a la cadena
respiratoria a través de las flavoproteína deshidrogenasas. Estos sustratos son succinato, colina, glicerol
3-fosfato, sarcosina, dimetilglicina y acil-COA (figura
1 4 4 ) . El componente flavina de todas estas deshidrogenasas parece ser el FAD.
Los electrones fluyen desde Q a través de la serie
de citocromos que se muestra en la figura 14-4, hasta
el oxigeno molecular. Los citocromos están arreglados en orden creciente de su potencial redox. El
citocromo terminal ua, (citocromo oxidasa) es el responsable de la combinacibn final de los equivalentes
reductores con el oxigeno rnolecular. Se observa que
este sistema de enzima contiene cobre, un compo'
2Fs2'
%O*
Figura 1 4 3 . Transporte de equivalentes reductores a traves de la cadena respiratoria.
Succinato
Colina
Prolina
i
3-Hidr~~ia~il-Cd
3-Hidroxibutirato
Glutamato
FP
(FAW
FeC
Malato
Piruvato
Isocitrato
Cit b
FeS
FP
(FAD)
'
--t
Cit CI
-
Cit c
Cit aa3
Cu
FP
(FTE)
t
FP
FAD)
t
Acil-COA
Saruisina
Dimetilgliuna
FTE Flavoproteina transferida de electrones
Fp Flavoproteína
Q Ubiquinona
Cd citocromo
Flgura 1 4 4 . Componentes de la cadena respiratoria en las mitomndrias mostrando las puntos de reunibn para las
equivalentes reductores a partir de los sustratos importantes. FeS ocurre en la secuencia del lado del 02 de Fp o de Cit b
nente dc algunas oxidasas. La citocromo oxidasa tiene
una afinidad muy elevada por el oxigeno, lo cual
permite que la cadena respiratoria funcione a velocidad mkirna hasta que virtualmente se ha agotado el
oxigeno en el tejido. Dado que &sta es una reaccidn
irreversible (la única en la cadena), le imparte dirección al movimiento de los equivalentes reductores en
la cadena respiratoria y a la producción del ATP a la
que está acoplada.
La organizacibn estructural de la cadena respiratoria ha sido un tema de considerable especulaci6n.
De importancia es el descubrimiento de proporciones
molares casi constantes entre los componentes. Funcional y estructuralmente, los componentes de la cadena
respiratoria se encuentran en la membrana interna de
la mitocondria corno cuatro complejos de la cadena
respiratoria proteína-llpido que se extienden en la
Forma totalmente oxldada
o quinbnica
Forma semiquindnica
(radical libre)
membrana. El citocromo c es el unico citocrom~
soluble y al igual que Q, parece ser el componente m i s
mbvil de la cadena respiratoria que conecta a los
complejos fijados (figuras 14-7 Y 14-10).
LA CADENA RESPIRATORIA
APORTA LA MAYOR PARTE
DE LA ENERGIA OBTENIDA
DEL METABOLISMO
El ADP es una molécula que captura, en forma de
fosfato de alta energia, algo de la energia libre resultante de los procesos catabblicos y que corno ATP
pasa esta energia para impulsar aquellos procesos que
la requieren. Asi, el ATP ha sida llamado la
"liqujdez" energética de la cdlula (figura 12-7).
Forma reducida e qulndllca
(hidroquinona)
Figura 14-5. Estructura de la ubiqulnona (0).
n = número de unidades isoprenoides el cual es 10 veces mayor en animales,
es decir, QIO.
Cadena resprratoriay f~~forilacrónoxidativa
12-1, el cual se obtuvo a partir de una concentracibn
estándar de 1.0 mol/L). Debido a que un m01 de
glucosa genera aproximadamente 2780 kJ en la combustibn completa, la energia capturada por fosforilación
en la glucólisis es insignificante. Las reacciones del
ciclo del ácido cítrico, la via final para la oxidacibn
completa de la glucosa, incluyen s61o un paso de
fosforilaci6n, la conversi6n de succinil-COA en succinato, lo cual permite la captura de dos fosfatos de
alta energía m& por m01 de glucosa. Todas las fosforilaciones descritas hasta ahora ocurren al nivel del
sustrato. E[ examen de las mitocondrias intactas
respirando, revela que cuando los sustratos son oxidados por la r í a de las deshidrogenasas ligadas al
NAD y la cadena respiratoria, se incorporan 3 mol de
fosfato inorgáslico al ADP para formar 3 m01 de ATP
por medio mol de O2consumido, es decir, la relacibn
P:O = 3 (figura 14-7). Por otro lado, cuando un
susirato es oxidado por la vía de una deshidrogenasa
Iigada a flavoproteína, s61e se forman dos moléculas
de ATP, es decir, P:O = 2. Estas reacciones se conocen
como fosforilacidn oxidativa al nivel de la cadena
respiratoria. Tomando en consideración las deshidroger&iones en la r í a del catabolismo de la glucosa,
tanto en la gludlisis como en el ciclo de! &ido cftrico, más
las fosforilaciones al nivel del sustrato, es posible
ahora das cuenta de al menos 68% de la energía libre
que resulta de la combustión de glucosa, capturada en
la forma de fosfato de alta energia. Es evidente que la
cadena respiratoria es responsable de una proporclbn
importante del total de ATT formado.
Gis
\
1j5
Pr
Figura 14%. El complejo hierro-azufre-proteína (Fe&) @,
azufre lábil a los hudos. Pr, apoproteina, Crs. residuo de
cisteina. Algunas proteínas fierrosulfuradas contienen dos
Btornos de azufre y de hierro (FezS2).
Hay una capturaneta de dos grupos fosfato de alta
energia en las reacciones glucoliticas (cuadro 19-1)
que equivalen aproximadamente a 103.2 kJlmol de
gfucosa.(ln vivo, el AG para la síntesis de ATP a partir
de ADP se ha calculado que es de aproximadamente
5 1.6 kJ/mol, tomando en cuenta que este valor es a
partir de las concentraciones actuales de los reactivos
presentes en la cilula. Ésta es mayor que el AGQ'para
la hidrolisis de ATP como se muestra en el cuadro
Maloneto
Complejo II
Suocinato
TTFA
H2S
CO
BAL
Antimiuna A
Complejo IV
Complejo r
FMN, FeS
-I
De=coliladores
4
Piencidina A
ArnobarbAl
ADP + PI
esac copla dar es
Rotenona
1
ATP
I
ADP
T+
;PI
ATP
Oligomlcina
4
ADP IPI
ATP
Flgura 14-7. Sitios propuestos de inhibiUbnOds la cadena respiratoriapor medicamentos, compuestos qulmieos y antibidtieds
especlfims. Los sitios que al parecer apoyan a la fosforilación estan indicados. BAL, drnercaprol: T F A es un agente quelante
del hierro; wrnplejo I , NAOH ubiquinona oxidorreductasa; complejo II, sucunato:ubiquinona oxidorreductasa; complejo III,
ubiquinol~ferricitocromoc oxidorreductasa; mmplejo IV, ferrocitocromo:oxigeno oxidorreductasa. Las demhs abreviaturas son
iguales a tas de la figura 1 4 4 .
El control respiratorio asegura
un suministro constante de ATP
La velocidad de recpimci6n de las mitocondrias se puede
controlar por la concentración de ADP. Esto se debe a
íluc !a oxidacihn y la fosforilacibn están íntimamente
nc,opladas; cs decir. la oxidaciiin no puede proceder
por la vía de la cadena respiratoria sin la fo~forilacion
~oncornitantcdel ADP. Chance y Williams han definido
cinco condiciones que pueden controlar la velocidad
dc respiraciOn en las mitocondrias (cuadro 14-1 ). En
general. la mayor parte de las células en estado de
repriso se encuentran en el cstado 4, sicndo larespimcion
controlada por la disponibilidad del ADP. Cuando se
efectúa trabajo, el A'l'P es convertido en ADP, pemitiendo que ociirra m i s respiración, lo cual a su vez
reabastece el depósito de A'I'P (figura 1 4 4 ) . Pareceria
que eii ciertas condiciones la concentmcibn de fosfato
iiiorgánico podria afectar tambiCn la velocidad de funcionamicnto de la cadena respiratoria. Conforme la
frcciiencia respiratoria aumenta (como con el e.iercicio). la célula se aproxima al estado 3 o al 4 ya sea
que la capacidad de la cadena respiratoria sc satura o
la PO2 decrece a valores menores del Km para el
citocromo 01. 'También existe la posibilidad de que
el transportador de ADPIATP (figura 14-2), que tjcilita
la entrada de ADP citosólico a la mitocondria, se
convierta en el limiiante de la velocidad.
Así. la manera en que lo? procesos oxidativos
hiol6gicoc permiten que !a energía libre que resulta dc
la oxidacicihn de los alimentos se vuelva disponible y
sca capturada. es escalonada, eficaz (apmximadamcnte
68%) y conirolada, en lugar de explosiva, ineficaz y
sin control como en muc2ios procesos no biológicos.
1.3 energía libre remanente, que no es capturada como
fnsfato de alta energía se libera en forma de calor. Esta
i~ecesidadno debe considerarse coma "despilfarro",
y?$';
-y'
Lados de control riiq?iratorio
Cuadro
-- - -.-----
-.
--
--
Condic iones que limitan la velocidad
de res,plración
--
."
r
III'~~JL,IIILJJ
LLU(IUIIC
I
-
XIII'
Y ~11StTüivauiniii~iite
-
Dispcinihil idud de su!
-
-
Estado 3 1 [,a ripacidad de la cadena respiralorra misniii,
cuantlo to dos los susiratus y componen les
esthn psect>ntesen cantidades de, saturaci6r;I
-
1
"
-
-
Dispcinihildad de ADP solamca
idad de ox Ipcnci solarnente
--
dado que asegura que cl sistema respiratorio como iin
todo sea suficientcrnente exerghico para alejarse del
equilibrici y permite un flujo unidireccional cotitiriuo
y una provisión constante de ATP. En el animal dc
sangre calientc contribuye a la conservación de la
temperatura corporal.
NUMEROSOS VENENOS INHIBEN
LA CADENA RESPIRATORIA
Mucha de la infot-rnaciiin de la cadena respiratoria ha
sido obtenida por el uso de inhibidores y, a la inversa,
esto ha aportado in Cormación sobrc el mecanismo de
acción de algunos venenos. Este lugar dc accion
propuesto se muestra en la figura 14-7. Con propósitos
der;criptivos se pueden dividir en inhibidores dc la
propia cadena respiratoria, inhibidores de la fcisforilacihn oxidativa y desacoplantes de la misma.
Los inhibidores que detienen la re~piraciónbloqueando la cadena respiratoria parecen actuar en tres
sitios. El primero es inhibido por los harbitíiricris
como el amobarhital, porcl antibiótico piericidina A
y por la rotenona, que es un insecticida y veneno de
Deces. Estos inliibidores evitan la oxidación dc los
sustratos que coinunican directamente con la cadena
respiratoria por la via dc una desliidr-ugeilasa ligada al
NAD al bloquear la transferencia de FeS a Q. A una
dosis suficiente, son rnortaPcs in vivo.
El dimercaprol y la antimicina A inhiben la
cadena respiratoria entrc el citrocromo h y el citocromo
c. Los venenos cl6sicos &S. rnonóxida de carbono
y cianuro inhiben a la citocromo oxidasa. La carhoxina y
el TTFA inhiben especificamente la transferencia de
equivalentes reductores d e la succinato dcshidrogenasa a Q , en tanto que el malonato es un ínhibidor
competitivo de la succinato dcshidrogenasa.
El antibihiíco oiigomicina bloquea completamente laoxidación y la fosforilación en I& rnitocrindrias
intactas. Sin embargo, en presencia del desacoplante
dinitrofennl, la oxidación procede sin fosforilacibn,
indicando que la oligomicina no actua directamente
en la cadena respiratoria, sino en un paso subsecuente
de la fosforilaci6n (figura 14-9).
EI atractilásido inhibe la fosforilaci~noxidativa,
la cual depende del transporte de nuclebtidos de adenina
a t r a v h de la membrana interna de la mitocondria. Se
considera que inhibe al portador de ADP en la mitocondria y el ATP fuera de ella (figura 14-1 2).
La acción de los desacoplantes consiste en
separar la oxidacibn de la fasforilaciiin en la cadena
respiratoria y esta accibn puede explicar la toxicidad
de estos compuestos in vivo. Esto da por resultado una
respiracion no controlada, puesto que Ea concentracihn de ABP o P,ya no limita la velocidad de la
Cadena res~iraforia
Y fo,sforiiación oxidatrva
157
Figura 14-8. Funcion del ADP en el control respiratorio.
respiración. El desacoplador que ha sido usado mis
frecuentemente es el 2,4-dinitrofenol, pero otros compuestos actúan de una manera semejante, incluso al
dinitrocresol, el pentaclorofenol y la CCCP (m-clorocarbonilcianuro fknilhidrazona). Este último compuesto, comparado con el dfnitrorenol, es cerca de 100
veces mBs activo.
ADP
1
Estado 4
LA TEOR~AQUIMIOSM~TICAEXPLICA
EL MECANISMO DE LA
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Se han emitido dos hipotesis principales tanto quirnica
como quimiosm6tica para explicar el acoplamiento dc
la oxidacion y la fosforilación. La hiphtesis quimica
postula el acoplamiento químico directo en todas las
etapas del proceso, como en las reacciones que generan
ATP en la gtucblisis. No obstante, nunca lograron aislarse intermedios ricos en energíaque enlaman oxidación
con fosforilacibn y la hipotesis se desacreditb.
La cadena respiratoria es una
bomba de protones
Desacoplamiento
1
1
2
3
4
5
Minutos
Figura 14-9. Control respiratorio en las mitocondrias. El
experimento A mllestra la situacibn básica de la respiraudn
en el estado 4, la cual es acelerada por la adiubn de ADP.
Cuando el ADP exdgeno ha sido fosforilado a ATP, la respiración regresa al estado 4. La adicrón de un desacoplante,
por ejemplo, dinitrofenol, separa a la respiracidn de la fosforilacibn. En el experimento ES, la adicibn de oligomicina bloquea la fosforilacibn del ADP aAadido y por tanto tambibn a
la respirac16n. La adición de un desacoplante separa
nuevamente a la recpiractbn de ia fosforilaubn
La teorla quimiasmática de Mitchell postula que la
energía de la oxidación de componentes en la cadena
respiratoria genera iones hidrógeno que son expulsados al exterior de una membrana acopladora en la
mitocondria; es decir, la membrana interna. La diferencia de potencial electroquímico que resulta de la
distribución a~imétricade iones hidrógeno (protoncs,
FI'j se emplea para dirigir el mecanismo responsable
de la formacibn de ATP (figura 14-1 O).
Cada uno de los complejos de la cadena respiratoria 1, III y 1V (figuras 14-7 y 14-10) actúan como
una bomba de protones. La membrana interna es en
general impermeable a iones, pero en particular a
protones, que se acumulan fuera de la membrana,
creando una diferencia de potencial electroquímico
a travds de la membrana ( A ~ H + )Esta
.
diferencia consiste en un potencial químico (diferencia de pH) y un
potencial elkcbico.No se conoce con certeza el numero
preciso de protones bombeados por cada NADH oxidado, pero en la actualidad se calcula que el complejo
Membrana acopladora
Oligommcina
Ubiquinona
Citocromo c
EXTERIOR
+ (APH)
Figura 14-10. Principios de la teoria quimiosmótica de la fosforitacrbn oxidativa El circuito protbnico principal es creado por
el acoplamiento de la oxidacibn a la expulsibn de protones del interior al exterior de la membrana, conducida por los complejos
1, II y 1V de la cadena respiratoria, cada uno de los cuales actúa como una bomba de protones. Subunidades Fi y Fo de la
proteina las cuales utilizan energfa de la gradiente de protones para promover la fosforilación Los agentes desacoplantes
como el dinitrofenol permiten la fuga de iones H' a travbs de la membrana, colapsando asi, el gradiente electroquimico de
protones. Específicamente la oiigcrmicina bloquea la conduccidn de H* a través d e Fo
el complejo IV,2.
Por tanto, la relacibn P:O puede no ser un enterocabal, por
ejemplo, 3, pero es posible que sea 2.5. Por simplificacibn, se continuarhn utilimdo en este texto un
vaior de 3 para la oxidacibn del NADH + H
' y de 2
para la oxidacidn del FADH2.En la figura 14-1 1 se
muestra un mecanismo posible para el bombeo de
protones por el complejo 911; esto es, el ciclo Q.
1expulsa 3 a4. el complejo I I I , 4 y
Una ATP sintasa localizada en
la membrana forma ATP
La diferencia de potencial electroquimico se usa para
impulsar a una ATP sintasa localizada en la membrana la cual en presencia de P, + ADP forma ATP (figura
14-1 0). Así, no hay intermediario de alta energta común
para la oxidacion y la fosforilación como en la
hipbtesis química.
Esparcidas en la superficie de la membrana interna están los complejos fosforilantes responsables
de laproduccibn de ATP (figura 14-1). Estos constan de
varias subunidades de protehas que se conocen en
conjunto como la subunidad F,, la cual se proy ecta hacia la matriz y contiene a la A V sincasa (figura
14-1 0). Las subunidades están adheridas, posiblemente
mediante un tallo, a una subunidad protetnica de la
membrana conocida como Fo, que es probable se extienda
a travks de la membrana (figura 14-10}, Los protones
pasan a travks del complejo FOa F 1con formación de
ATP a partir de ADP y P,. Es interesante observar que
unidades fosforilantes similares se encuentran en el
interior de la membrana plasrnitica de las bacterias,
asi como en el exterior de la membrana de los tilamides
en los cloroplastos. Es significativo que el gradiente
de protones es de fuera hacia dentro en mitocondrias
y bacterias, pero en sentido inverso en los cloroplastos.
El mecanismo de acoplamiento de la expulsibn
de protones al sistema de la ATP sintasa es una conjetura de la Ripdtesic. Los estudios sugieren que la
sintesis de ATP, la cual puede tener lugar mientras se
encuentra pegado a la enzima, no es el paso principal
que requiere energja, sino más bien la liberacibn del
ATP del sitio activo. En esta accibnpodrian intervenir
cambios de confomaci6n de la subunidad FI.
Cadena resprratnriay JosforilaciOn oxidufrva
159
Figura 44-41. Ciclo "Q" generador de protones. La figura muestra corno los componentes del complejo III están organizados
como bomba de protones. El QH' se anda a cada lado de la membrana a una proteína fijadora de Q, en tanto que. QH2 Y Q
son móviles. Los citocromos se muestran como b y ci.
Los hallazgos experimentales respaldan
la teoria quirniosmótica
1) La adicidn de protones (gcido) al medio extemo de mitocondriasconduce a la generación de ATP.
2) La fosforilaci6n oxidativa no ocurre en sistemas solubles donde no existe la posibilidad de
una ATP sintasa vectorial. Debe haber una
membrana cerrada para obtener fosforilacidn
oxidativa (figura 14-1 0).
3) La cadena respiratoria contiene componentes
organizados lateralmente (asimetríatransversal)
como los requiere la teoria quimiosm6tica.
La teoria quimiosrnótica puede explicar
el fenómeno de control respiratorio
La diferencia de potencial electroqulmica a travts de
la membrana, una vez establecida como resultado de la
translocacibn de protones, inhibe el transporte posterior de equivalentes reductores a travks de la cadena
respiratoria a menos que se descargue por una translocación retrógrada de protones a traves de la membrana
hacia la ATP sintasa vectorial. Esto a su vez depende
de la disponibilidad de ADP y P,.
La teoría quimiosmótica explica
la acción de los desacopladores
compuestos ( ~ o r e j e m ~ ldinitrofenol)
o,
son mfiphticos (capitulo 16) e incrementan la permeabilidad
de las mitocondrias a los protones (figura 14-10),
reduciendo así el potencial electroquímico y el corto
circuito de la ATP
Por tanta, la
procede
focforilacibn,
La teoria quimiosmótica explica la
existencia de sistemas transportadores
de intercambio mitocondrial
Estos sistemas son una consecuencia de la membrana
acoplada que debe ser impermeable a los protones y
otros iones para conservar el gradiente electroquimico
(vkase adelante).
LA IMPERMEABILIDAD RELATIVA
DE LA MEMBRANA MITOCONDRIAL
INTERNA NECESITA DE INTERCAMBIO
DE TRANSPORTADORES
Los sistemas de difusidn para intercambio existen en
la membrana para cambiar aniones por iones OH-y
(CapituloId)
cationes por iones H'. Estos sistemas son necesarios
para la captación y excreción de metabolitos ionizados en
tanto se conserva la neutralidad eldctricn y osrnbtica.
L a membrana mitocondrial bilipoide interior es
totalmente pemeable a moléculas pequefias sin carga,
como oxígeno, agua, C02 y NHI y a acidos monocarboxilicos, como 3-hidroxibutírico, acetoacético y
acético. Los iicidos grasos de cadena larga son transportados al interior de la mitocondria por el sistema
de la ornitina (figura 24-1) y existe también un transportador para piruvato que comprende un "simport"
que utiliza el gradiente de ti' del exterior al interior
d e la mitacondria (figura 14-12). Sin embargo, aniones diwboxilato y trimboxilato y amino8cidosrequieren
un transportador especifico o sistemas de transportadores para facilitar su paso a rravks de la membrana.
Al parecer, los ácidos monocarboxílicos penetran con
mAs facilidad debido asu menor disociacibn. Se cree que
Membrana
interna de
EXTERIOR
la mitouindria
INTERIOR
los ácidos sin disociar o m& liposoluhles son la especie
molecular que atraviesa mejor la membrana lipoide.
El transporte de aniones dicarboxílicos y tricarboxilicos se relaciona de manera estrecha con el fosfato
inorgánico, el cual atraviesa con facilidad como ion
HzP04-enintercambio por OH-. La captacibn neta de
malato por el transportador de dicarboxilato requiere
fosfato inorghnico para intercambiar10 en direccion
opuesta. La captacion neta de citrato, isocitrato o cisaconitato por el transportador de tricarhxilato requiere
malato en intercambio. El transportador de alfa cetoglutarato tambikn necesita intercambio con malato.
si, ~ o medio
r
de mecanisinos d c intercambio re
conserva el equilibrio osmiitico. Dcbe apreciarse que
el transporte de citrato a traves de la membrana mitocondrial depende no solo del transporte de malato sino
tambien dcl intercambio de fosfato inorgánico. El
transportador de nucleiitidos de adenina permite el
intercambio de ATP y ADP, pero no AMP. Esto es
esencial para dejar salir al ATP de las mitocondrias
hacia los sitios de su utilización exn-arnitocondrial y
permitir el regreso del ADP para la produccibn de ATP
denm de la rnitocondria (figura 14-13). El Na' puede
intercambiarse por H', cori ayuda del gradiente de
protones. Se piensa que la captación activa de Caz' por
las mitocondrias ocurre con transferencia de una carga
neta con valor de 1 (Ca' "uniport"), quizá a traves de
un antiport Ca2'/H'. ],a liberacion de calcio de las
mitocondrias es facilitada por el intercambio con Na' .
EXTERIOR
Membrana
interna de la
INTERIOR
mitoccndria
Figura 14-12. Sistemas transportadores en la membrana
mitocondrial
Transportador de fosfato @ Sirnportador
de piruvato @Transportador de dicarboxilato.(a Transpertador de tricarboxilato.
Transportador de alfa cetoglutarato. (@ Transportadorde nudeótido de adenina. Netilmaleimida,
hidroxicinarnato y atratilbsrfo inhiben
los sistemas indicados.
TambiBn existen (pero aqui no se muestran) sistemas transportadorespara glutarnatolaspartato (fgura 14-1 5)-glutamina,
ornitina, aminoácidos neutros y carnitina (figura 24-1)
8
($2
Figura 14-13. Carnbinacibn del transportador de fosfatosm
con el transportador del nuclebtido de adeninacg en la
sintesis del ATP. El simportador H+IP, es equivalente si
antiportador PJOH que se observa en la figura 14-12. Tres
o posiblemente cuatro protones penetran a la mitocondriapor
cada ATP que sale. Sin embargo,penetra un protbn menos
cuando el ATP es usado en el interior de la mitocondria.
Los ionóforos permiten a cationes
específicos atravesar membranas
[,os ionóforos reciben ese nombre por su capacidad
para fonnar compIc,jos con cationes específicos y
facilitar su transporte a través de membranas biológicas. Esta propicdad de fonoforesis se debe a su carácter
l ipofílico, que le permite atravesar membranas
lipoides como Ia rnitocondrial. Un qiernplo es el antibiótico valinomicina, que ayuda al paso de K ' a travCs
de In niembrana mitocondrial y luego descarga el
potencial de mernbrwa*del interior al exterior de la
mitocondria. La nigericina actúa también como un
ionhforo para K' pero en iiiicrcambio por HA. Por
tanto, elimina el gradiente de pIl a travis de la membrana. Eri presencia de valinomicina y nigericina,
tanto cl potcnc~aldc niembrana como el gradiente dc
pll desaparecen y por tanto, la fosforilación es completarnente inhibida. De hecho, los desacoplantes
clásiccis como dinitrorenol son ion6foros de proiones.
Una transhidrogenasa traslocadora
de protones es fuente del NADPH
intramitocondrial
Esta trarishidrogenasri ligada a energía, que es una
prciteina de la membrana mitocondrial interna, se acopla al paso de protones corriente abajo del gradiente
electroqiifmico del exterior al interior de la mitocondria con transferencia de hidrhgeno del NADI-1 intramitocondrial para formar NADPH. Al parecer
actua como un amortiguador redox ligado a energía y
como fuente de N A D P H para la? enzimas intramitocondriales. como glutamñto deshidrogenasa e hidroxilasa, que intervienen en la slntcsis de esteroides.
La oxidacion del NADH
extramitocondrial es mediada por
lanzaderas de sustrato
Aunque el NADH no piicde penetrar la mcnihrana
mitocondria1, es producido continuamente en el cftosol
por la 3-tos~oglfceraldehido deshidrogenasa, una
enzima de la secuencia de la glucólisis (iigtira 19-2). Sin
embargo, en condicione$ aerobias, el N A DH extram itocondrial no se acumula y sc supone que es oxidado
por la cadena respiratoria cn las mitocondrias. Se han
considerado varios mecanismos posibles quc permiten este proceso. Estos iinplican la transferencia de
equivalentes rediictores a travis dc la membrana rnitocondrial por la vía de los parcs dc sustratos, ligados
por deshidrogenasas apropiadas. Es necesario que se
encuentre la deshidrogenasa especifica en ambos
Iados de la mern brana mitocondrial. El mecanisrnv de
transferencia que utili7a la lanzadera d e glicerofosfato se muestra en la figura 14-14. Debe advertirse
que la enzima mitocondrial se enlaza a la cadena
respiratoria a travCs de una flavoproteina en lugar de
N A D y que en lugar de tres, shlo se fonnan dos
moléculas de ATP por átomo de oxígeno consumido.
En algunas cspccics, la actividad de la enzima ligada
a FAD decrece despues de tiroidectomia y aumenta
después de la administración de tiroxina. Aunque esta
lanzadera existe en el músculo de las alas de IOF
insectos, cerebro, tejido adiposo oscuro y cn cI miiscrilo blanco y podrta ser importante en el hígado; otros
ie,jidos (por ejemplo, músculo cardiaco) muestran deficiencia de glic~rol3-fosfato deshidrogenasa. Se
cree, por tanto, que iin sistcma de trancporte que
implica al malato y al malato citos6lico y mitocondrial
es de mayor utilidad universal. En la figura 1 4-1 5 se
muestra el sistema lanzadera del malato. La com-
Figura 14-14. Lanzadera de glicerofosfato para la transferencra de equivalentes reductores desde el citosol al interior de la
mltocondria.
162
Rioquímica de Harper
(Capitulo 14)
MEMBRANA
CITOSOL
INTERIOR
MITOCONORIA
MALATO DESHIDROGENASA
+
H'
transFigura 14-15. Lanzadera del malato para transferencia de equivalentesreductores del citosol al interior de la mitocondria
portador del oetoglutarato,
transportador de glutarnato-aspaflato (nótese el sirnportador protbnica con glutamato).
a
plejidad de este sistema se debe a la impermeabilidad
de la membrana mitocondrial al oxalacetato, el cual
debe reaccionar con el glutamato y ser transarninado
a aspartato alfa cetoglutarato antes de su transporte a
travks de la membrana rnitocondrial y reconstituido
a oxalacetato en el citosol.
El transporte de iones en las
mitocondrias se enlaza a la energia
Las mitocondrias que respiran activamente en donde
se lleva a cabo la fosforilacion oxidativa, conservan o
acumulan cationes como K', Na', Ca2', MgZ' y P,. El
desacoplamiento con dinitrofenol conduce a la pérdida
de iones del interior de la mitocondria pero la captacibn de iones no es inhibida por la oligomicina. lo
que sugiere que la energíano necesita ser suministrada
por la fosforilacion del ADP, Se considera que una
bomba primaria de protones dirige el intercambio
catidnico.
La lanzadera de creatina fosfato
facilita el transporte de fosfato
de alta energía desde la mitocondria
Esta lanzadera (figura 14-1 6) aumenta las funciones
de la creatina fosfato como un amortiguador de energía al actuar en los tejidos activos como son el corazón
y el musculo esquelético, como un sistema dinámico
para transferir fosfato de alta energia desde la mitocondria. En el espacio intemembrana de la mitocondria se encuentra una isoenzima de la creatincinasa
(CK,)que cataliza la transferencia de fosfato de alta
energia a la creatina a partir del ATP que surge del
nuclebtido transporhdor de la adenina A su vez, el dna fosfato se transporta al interior del citosol mediante
los poros de proteinas en la membrana mitocondrial
exterior y queda disponible para la generación extramitocondrial de ATP. Diferentes isoenzimas de la
creatincinasa median la transferencia de fosfato de
alta energia hacia y desde los diversos sistemas que lo
utilizan o generan, ejemplo, contraccion muscular,
gluc6lisis (figura 14-1 6).
ASPECTOS CL~NICOS
M m t o m o de la miopatfa mitocondrialy la disfuncibn
renal infantil mortal comprenden disminución grave,
o ausencia, de la mayor parte de las oxidorreductasas
de la cadena respiratoria. La MELA (miopatía, encefalopatía, lactacidosis y apoplej ia) es un estado hereditario
causado por NADH: deficiencia de ubiquinona oxidorreductasa (complejo 1) o de citocromo oxidasa. Se
han descrito las enfermedades que implican deficiencias
de gran parte de la fosforilacibn oxidativa.
Cierto numero de fhrmacos y venenos actúan por
inhibicibn de la fosforilacibn oxidativa (vkase antes).
Cadena respiratoria yfo.sforilacidn oxidativa
/
P m s o s que requreren
energía ejemplo.
contraccibn rnuswlar
RESUMEN
\
ATP
..,.,.,.,.,,mi.:.; exterior
.;,;$
,:;;:,
..
....:
...;.
.,,
,.
:
::p.. , -., - ::::
1) Virtualmente toda la energia liberada de la
ADP
.:,:,;,.,embrana
mitomndria .:
.......-.
;y..>.-,,.
,:>,:;,
:::%;::f<<:'
p
.-.::..:.,....:.:.
....:.,..
. ,,..,.
,.,.:S
-. -.;.
-.."
,
:
:
:
:.
.:,!'.:!'-,
;?:: ' :.
/
ATP
\
ADP
163
Espacio
intermembrana
Figura 14-16. La lanzadera de creatina fosfato del músculo
cardiam y esquelético La lanzadera perrnlte el transporte
rhpido de fosfato de alta energia desde la matriz de la
mitomndria al interior del citosol (Cka, es la creatina ctnasa
que interviene en los grandes requerimientos de ATP, ejemplo. contraccibn muscular, C k , es la icoenzirna que mantiene el equilibrio entre la creatina y el fosfato de creatina con
ATPIADP, C b es la isoenzlma que acopla la glucblisis a la
slntecis de creatina fosfato, C b e3 la creatincinasa mitocondrial que media la creaci6n de fosfale de creatina a partir del
ATP formado en la fosfoñilacibn oxidativa; P es el poro de la
proteína en la membrana mitocondrial exterior.)
oxidación de carbahidratos, Iípidos y proteinas se vuelve disponible en las mitocondrias
como equivalentes reducidos (-H o e-). Estos
son canalizados a la cadena respiratoria, donde
pasan corriente abajo por un gradiente redox
de transportadores a su reaccibn final con
oxigeno para formar agua.
2) Los transportadores redox se agrupan en complejos de la cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna. Estos usan la
energía liberada en el gradiente redox para
bombear protones al exterior de la membrana,
creando un potencial electroquimico a través
de ésta.
3) Atravesados de uno a otro lado de la membrana estan los complejos de ATP sintasa
que usan la energía potencial del gradiente de
protones para sintetizar ATP a partir de ADP
y Pi. En esta forma, la oxidación se acopla en
forma íntima a la fosforilacibn para proveer a
las necesidades energdticas de la cklula.
4) Debido a que la membrana mitocondrial intema es impermeable a protones y otros iones,
transportadores de intercambio especiales se
extienden a travks de la membrana para permitir el paso de iones como OH-, P17ATP~-,
A D P ~ -y rnetabolitoc, sin descargar el gradiente electroquimico a través de la membrana.
5) N u m e r o s o s v e n e n o s c o n o c i d o s , como
cianuro, detienen la respiracibn mitocondrial
por inhibicibn de la cadena respiratoria.
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Carkohidratos de importancia
fisiológica
Peter A. Mayes, PhD, DSc
Los carbohidratos esthn ampliamente distribuidos en
vegetaIes y animales, donde desempeñan funciones
estructurales y rnetabólicas. En los vegetales, la glucosa es sintetizada por fotosintesis a partir de bióxido
de carbono y agua y almacenada como almidón o
convertida a celulosa que forma parte de la estructura
de soporte vegetal. 1,os animales pueden sintetizar
algunos carbohidratos a partir de Iípidos y proteinas,
pero el volumen mayor de los carbohidratos de animales se d ~ r i v aen Última instancia de los vegetales.
LOS CARBOHfDRATOS SON
DERIVADOS ALDEH~DOSO CETONAS
DE ALCOHOLES POLIH~QRICOS
Se clasifican como sigue:
1) Los monosacásidos son aquerlos carbohidrato~que no pueden ser hidrilizados en
moleculas más sencillas. Pueden subdividirse
en triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, heptosas u octosas, dependiendo de la cantidad
de ariíornos de carbón que contengan; y como
aldosas y cetosas dependiendo si tienen o no
grupo aldehido o cetona. En el cuadro 15-1 se
dan algunos e-jemplos
2) Los disachridos producen dos moléculas del
mismo o de diferentes monosacáridos cuando
se hidrolizan: ejemplos de estos compuestos
son la maltosa, que produce dos moléculas de
glucosa, y la sucrosa, que produce una
inolécula de glucosa y una de fructosa.
3) [,os oligosacáridos son los compuestos que
por hidrólisis dan 2 a 10 moléculas de
rnonosacirido. La maltotriosa* es un ejemplo.
4) Los polisachridos so11aquellos carbohidratos
que dan, al ser hidrolizados, mhs de 10
moléculas de monosacaridoc. Los almidones
y las dextrinas son ejemplos de polisacáridos
que pueden ser lineales o ramificados. Segun
la naturaleza de los monosacAridos a que dan
origen por hidrblisis, en ocasiones se le designa como hexosanos o pentosanos.
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
Para comprender su funci6n fundamental en la
economia del organismo de los marniferos es esencial
el conocimiento de la estructura y propiedades de los
carbohidratos de importancia fisiologica. El azúcar
glucosa es el carbohidrato más importante. La mayor
cantidad del carbohidrato dietético pasa al torrente
sanguíneo en forma de glucosa o es convertida en el
hígado y, a partir de ella, pueden formarse los demás
carbohidratos en el cuerpo. Es tarnbien el combusliblc
principal de los mamíferos (excepto los rumiantes) y
un combustible universal para el feto. En el organismo
es convertida a otros carbohidratos que tienen funciones altainente especificas, por ejemplo, glucbgeno
para almacenaje; ribosa en los ácidos nucleicos;
galactosa en la lactosa de la leche y en ciertos Iípidas
complejos y, combinada con proteinas en las glucoproteínas y los proteoglucanos. Las enfermedades que
se relacionan con carbohidratos incluyen diabetes
sacarina, galactosemia, enfermedades por almacenaje d e glucógeno e infolerencia a la lactosa.
*
Obsérvese que esla no es una triosa verdadera sino un
trisacárido giic conticnc trcs rcsiduos de alfa glucosa.
Cuadro 15-1. Clasificaciónde aziicares
importnntes
---L.
-"
--
1
--
ulosa
ulosa
Para la mayor parte de los praphsito~,la fbrmula
estructural puede ser representada como un simple
anillo en perspectiva como lo propuso Haworth
(figura 15-1 R). 131 anilisis por difracción de rayos X
muestra que el anillo de seis miembro5 contienc un
átomo de oxigeno y que en realidad tfenc la forma de
una silla (figura 15-1 C).
ctosa
Los azúcares poseen varias formas
de icornerismo
LA GLUCOSA ES EL MONOSACARIDO
MÁS IMPORTANTE EN MEDICINA
La estructura de la glucosa
puede representarse de tres maneras
Aunque la fhmula estructural de cadena lineal (aldohexosa, figura 15-1 A) puede ayudar a comprender
algunas de sus propiedades, una estructura cíclica cs
favorecida por razones temodinSimicas y expIica
completamente el resto de sus propiedades quimicas.
o
11
'C-H
I
- OH
HO -3C - H
1
H -4C - OH
l
H -=C -OH
H -2C
1
1
6CH,OH
Figura 15-1. o-Glucosa A: Forma en cadena recta; B alfao-Glucosa proyección de Haworth; C: alfa-o-Glucosa forma
de silla.
Los compuestos que tienen Ia misma formula estructural, pero que difieren en configuracibn espacial se
conocen camo etercoisómeros. La presencia de atonios
de carbono asimétricos (Atomos de carbono unidos a
cuatro h~omoso grupos diferentes) permite la formación
de isbrneros. El numero de isbrneros posibles de un
compuesto depende de1 numero de htomos asimétricos
de carbono (n) y es igual ri 2". La glucosa, con cuatro
htomos asimttricos de carbono tiene, por tanto, 16
isomeros. Los tipos más importantes de isomeria que
se encuentran en la glucosa son los siguientes:
1) lsomerismo D y L: La designación de un isiimero
como 13 o de su irnagcn en espejo como la forma L
está determinada por su relacion espacial con el
compuesto progenitor de la familia de carbohidrato~,el azúcar de tres carbonos, la glicerosa
(gliceraldehído). Las formas L y D de este azíicar
se muestran en la Figura 15-2,jiinto con los correspondientes isdmeros de la glucosa. La orientacihn
de los grupos -H y -0H alrededor del átomo de
carbono adyacente al carbono con el ~ l c o h o lprimario terminal (por ejemplo, el Atomo de carbono
cinco en la glucosa) determinan si el asicar pertenece a la serie D o a la l.. Cuando el grupo -OH
en este carbono está a la derecha {como se ve en la
figura 15-2), el azúcar es miembro de la serie D;
cuando esti a la izquierda, pertenece a la serie L. La
mayor parte de los monosacaridos dc los mamíferos
tienen la configuracibn u y las enzimas qiie intervienen en su metabolismo son específicas para esta
configuracibn.
La presencia de átomos de carbono asimCtncos
tambikn confiere actividad óptica a los compuestos. Cuando un rayo de luz polarizada en un plano
se hace pasar a través de la soluciiin de u11Eshmero
óptico, el plano de polarizaci0n girarA en el sentido de
las manecillas del reloj si el isómero es dextrorrotatario (+), o en el sentido opuesto si es levomtatorio
(-1. Un compuesto puede scr designado n(-), »(A),
L(-) o c(+),indicando su rclación estructural con
la glicerosa n o L, pero no necesariamente exhibiendo la misma rotacibn 6ptica. Por ejemplo, la
forma de Fa fructuosa que ocurre en la naturaleza,
es el isiimcro D(-).
C -H
I
-OH
H-C
I
Furane
O
ti
C -H
1
1
HO-
'C -H
I
H-C
-0H
1
HO-C
H-C
m-"
-H
I
'CH,OH
-51
I
I
H-C
-0M
-0H
I
Figura 15-3. Formas piranosa y furanosa de la glucosa.
CH?OH
Figura 15-2. Isomeria o- y L- de la glucerosa y de la glucosa.
Cuando existen cantidades iguales de
isomeros n y l,, la mezcla resultante no tiene actividad 6ptica puesto que las actividades de cada
isbmero se anulan entre si. Tal mezcla se designa
como racemica o mezcla ni.. [,os compuestos
producidos por síntesis son necesariamente
recdrnicos, ya que las oportunidades para la forrnacíón de cada ic6mero ~ p t i c oson idénticas.
2) Estructuras cíclicas piranosa y furanosa: Esta terminologia se basa en el hecho de que las estructuras
ciclicas estables de los rnonosacáridos son sirnilms
a las del pirano y del furano (figura 15-3). También
las cetosas pueden presentar la forma ciclica (por
e.jempi0, D-fsuctofuranosa o D-fn~cto~iranosa)
(figura 1 5 - 4 ) . En el caso de la glucosa en solucit~n,
m& de 99% esta en la forma piranosa; por tanto,menos
de 1 % esta en la forma furanosa.
3) Anbrneros alfa y beta: La estructura ciclica de una
aldosa es un sem iacética, puesto que esti formada
por la combinacibn de un aldehído y un grupo
aIcohol (figura 15-5). En forma semejante, la
estructura cíclica de una cetusa es un semiacético.
La glucosa cristalina es alfa-u-glucopiranosa. La
estructura ciclica se conserva en solución, pero el
isomerismo tiene lugar alrededor de la posicihn 1,
el carbonilo o atorno anornérica d i carbono,
prodriciendo una rnezcIa de alfa-u-glucopiranosa
(38%) y beta-glucopiranosa (62%). Menos de
0.3% e s t $ representado principalmente por
anbmeros alfa y beta de la glucofuranosa. Este
equilibrio se acompaña de rotacibn 6ptica (mutarrotación) cuando el anillo semiadtico se abre y
se vuelve a formar con cambio de la posicibn de
los grupos -H y 4 H del carbono 1. El cambio se
efectua probablemente via una molécula hidratada,
acíclica, dc cadena recta, aunque la polarografia ha
mostrado que la glucosa existe en forma aciclica
en una proporción de sólo 0.0025 por ciento. La
desviación bpticade la glucosa en soIución es dextrorrotatoria; de aqul, el nombrc alterno de dextrosa
que se usa con frecuencia en medicina.
Figura 15-4. Formas piranosa y furanosa de la fructosa.
(sedcheptiilosa), se forman en la degradacibn de la
gliicosa por la vía alterna del fosfato de pentosa. Las
pentosas son constituyentes importantes de nucleótidos, ácidos nucleicos y numerosas coenziinac (cuadro
15-2). De las hexosas, las fisiolúgicamente más importantes son Ja glucosa, galactosa, fructosa y manosa
(cuadro 1 5-3).
En la figura 15-8 se muestran las estructuras de
los azúcares aldosas de importancia bioquimica. En la
figura 15-7 se muestran cinco cetosas que son importantes en el metabolismo. También significativos so11
los derivados ácido carboxílicos de la glucosa como
el D-glucuronato (importante en la formación de gliicurhnidos y prescnte en los glucosaminog~ucanos)y
sus derivados metabolicos 1--iduronato (presente eii
glicosarninoglucanos) (figura 15-9) y 1 ,-gulonato (un
in iembro de la via del icido urhnico, figura 2 2 4 ) .
HOCH,
L.
Forma de
aldehido
aciclico
HO O'd
H
0h
Figura 15-5. Mutarrotaciones de la glucosa.
Los azúcares forman glucósidos
con otros compuestos y entre si
4). Evímeroq: 3.0s isomeros que difieren como con-
secuencia de variaciones en la configuracibn de los
4 H y -H unidos a los átomos de carbono 2,3 y 4
de la glucosa se conocen corno epimeros. Diológicarnente, los epimeros más importantes de la glucosa
qon la manosa y la galactosa, formadas por epimerizaci6n en los carbonos 2 y 4, respectivamente
(figura 15-45).
S') lsom~rismoaldí)sa+etosa: La fructuosa tiene la
tnisma formula niolecular de la glucosa, pero difiere en su fiirmula estructural, dado que hay un
grupo cetosa potencial en la posición 2 dc la fmctuosa (figura 15-73 y un grupo aldehido potencial
en la posición 1 dc la glucosa (figura 15-8).
Muchos monosacáridos tienen
importancia fisiológica
Los derivados de triosas se forman en el ciirso de la
degradación metabolicade la glucosapor la vía de la glticólisis, en tanto que los derivados de iriosas. tetrosas.
pentosas, a partir del azúcar de siete carbonos
HOCH,
Los glucósidos son compuestos formado< de la condensación entre el grupo hidroxilo del c ~ r b o n o
anomérico de un monosaclirido o un residuo de
monosacarido y un segundo compuesto que puede spr
o no (en el caso de una aglucona), otro monosacarido.
Si el segundo grupo es un hidroxilo, e1 enlace O-glucosidico es un enlace acetal debido a que resulta de
utia reaccihn entre un grupo semiacético (formado de un
grupo aldehido y un grupo -0H) y otro grupo -0H.
Si la porcihn serniacética es la glucosa, el compuesto
resultante es un glucbsido; si es la galactrisa, un
galactosido, etdtem. Si el segundo grupo es iina arnina.
se forma un enlace N-glucosídico, por c,jemplo, entre
adenina y ribosaen nuclcbtidos como ATP (figura 12-5).
Los glucósidos se encueiitran en muchos medicamentos, en las espccias y en las constituyentes de
tejidos animales. El aglucano puede ser metanol,
glicerol, un esterol o fenol, o una base como adenina.
Todos los gluc6sidas que son irnportantcs en
medicina, debido a su acci6n sobre el corazón
(glucosidos cardiacos), contienen esteroides como
HOCH,
Figura 15-6. Epimerización de la glucosa
HOCH,
CHIOH
I
C=O
I
CH,OH
CH,OH
C-O
C=O
I
-H
1
I
H-C - 0 H
HO-C-H
1
I
HO-C-H
HO-C
C=O
I
I
H-C-DH
H-C
I
I
I
H-C
-0H
H-C
-0H
I
-OH
I
CHzOH
Dihidmxiacetona
Figura 15-7. Ejemplos de cetosas de importancia fisiol6gica
LOS deoxiazúcares carecen
componente aglucona. Estos gluciisidas incluyen
derivados de la digital y del estrofanto coma la
oua baína, que es un in hibidor de Ea Na'f K' -PiTPasa de
las membranas celulares. Otros glucósidos incluyen
antibióticos como la estreptomicina (figura 15-?U).
de un oxígeno
Son aqiiéllos en los cualcs un gnipo hidroxilo unido a la
estructura cíclica ha sido reempla7ado por un atomo
CHO
I
H-C-OH
I
CH2OH
~Gllcerosa(Dgllceraldehldo)
$HO
H-C - 0 H
I
H -C - 0 H
I
CHIOH
.~Erltrosa
m
f
.
CHO
CHO
CHO
I
I
I
1
HO-C - H
I
HO-C - H
H-C
CHO
l
H-C - 0 H
HQ-C -H
H-C - 0 H
4
I
H-C - 0 H
H-C - 0 H
-OH
&,OH
~Llxosa
-7
~Ribosa
~Xllosa
CHO
[
H-C-OH
HO -C -H
HO -C -H
I
H-C - 0 H
I
CH20H
CHO
CHO
HO-C - H
H-C-OH
I
I
I
HO-C -H
4
H-C-OH
I
H-C
1
- OH
CHZOH
4
HO-C -H
H-c-OH
H -C - 0 H
I
CH20H
Figura T5-8. Relaciones estructurales de las aldosac de la serie o con importancia fisiológica La o-triosa no tiene importancia
fisiológica. La serie se construye por la adicidn tebrica de una unidad CHzO al grupo -CHO del azúcar
Cuadro 15-2. Pentosas de importancia
fisiolbgica
.-.
.--
-
---- -
Import:ancia bio~uírnica
--
:mentas es1:ructuraIcs de los acidl
. l a i ~ n ~.,e
A
las coen7imaq com
'P. NAD, f U'ADP, llav,{>proteínas
S fosfatus de rihiisa !Fon intcrm
rios en la i[la de la peintosn fosfa
.
1 rormada cn los nroce.sus I f i i fosl'ato de :.rinuiusa
es iin inxcrrn
) dia,,. .rio en la vi a de la pcntosa fosfati
1 rnetüb6licos
nsiiluyente dc glucop.rvteintis
; ciruela Y de rd ~ G I C L ~ ~
v e gel
iomas
nstituyenie de glucop
eptidogliucnnos
Iiicosamint)gluc;inos
un constit!~ y e n t cde u
la cual ha Sido aislada
diaco hum;m0
1
-I ' iterrnediario en la via aer aciao urnnico
ae encucnira en ia orina cn l a
-pentosuria cscncial
eicos
YnbnbU,
1,
" -"
T...,
--
--
,m
(ii&zi
-
A
de hidrógeiio. Un ejemplo es la desoxirribosa (figura
1 5-1 1) que existe en los hcidos nucleicos (DNA).
Tambien se encuentran como un carbohidrato de glucoproteinas en forma de desoxi id-fucosa (figura
1 5-1 7 ) y la 2-desoxiglucesa es un inhibidor impartante del metnbolisma de la glucosa.
Los aminoazúcares (hexosaminas) son
componentes de glucoproteinas,
gangliócidos y glucosami nog lucanos
Ejemplos de aminoazúcares con la r~-glucosarnina
(figura 15-12), la D-galactosamina y la D-ma-
Cuadro 15-3. Aexosas de importancia Tisiolligica
-
-
A
.
-
--
-
-- --
I
ente
; Jugo
:
ar" del 1Prescntc cnI la orina (E
.
"lm;
maltosa y la lac
-
insporta leI sangre y el que
incipalmente usan los tejidos
r
.,
.
de In g1ucosa santesgluce~ni;
3)
del azúcar de cziaa y de la i nulina con v k i r ~ i e1iglucosa J
(pro1cedente de la alcachi]fa de foirma In lisa iel organisn
Jem~
fructuosa r:ondiice a
Iación dc c:cte cnrbrih
1izipogluceniia
Hidr ólisis de la
imposibilidad de metaboizarla caiisa galact oscmia y
:ataratas
zada cn las glándulas mamwias
para formar la lactosade la leche.
Es un constituyente de Ios glu-
D-1
-
-
-
3 lucosa
Hidrblisis del mank y gomas Es un ctinsliiuyente de muchas
vegetales
glucoproteinas
-
-
COO-
H
Figura 15-9. alfa-o-Glucuronato (izquierda) y beta-L-iduronato (derecha)
nosamina, las cuales han sido identificadas en la naturaleza. La glucosarnina es un constituyente del ácido
hialurdnico. La galactosamina o condrosamina es un
componente de la condroitina (capitulo 57).
Varios antibióticos como la eritromicina y la
carbomicina contienen aminoazúcares. Se cree que
los aminoazUcares están relacionados con la actividad
antibidtica de estos medicamentos.
LOS DISACARIDOS MAS
IMPORTANTES SON MACTOSA,
SACAROSA Y LACTOSA
Los disacáridos son azucares compuestos de dos
residuos de monosachrido unidos por un enlace glucosidico (figura 15-1 3). Su nombre quimice refleja
sus componentes monosacáridos. Los disachridos
fisiológicamente importantes son maltosa, sacarosa,
trehalosa y lactosa (cuadro 1 5 4 ) . La hidrblisis de
la sacarosa da una mezcla cruda que se denomina
"azucar invertida" debido a que la fnictosa que se
produce es fuertemente levorrotatoria y cambia
(invierte) la previa accibn dextrorrotateria de la
sacarosa.
5
HOCH,
Figura 15-17. 2-Desoxi-D-ribofuranosa (forma beta)
LOS POLISACARIDOS TIENEN
FUNCIONES DE ALMACENAJE
Y ESTRUCTURALES
Entre los polisachridos figuran los siguientes carbohidrato~que son lisiol6gicamente importantes:
El almidón esta formado por una cadena alfaglucosídica. Compuesto que siilo produce glucosa en
la hidrólisis, es un homopolímero denominado gIucosano o glucano. Constituye la fuente más importante
de carbohidrato$ de los alimentos y se encuentra en
los cereales, las patatas, las legumbres y en otros
vegetales. Los dos constituyentes principales del
almid6n son: la amilosa (15 a 20%) que tiene estructura helicoidat no ramificada (figura 15-14), y la
amilopectina (S0 a 85%), que consiste en cadenas
muy rarnificadas, de 24 a 30 residuos de glucosa
unidos por enlaces 1 -+ 4 en las cadenas y por enlaces
I + 6 en los puntos de ramificación.
El glucógeno (figura 15-15) es el polisacárido
que se almacena en el organismo animal. A menudo
se le designa como almidón animal. Es una estructura
mucho más ramificada que la arnilopectina con cadenas de 12 a 14 residuos de alfa-D-glucopiranosa (con
enlaces glucosidicos alfa-D-f l -% 41) y ramificaciones
Figura .15-10. Estreptomicina (izquierda) y ouabalna (derecha).
172 Rioquírnicu de Hurper
(Capitulo ISI
MALTOSA
Figura 15-1 2. Glucosamina (2-amino-o-glucopiranosa)
(forma alfa) La galactosarnina es Ea 2-amino-o-galactopiranoca Tanto la glucosamina como la galactosamina a
menudo se presentan como derivados N-acetilo en carbohidrato~mas complelos, por ejemplo, glucoproteinas.
SACAROSA
unidas por medio de enlaces glucocidicos al fa (1 +6).
La inulina es un alrnidhn que se encuenbaen los tuMrcu los
y raíces de las dalias, alcachofas y dcl diente de león. Por
hidrólisis se obtiene fructosa y por tanto es un h c tosano. Este almidón diferente: al de la patata es fácilmente soluble en agua caliente y se usaen fisiología para
determinar la velocidad de filtración glomenilar. Las
dextrinas son sustancias que se producen durante el
proceso de desintegración liidrolítica del a l m i d ~ nLas
.
dextrinas son los primeros productos que se forman
cuando la hidrdlisis alcanza un cierto grado de las
ramificaciones.
La celulosa es el principal constituyente del armazón de los vegetales. No es soluble en los solventes
ordinarios y consiste en unidades de beta-D-glucopiranosa unidas por enlaces beta (1 + 4) para Fomar
cadena rectas, largas, reforzadas por enlaces cruzados
de puentes de hidrógeno. L a celulosa no puede ser
digerida por numerosos mamíferos, incluso el ser humano debido a la ausencia de una hidrolasa que ataca
al enlace beta. Por tanto, es fuente importante del
"volumen" en la alimentación. En el intestino de los
rumiantes y otros hcrbivoros, hay microorganismos
que pueden atacar el enlace beta, haciendo a la celulosa
accesible para usarse como fuente energktica importante. Este proceso puede tener lugar a un grado
limitado en el colon humano.
La quitina es un importante polisacárida estructural de los invertebrados. Se encuentra, por ejemplo,
en los exosqueletos de los crustáceos e insectos.
Químicamente, la quitina está formada por unidades
de h c e t i l - ~ - g l u c o s a m i n a unidas por enlaces beta
(1 -r 4)-glucosídicos (figura 15-I6).
Los glucosaminogiucanos ~mucopolisac~ridos)
están constituidos por cadenas de carbohídratos complejos que se caracterizan por su contenido en aminoazúcares y iicidos urónicos. Cuando estas cadenas
se unen a una molicula de proteína, el compuesro se
conoce como un proteoglucano. A l igual que la sustancia fundamental o de envoltura, están relacionados
LACTOSA
H
O
Q
H O H
H H
oH
H H
Figura 15-13. Estructuras de disacáridos representativos
Los simboloc alfa y beta se refieren a la configuración en el
átomo anomériw de carbono (*) Cuando el carbono anormerico del segundo residuo toma parte en la formación del
enlace glucosidim, el residuo se convierte en un glucósido
conocido corno furanósido o piranbsido Como el azúcar ya
no tiene carbono anomerico con un grupo libre potencial,
aldehido o cetona, ya no muestra propiedades reductoras,
como la mayor parte de los demas azucares.
con elementos estructurales de los tejidos como el
hueso, la elastina y la colhgena. Su propiedad de retener
grandes cantidades de agua y de ocupar espacio, acojinando o lubricando otras estructuras, es auxiliada
por el gran número de grupos 4 H y de cargas negativas de las molkculas, las cuales por repulsión
conservan separadas a las cadenas de carbohidrato.
Ejemplos son el ácido bialurbnico, el sulfato de
Cuadra 15-4. Disachridos
-.
u""--
.
"
Fuente
+
A
-
n can arnilasa n hir
""""" " "
"
.u"
-
.
-
"
-LA
clínica
1
piicdc apnirccer eri l a I;n la deficienciade Iactasü, sii nialahsorciún crinduce
a diarrea \. flatulencia
Zzúcar de caria y betabcl. Sorgo. Pifia. kwahorias
En la deficiencia de sacarosa, la rnalabsorciiiii
,
flatulenci:
Jcar princ ipal de l a
condroitina y la heparina (figura 15-16}, descritos
con detalle en el capítulo 57.
Las gliicoproteínas (mucoproteinas) existen en
muchas condicianes diferentes en los líquidos corporales y en los tejidos, incliiyendo las membranas celulares (capítulos 43 y 56). Son proteinas que contienen
carbohidratos en diversas proporciones adheridos en
fonna de cadenas cortas o largas (hasta 15 unidades),
ramificadas o no. Estas se denominan cadenas oligosacáridas (aun cuando en ocaciones pueden exceder
de 10 unidades). Los carbohidratos constituyentes se
listan en el cuadro 15-5.
Excepto en la colágena, la glucosa no se encuentra en las glucoproteinas maduras y, al contrario de los
glucosaminoglucanos y peptidoglucanos, caTecen de
acidos urónicos.
Los acidos siirlicos son derivados N-acilo u Oacilo dcl icido neuraminico (figura 15-18). El hcido
neurzimínico es un aziicar de nueve carbonos derivado d e la manosarnina (un epimero de la glu-
cosamina) y piruvato. Los ácidos siBlicos son constituyentes de gliicoproteínas y ganglicísidos(capítulos
16 y 56). Los gangliosidos tamhien son glucolípidos.
LOS CARBOHIDRATOS ESTÁN
PRESENTES EN LAS MEMBRANAS
CELULARES Y EN LAS LIPOPROTE~NAS
La estructura lipídica de la membrana celular se describe cn los capítulos 16 y 43. Sin embargo, el análisis
de componentes de membranas celulares de los
marniferos indica que aproximadamente 5% de ellos son
carbohidratos. presentes como glucoproteínas y glucolipidos. Los cm-bohidratos también estan presentes en
algunas lipoproteinas, por ejemplo, las lipoproteinas
de baja densidad (1,DL del ínglks, iow-de~sifvlipoproleiris). Su existencia en la superficie externa de la
membrana plasmática (el glucocáliz) ha sido de-
Figura 15-14. Estructura del almidón. A: Amilosa, mostrando Fa estructura helicoidal. B: Amilopectina, mostrando un punto
de ramificación 1+ 6.
1 74 Binqztitnica de Harper
(Capitulo I 5)
Figura 15-5. Molecula de glurkgeno A: Estructura general B: Amplifimcibn de la estructura en un punto de ramificación. La
molécula es una esfera que se aproxima a los 21 nm de diámetro y puede visualizarse en el microscopio elecirbnim. Tiene
una masa rnolecular de 10' Da y consta de cadenas polisacaridas cada una de las cuales contiene alrededor de 13 residuos
de glucosa. Las cadenas son ramificadaso no ramificadas y se agrupan en 12 capas conoéntricas (enla figura sdlo se muestran
cuatro). Las cadenas ramificadas (cada una tiene dos ramas) se localizanen las capas interiores y las cadenas no ramificadas
en la capa externa (G.glumgenina, la primer molécula de la sintesis del gluc6geno)
mostrada con el empleo de las lectinas, vegetales que
se fijan de modo especifico a ciertos residuos glucosilo. Por ejemplo, la concanavalina A tiene especificidad hacia r e s i d u o s alfa-glucosilo y
alfa-manosilo. La glucoforina es la mas importante
Cuadro 15-5. Carbohidsatos que se encuentran
en las g:lucoprot1
eínas
.
.
. -. .. .
---
xosas
a( M 4
osa (Gal)
tilglucosmiina (GlcNAc)
iilgalactosíimina (GalNAc)
Acetil hexr
samin,
ntosas
Arabinosa (Ara)
neurhico,
is Derivados K-acilc1 del ácidom
h7-aceti'
Ineurhico
p r ejt:mplo, hciilo
- . . . ..
....
,. figura
1 ,,predominante
C)rlmii
A.c,
15-18), e l ácido sialico
glucoproteina integral de la membrana de los eritrocitoc humanos. Tiene 130 residuos de aminohcidos y se
extiende por la membrana Eipidica, dejando porciones
polipeptidicas libres tanto por el lado externo como
por el interno (citoplismico) de la superficie. Las
cadenas de carbohidrato únicamente están adheridas
a la porcion arnino terminal del lado externo de la
superficie de la membrana (capitulo 43).
RESUMEN
1) Los carbohidratos son constituyentes principales del alimento y los tejidos animales.
Pueden caracterizarse por el tipo y número de
residuos monosac8ridos en sus mol&culac.
2) La glucosa es el carbohidrato m b importante
en la bioquirnica de los mamíferos debido a
que casi todo el carbohidrato de los alimentos
se convierte en glucosa por metabolismo adicional.
3) Los azúcares tienen un número elevado de
estereoisbmeros debido aque contienen varios
Atomos de carbono asjmétricos.
Quitina
Figura 15-77. beta-L-Fucoca(6-desoxi-p-L-galactoca)
4) Los monosacaridos de importancia fisiológica
Acido hlalurónico
HOCH,
cm-
H
-
H
HN*CO*CH
OH
Condro~tin4-sulfato
[Nofa:tambien hay 6-sulfatoj
HOCHZ
H
incluyen glucosa, que es el "azúcar sanguíneo", y ribosa, constituyente importante
de nucleótidos y dcidos nucleicos.
5) Los disacaridos de importancia fisiolhgica son
rnalíosa, intermedio importante en la digestión de alrnidbn y glucdgeno; sacarosa, irnportante como constituyente dietktico que se
compone de h c l o s a y glucosa; y lactosa,
hnico azticar encontrado en la leche y que
contiene galactosa y glucosa.
6 ) El almidón y el glucógeno son polimeros de
almacenaje de glucosa en vegetales y animales, respectivamente. Son fuentes importantes de energia de la alimentación.
7) Las carbohidmtos complejos contienen otros
derivados como aminoazúcares, ácidos ur6nicos y ácidos sialicos. Incluyen a proteoglucanos y glucosaminoglucanos, que son
elementos estructurales de los tejidos y glucoproteinas, que son proteínas que tienen adheridas cadenas de oligosacáridos; se encuentran
en los organismos en numerosas ubicaciones,
incluyendo la membrana celular. I
OH
Acido B-glucurónico
Suifato de N-acetiigaiactosamina
Heparina
Glucosamina sulfatada
Acido idudniw sulfatado
Figura 15-1 6. Estructura de algunos polisacaridos complejos y glucosaminoglucanos.
Flgura 15-1 8. Estructura del Bcido N-acetilneuraminico, un
lcido siálico (Ac = CH3-CO-).
1 76
Bioq~iitnicade Hurper
(Capítulo 15)
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Lípidos de importancia fisiológica
Peter A. Mayes, PhD, DSc
LOS L~PIDOSSE CLASIFICAN
COMO SIMPLES O COMPLEJOS
Los Iípidos son un grupo heterogéneo de compuestos
emparentados, real o potencialmente, por sus
propiedades físicas. mis que por las químicas. Tienen
la propiedad corntín de ser: 1 ) relativamente insoliibles en agua y 2) solubles en los solventes no polares
como el Mer, el cloroformo y el benceno. Asi, los
lipidos incluyen grasas, aceites, esteroides, c e r a y
compuestos relacionados.
Los lipidos son constituyentes importantes de la
alimentación no cOlo por su elevado valor energitico,
sino tarnbiin por las vitaminas liposolubles y los
ticidos grasos escnciales contenidos en lagrasade los alimentos naturales.
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
En el cuerpo, las grasas sirven como una fuente eficiente, directa y potencial, de energía directa cuando
están almacenadas en el tejido adiposo. Sirven como
aislante t&rmicocn los tejidos subcucaneos y alrededor
de ciertos organos, y los Iípidos no polares actúan
como alslantes clkctricos que permiten la propagacion rápida de las ondas dcspolñrizantes a lo largo
de los nervios rnielinizados. El contenido de lipidos en
el tejido nervioso es particularmente alto. Los lipidos
y proteínas combinados (Iipoproteínas) son constituyentes celulares importantes que se encuentran en
la membrana celular y en las rnitocondrias y sirven
tambien como medios para transportar Iípidos en la
sangre. El conocimiento de la bioquirnica de los Iípidos es importante en la comprension de muchas áreas
biomkdicas de interés, por ejemplo, obesidad,
aterosclcrosis y la fincibn de varios Acidos grasos
poliinsaturadris en la nutrición y la salud.
La siguiente clasificaci6n de los lipidos modifica la
de Eloor:
1 ) Lípidos simples: Ésteres de hcidos grasos con
diversos alcoholes.
a. Crasas: h t e r e s de hcidos grasos con glicerol.
Unagrasaen estado iiquido se conoce como aceite.
b. Ceras: Esteres de icidos grasos con alcoholes
rnonohidricos de peso molecular más elevado.
2) Lipidos complejos: Ésteres de ácidos grasos que
contienen otros grupos quimicos además de un
alcohol y del Acido graso.
a. Fasfolfpidos: Lipidos que contienen ademhs
de hcidos grasos y un alcohol, un residuo de
acido fosfdrico. Con frecuencia tienen bases
nitrogenadas y otros sustituyentes, por ejemplo, en Ios glicerofosfolipidos el alcohol es el
glicerol y en los esfingofosfolípidosel alcohol
es la esfingosina,
b. Glucolipidos (glucoesfingolípidos): Lipidos
que contienen un ácido graso, esfingosina y
carbohidratos.
c. Otros lipidos complejos: Lipidos como sulfolipidos y aminolípidoc. También las lipoproteinas
pueden colocarse en esta categoría.
3) Lipidos precursorm y derivados: Incluyen ácidos
gracos, glicerol, esteroides, alcoholes diferentes al
glicerol y los esteroles, aldehidos de las grasas y
cuerpos cetónicos (capitulo 241, hidrocarburos, vitaminas Eiposolubles y hormonas.
Debido a que no poseen carga eleictrica, los acilgliceroles (acilglicéridos), el colesterol y los esteres
de colestenlo sc IIaman Iípidos neutros.
LOS ÁCIDOS GRASOS SON
ACIDOS CARBOXFLICOS
ALIFÁTICOS
Los acidos grasos saturados no
contienen dobles ligaduras
Los ácidos grasas existen en grasas y aceites naturales
en gran parte como ésteres, pero se les encuentra sin
esterificar como acidos grasos libres, modalidad
plasmritíca de transporte. Los que existen en las grasas
naturales generaln~entecontienen un níimero par de
átomos dc carbono porque sc sintetizan a partir de unidadcs de 2 carbonos. La cadena puede ser saturada
(esdecir, sin dobles ligaduras) o no saturada (con una
o más dobles ligaduras).
Los acidos grasos saturados teóricamente se puedcn
considerar como provenientes del ácido acético
(CI4,-COOH) que sería el primer miembro de la
serie en la cual se adicionan progrer~vamente--CH?entre Ins grupos 4 O O H y el CI1,- termina1. Ejemplos de los ácidos de esta serie se muestran en cl
cziadro 16-1. Se sabe que existen otros miembros de
esta. serie con mayar número dc átomos de carbono,
" -
Los acidos grasos se denominan
de acuerdo a los hidrocarburos
correspondientes
Nombre
común
a,[ noinenclatura cistemhtica usada mis frecuentemente
se basa en poner al icido graso el nombre del hidrocarburo con el mismo número de átomos de carbono,
sustituycndo la. o final por la tenninacion -oico
(sistema ginebrino). Así, los ácidos saturados terminan
en -iinoico, por ejemplo el ácido octanoico, y los ácidos
insatiirados cnn dobles ligaduras terminan en -cnoico,
por ejemplo, el ácido octadecenoico (Acido oleico}.
Los ritornos de carbono se numeran a partir del
carbono mrboxilico(carbonoNo. 1). Al átomodecarbono
adyacente al carbono carboxilico (No. 2) 5e le conoce
también como el carbono alfah1,os itomos de carbono
No. 3 y Nci. 4 son el carbono beta y el carbono gamma;
el carbono metiiico terminal se conoce como carbono
omega o carbono n.
Se usan varios convencionalismos para indicar el
numero y I A posicibn de las dobles ligaduras, por
ejemplo, A'5ndica una doble ligadura entre Ios &tomos
de carbono 9 y 10 del hcido graso; el símbolo m 4
indica una doble ligadiira en el noveno carbono contando desde el itomo de carbono omega. Una costumbre
in iiy difiindida consiste en indicar el número de atitornos
de carbono y el número y la posición de las dobles ligaduras como se muestra en la figura 16-1. En los
animales, las dobles ligaduras adicionales se introducen
solo entrc la doble ligadura existente (por ejemplo,
(119,w6 u w3) y el carbono del carboxilo, conduciendo
a Eses series de &cidos grasos, conocidas como las
familias 09, m 6 y w3, recpcctivamente.
<
Cuadro 16-1. Ácidas grasos saturados
-. "
Numei
Interviene en cl metabiilisrno
de las unidddes *'Cl (fomiato)
Fhrmice*
"
Acftico
2
1 Principal producto final de
L;i
' fcrmc:ntacion di: carbohidradel
tos pi31. microor
rilmcllt
-
1 1 1 ~ ~de1 la ferrncntaciiin de (;arhnhidra tos
del-rumen
-.
-- noi
u i i vlVLIUbLU
Caproico
.,>..&,:,l*
ExisTcn mi ntrlueii~x
. . irnr criiiii~iíadcs
en ciertas grasas (cspccialmente: cn la mntitcquilln) Iln
producto final ri e la Ikrrnentar:ihi 7 ne carnohidratos pnr
en cn peclueAas cnriti-
en mucnas grasas (iiiilla): cspccliil-
vegetal
,,311b1lllaliCLI*
IiIIIICLU,
CLllllcn-
dra dt:palma, at
)CU
el, nianteq
.......................
Nuez
,,cn,.lo
iirti>baiiix,
1,
aceites dl
ciiiiiciiui
o
de
to.
:quilla
mes cn totins Iss Erasas
-is)
Cerek
iceite de ciicahiia
,,,,, --, . , airIU1111.
* r.c[ric[amcntc.no es un aerivauo
TarnbiCn se forma en el ciego de los hcxbívor'os y cii menor
cantidad en el colon de seres hurnni 10s.
a
-
1
'
Figura 16-1. Acido oleim, n-9 (n menos 9) es equrvalente a (:19
Lipidos de importancia fisiol6:ica
2) Ácidos poliimburadm ( p o l i o i d e , polienoioo),
que contienen dos o más dobles ligadurac.
3) Eicosanoides: Estos compuestos derivados de
IOF Acidosm
-,
eeiosapolienoicos (20-421, mprenden a los prmtanoides y los Ieumtrienos
(LT). Los prostanoides incluyen a las prostaglandinas (PG), prostaciclinas (PGI) y
tsomboxanos (TX).
en especial en las ceras. Tambikn se han aislado
algunos hcidos grasos de cadena ramificada de fkentes
vegetales y animales.
Los ácidos grasos insaturados
contienen una o más dobles ligaduras
(cuadro í6-2)
Se pueden subdividir según el grado de insaturacihn en:
Las prostaglandinas fueron descubiertas originalmente en el plasma seminal, pero ahora se sabe qiie
1) Ácidos monoinsaturados (rnonoetenoide,
monoenoico), que contienen una doble ligadura.
mportencia fisiolhgica y nutricional
Cuadro 16-2. Ác idos grasi
--- .-.--
.
--. ..
.
...
- --.--.
.-
llUIrleruuiatomi~T
de C y porricibn de
as dobles Iligaduras
.
"
J 79
-.
- - .. .
.
--.
.
-
-
Presencia
Yambre sir
común
-
oicos (una doble liga
--
I casi
todas las grasas
isiblemente el icido graso mas
rnun en las grasas naturales
laidico
1
7
a o nabo j
nicico
1 cir- 1 5 - ietracoseno
erv6nico
,,,.,,,,,,,," ,
+
IX:2;9.12
-
18:3;6,Y,12
,,,,..,,,
, ,,, ,,,
.
,,, ,,
,
I
.
los cerebr
Ácirlos dienoic:os (dos ,,,,,,,,,,
do
,.
I
. .-
1 h d o s cis-Y,~ Z - O C ~ ~ ~ ~ C ~ Maíz,
I C ~ cacahuate.
O ~ C O semillas de aldhn, frijol de soju 1
i ac,cites vegct;ales
SS
-
-%
Ácidos trienoicos (tres dohles ligaduras)
gmrna-l ,i-
noico
nolenico
&
-
Todos ci.
1
AI gunas plantas; por gempio, aceite
i de la hierba del asno; hcido graso
i mi
:nor en los animales
--
1
ioico
Acidos tetrnenoicos (cuatro dobles lig
-1
r n q u i d b Todos c i
co
1
"
"
A
"
-
Cc)n frecuencia se encuentra juntO
con el áado linoleico pero en pa rtic ular en el eiceite de !iri a a
m
encuentra en grasas animales y en
aceite de i:acahuatc; cornponcnte
A.
pul iruiiG U< los fosfolipidos en los
imales
,
,
d
,
,
,
,
Ácidos pentaenoiicos (cinco dobles lig
aceites de pescado, huevo, higado d e
bacaIao,marcarda. shbaio, salmiin
22:5;7,30,13,16,19
1 tenoico
rehro
icos (seis dlobles ligniiduras)
-
,%A
Lcr voriico
1 hexanoico
I
17 16.19-ducuhn- . l r c e i i c b uc pcxauu. i u ~ i v ~ ~ l i i uuel
us
uulii. crh-.t, t , I u
'
-
-1- cerebro
. . ..
.
existen virtualmente en todos los tejidos de marniferos
y que actúan como hormonas locales; tienen importaiites actividades fisiolbgicas y farmacológicas. Son
sintetizadas in vivo por ciclización del centro de la
cadena de carbono de los ácidos grasos poliinsaturados
20-C (eicosanoicos) (por ejemplo, ácido araquidónico)
para formar un anillo ciclopentano (figura 16-2 j. Una
sene análoga de compuestos, los tromboxanos, descubiertos en las plaquetas, tienen el anillo ciciopentano
interrumpido por un átomo de oxígeno (anillo oxano)
(figura lb-3). Tres hcidos grasos eicosanoicos diferentes
daii origen a tres grupos de eicosanoides caracteri7ados por el niirnere dc dobles ligaduras en sus cadenas
laterales; por ejemplo, PGi, PG?, t'G3. Las variaciones
en los grupos sustituyentes adheridos a los anillos originan tipos diferentes en cada serie de prostaglandinas
y tromboxanos, denominados A, B, etcetera. Por
ejemplo, el tipo "E" de prostaglandina (como en PGE:)
ricnc un grupo cet6nico en la posición 9, en tanto que
el tipo "F" tiene un grupo hidroxilo en esta posición.
Los leucotrienos y las Iipoxinas son un tercer grupo
dc derivados eicosanoidcs romados por la via de Ia
lipoxigenasa mas bien que por ciclización de la cadena
del ácido graso (figura 164). Descritos en un principio en los leucocitos, se caracterizan por la presencia
de tres dobles ligaduras conjugadas, respectivamente.
La mayor parte de los ácidos grasos
insaturados naturales tienen dobles
ligaduras cls
Las cadenas de carbono de los ácidos grasos saturados
tienen un patrón de zigzag cuando se extienden, corno
seria el caso a temperaturas bajas. A temperaturas
mayores, algunos enlaces giran, haciendo que la cadena
se acorte, lo cual explica por que las biornembranas se
adelgazan cuando la temperatura aumenta. En los
ácidos grasos insaturados existe un tipo de isomeria
geométrica, dependiendo de la orientación de los
átomos o grupos funcionales alrededor del eje de Ias
dobles ligaduras. Si las cadenas acilo están en el mismo
lado del enlace es ~ i scomo
,
en el ácido oleico; si estan
en lados opuestos, es tran~,
como en el acido elaidico,
isómero del Acido olclico (figura 16-5). Los hcidos
grasos insaturados de cadena larga que existen en la
naturaleza son casi todos de la configuración cis, con
Flgura 46-2. Prostaglandina
E2
(PGE2).
Figura 1 6 3 . Tromboxano A2 (TXA2)
un "doblez" de 120" en la doble ligadura. Por tanto,
el iicido oleico tiene forma de L, en tanto que el ácido
elaidico se conserva "recto" en su doble ligadura
Irunh. El aumento en el numero de doblcs ligaduras
cis en un Bcido graso conduce a una diversidad de
configuraciones espaciales prisi hles de la mulécula.
por c,jcmplo, ácidri araquidonico, con cuatro enlaces
dobles crs, puede tener "rizos " o una forma de U. Esto
puede tener un significado profiindo e n el empaquetamiento molecular dentro de las membranas y
en las posiciones ocupadas por los acidos grasos en
moleculas más complejas como los CosfoIipidos. La
presencia de dobles ligaduras trans alterará las relaciones espaciales. Algunos alimentos contienen hcidos grasas fraris.I,a mayor parte son subproductw en
la saturacion de los ácidos grasos durante el proceso
de hidrogenación o "endurecimieiito" de aceites naturales para fabricar margarina. Una contribución pequefia
adicional proviene de la íngestihn de grasas de nirniantes que contienen ácidos grasos iruns procedentes
de la acción de los rnicroorganismos en el rumen.
Las propiedades físicas y fisiolcigicas
de los ácidos grasos están
determinadas por la longitud de su
cadena y por su grado de insaturación
Por tanto, los puntos de fusión de ácidos grasos con
un numero par de carbonos se elevan con la longitud
de Ia cadena y bajan de acuerdo a la insaturacion. U n
triacilglicerol que contienc todos los Bcidos gracos de
12 C omhc saturados, es s6lido a la temperaturacorporal,
en tanto que, si los tres residuos de ácido graso son
I&:2,es liquido por abajo de O "C. En la práctica, los
acilgliceroles naturales contienen una mezcla de ácidos
grasos que los adapta con precisión a sus funciones.
Figura 1 6 4 . Leucotrieno A4 (LTA4)
Lipidos de importancia fisinlb~ica 18J
puesto que se forma por tres residuos d e acido
estearico esterificados por el glicerol. Un ejemplo de
acilgliceroles mixtos se muestra en la figura 16-7.
Los átomos de carbono 1 y 3
del glicerol no son idénticos
:: (Bcido
Forma cis
oleico)
\
'.
("H
cII
Y'
coo -
Figura 16-5. lsomeria geometrica de los ácidos grasoc
d9,I 8.1 (Acidos oleico y elaidico).
Los lípidos de la membrana, que deben ser líquidos a
todas las temperaturas ambientales, son más insaturados
que Ios lipidos almacenados. Los Iipidos que en los
tejidos están sujetos a enfriamiento, por ejempIo, en
hihernadores o en las extremidades de animales, son
más insatusados.
Ciertos alcoholes se encuentran
en los Fípidos naturales
Los alcoholes relacionados con los lipidos incluyen el
glicerol, el colesterol y los alcoholes superiores (por
usualmente
H),
enejemplo, alcohol cetílico, C L ~ H ~ ~ Q
contrados en las ceras y cl alcohol poliisoprenoide,
dolicol (figura 16-26),
LOS TRIACILGLICEROLEC
(TRIGLICERIDOC)*SON LAS
PRINCIPALES FORMAS DE
ALMACENAJE DE LOS ÁCIDOS
GRASOS
Cuando es necesario numerar de manera inequívoca
a los carbonos del glicerol, se utiliza el sistema -sn(s~ereuchernrealnumhering = numcraciún estereoqu imica), por ejemplo, 1,3-distearil-2-palmitil-.m-gliceroI
(que se muestran GQmOuna fbmula proyectada tarnbien
en la tigura 16-81, Es importante comprender que los
carbonos 1 y 3 de glicerol no son iddnticos cuando se
ven en tres dimensiones. Las enzimas los reconocen
con facilidad y son casi siempre especificas para uno
u otro carbono; por ejemplo, el glicerol siempre es
fosforilado en sn-3 por la glicerocinasa para dar 3-fosfato de glicerol y no 1-fosfato de glicerol.
También se encuentran en los tejidos acilgliceroles parciales que consisten de mono y diacilgliceroles en los cuales dos hcidos grasos o solo uno
esthn esterificados con el glicerol. Estos son de particular importancia en la síntesis e hidrolisis de los
triacilgliceroles.
LOS FOSFOL~PFDOS
SON LOS
PRINC1PALES CONSTITUYENTES
LIP~DICOSDE LAS MEMBRANAS
Los fosfollpidoc comprenden los siguientes grupos:
F j hcicido fosfatidico y fosfatidilgl iceroles, 2) fosfatidi lcolina, 3 ) fosfatidiletanolarnina, 4) fosfatidilinositol,
5) fosfatidilserina, 6j lisofosfolipidos, 7) plasmalógenos
y 8) esfingomielinas. Todos &tos son fosfoacilgliceroles, diferentes de las esfingomielinas, las
cuales no contienen glicerol. Pueden considerarse como
derivados del hcido fosfafidico (figura 16-9), en
donde el fosfato se esterifica con el - 0 H del alcohol
adecuado.
El ácido fosfatídico es muy importante como
intermedio en la síntesis de triacilgliceroles y fosfollpidos, pero no se encuentra en gran cantidad en los
tejidos.
4
S
Los triacilgliceroles son &eres del alcohol glicerol y
ácidos grasos. En las grasas que se encuentran en la
naturaleza, la proporción de rnoleculas de triacilgliceroles que contienen el mismo residuo de ácido
graso en las tres posiciones esterificadas ES muy
pequetia. Casi todos son acilgliceroles mixtos. En la
figura I 6 4 , si los tres ácidos g a s o s representados por
R fueran Bcido estchríeo, la grasa scrla la triestearina,
I)e acuerdv con la terminología estandarizadaactual dc la
Uniún Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC.
del inglks, lnrernat~onal Union of Prwe and Applled
Chemishy) y de la Unibn Internacional de Riuquiiiiica
(IUB, del ingles. Inlernaiiunal IJniun nJ Bincirerni.~tg~).
los monuglicéridos, digliceridos y triglirkridos se designarj, en adelante como monoacilglicerciles,diacilglicernles
y triacilgliceroles, rcspcctivamentc. Stn embargo, la terminología anterior se utiliza con amplitud, cn particular
en la medicina clinica.
(Capítulo 16)
18.2 0 Bioauimica de Harner
O
II
O
'CH, - O-C-R,
II
R, -C -O 261-1
O
II
I
T H , -O-C-R,
La cardiolipina es el principal Iipido
de las membranas mitocondriales
El hcido fosfatidico actúa como precursor del fosfatidilglicerol, el cual n su vez, da origen a la cardiolipina
(figura 16-1 0) en las rnitocondrias.
Figura 16-6. Triacilglicerol.
Las fosfatiditcolinas (lecitinas)
se encuentran en las membranas
celulares
Figura 16-7. 1,3-Diectearopalmitina.
I
H$-
O
lf
O - C-R,
Figura 16-8. Triacil-snglicerol
Éstas son fosfogliceroles que contienen colina (figura
16-1 1 ). Son los fosfolipidos m6s abundantes de Ea
membrana celular y constituyen la reserva corporal
mhs importante de colina. Esta última se requiere
como neurotransmisor y para almacenar grupos
metilo libiles. La dipalmitil-iecitina es un agente
activo de superficie muy eficaz y el principal constituyente de los surfactantes que impide la adherencia
debida a la tensión superficial, de las superficies internas de los pulmones. Su ausencia en los pulmones
de los Iactantesprernaturos causa el sindrome de insuficiencia respiratoria. Sin embargo, la mayor
parte de los! fosfolipidos tienen un radical acilo
saturado en la posicidn an-1 y un radical no saturado
en la posición sn-2 del glicerol.
La Fosfatidiletanolamina (cefalina) difiere de
las lecitinas s61o en que la etanolamina reemplaza a In
colina (figura 16-12).
La fosfatidilserina, que contiene al aminokcido
serina en lugar de ebnolamina, se encuentra en la
mayor parte de los tejidos (figura 16-13), También se
han aislado fosfolipidos que contienen tresnina.
E! fosfatidilinositol es un precursor
de segundos mensajeros
El inositol se halla como el estereois6mero mioinositol (figura 16-1 4). El 4,Hifosfato de fosfatidilinositoE
es un constituyente importante de los fosfolipidos de
la membrana celular, con la estimulaci6n por un
agonista hormonal apropiado, se separa en diacilglicerol y trifosfato de inositol, actuando ambos
como sefiaies internas o segundos mensajeros
(capitulo 44).
O
O
rl
R2-
CH,I
C - O-CH
I
II
C-Rl
R
CH, - O - P - 0 I
0-
Figura 16-9. Acido fosfatidico.
Los lisofosfolípidos son intermedios
en el metabolismo de fosfogliceroles
Estos fosfoacilgliceroles contienen s61o un radical
acilo; por ejemplo, la lisolecitina que es importante
en el metabolismo y en la interconversibn de los
fosfolipidos (figura 16-1 5).
Fosfatidil acilglicerol
Diosfatidil acilglicerol (cardiolipina)
Figura 16-10. Cardiolipina (difocfatidilgiicerol)
Los plaamalógenos se encuentran
en el cerebro y los músculos
o
II
lp,-O-C-R,
9
T H , -0-7 -O-CI
R r C -02CH
F H 3
I
i- CH,
\CH,
O-
c
Colina
Estos compuestos llegan a constituir hasta 10% de los
fosfolípidos del encefalo y del músculo. Estructuralmente, los plasmalogenos semejan a la fosfatidiletanolamina, pero poseen un enlace éter en el carbono
SPI-1 en lugar del enlace &ter normal que se encuentra
en casi todos los acilgliceroles. Clasicamente el radical alquilo es un alcohol insaturado (figura 16-1 6). En
ocasiones la colina, la serina o el ínositol pueden
sussituirse por la etanolamina.
Figura 16-1 1. 3-Fosfatidilcolrna
Las esfingomielinas también se
presentan en el sistema nervioso
u
11
l7HI -O-C-Rl
f
RrC-OLyH
>CHl -O-P
1
CH,NHi
-O-CH2*
O-
Etanolamina
Las esfingomielinas se encuentran en grandes cantidades en el endfalo y tejido nervioso. Por hidrólisis
de las esfingomielinas se obtienen un hcido graso,
hcido fosfbrico, colina y un aminoalcohol complejo,
la esfingosina (figura 16-17), N o hay glicerol. La
combinación de la esfingosina con un Acido graso se
conoce con el nombre de ceramida, estructura que
también se encuentra en los glucosfingo1 ipidos (vkase
adelante).
Figura 16-1 2.3-Fosfatidiletanolamina.
14
II
'yH2 -O-C -R1
c - o -%tiI
FH,
- O-P
HHa+
FI -0-CHp-Ctl-C00I
F C
o-
J
Y
Serina
Fígura 16-1 3. 3-Fosfatidilserina.
Figura 16-14. 3-Fosfatidilinositol.
LOS GLUCOL~PIDOS
(GLUCQESFINGOL~PIDOS)TIENEN
IMPORTANCIA EN TEJIDOS NERVIOSOS
Y EN LA MEMBRANA CELULAR
7
CH2- O-C-R
Colina
Figura 16-15. Lisolecitina.
Etanolamina
Figura 16-1 6. Plasmalbgeno (fosfalidaletanolamina)
Ceramida
Acido fosfórico
1
0
I O=P-0
graso
-
+
I
O-CH,-CHyN(CH,lI,
Colina
Figura 16-1 7. Una esfingomielina
f
Los glucolipidos están distribuidos ampliamente en
cada tejido del cuerpo, en particular en el tejido
nervioso (como en el cerebro). En especial, se encuentran en la capa extenia de la membrana plasmática
donde forman partc de los carbohfdratos d e la superficie celular.
La glucolipidos principales en los tejidos animales
son los glucoesfingolipidos. Contienen ceramida y
una o mas anicares. Los dos más sencillos son galactosilceramida y glucosilceramida. La galactosilceramida es un glucoesfingolipido mayoritario del cerebro
y otros tejidos nerviosos, pero se encuentra en cantidades relativamentebajas en el resto del cuerpo. Contiene
cierto número de acidos grasos C:r caracteristicos. La
galactosilceramida (figura 1 6-1 8) puede convertirse
a sulfogalactosflceramida (el sulfato clasico), que
abunda en la mielina. La glucosilceramida es el glucoesfingolipido sencillo predominante en los tejidos
extraneurales, pero también existe en el cerebro en
cantidades pequefias. Los gangliósidos son glucosfingolipidos complejos que se derivan de la glucosilceramida. Un ganglidsido es un glucoesfingolipido
que contiene adernh una o más moléculas de un ácido
sihlico. El ácido neurarninico (NeuAc; capitulo 15) es el
principal &ido siálico encontrado en los tejidos humanos. Los gangliosidos están presentes también en el
tejido nervioso en concentraciones altas. Al parecer
tienen funciones de receptor y otras. El gangliósido
m8s simple en los te.jidos es Gw, que contiene
ceramida, una molécula de glucosa, una mol&culade
\
OH
1
CH,-(CH,),2-CH=
H
CH-CH-CH-N-C-
I
o
11
CH(0H) - (CH2)2i-CH,
Ácido graso
por ejemplo, Bcido cerebróniw
Galactosa
O-CH,
Figura 16-18. Estructura de galactosilcerarnida (galactocerebrbcido, R = H) y sulfogalactosllceramida (un sulfato, R = ~ 0 4 ~ 7 .
Ceramida-Glucosa4alaciosa-A-Acetilgalaosa
I
(Acilesfingosina)
NeuAc
oí
Cer-Glc-Gal-GalNAc-Gal
I
NeuAc
Figura 16-19. Gangliosido G M ~un
, rnonosfa10gangl1~sido
que es el receptor en el intestino humano para la toxina del cólera.
galactosa y una molCcula de NeuAc. En la nomenclatura
abreviada que se utiliza. (3 representa al ganglibsido;
M es una especie que contiene un monosialice y el
subindice tres es un numero arbitrario asignado con
base en SU migración crornatográfica. La estructura de
un gangliósido más complejo derivado de GVI, Ilamado GM~,
se muestra en la figura 16-19. El GMIes
un compuesto de considerable interés biolbgico ya
que se sabe es el receptor en el intestino humano para
la toxina del colera. Otros ganglibsidos pueden contener de 1 a 5 moléculas de Bcido sihlico, dando origen
a di-, trisialogangliósidos, etcétera.
LOS ESTEROIDES DESARROLLAN
NUMEROSAS ACTIVIDADES
FISIOLÓGICAS IMPORTANTES
El colesterol es quizá el esteroide mejor conocido
debido a su relación con la aterosclerosis. No obstante, en bioquimica también tiene importancia debido
a que es precursor de un gran numero de esteroides
igualmente importantes que incluyen ácidos biliares,
hormonas suprarrenales, hormonas sexuales, vitaminas D. glucósidos cardiacos, sitosteroles del reino
vegetal y algunos alcaloides.
Todos los esteroides tienen un núcleo ciclico
semejante al del fenantreno (anillos A, B y C), al cual se
une un anillo de ciclopentano (anilla D). Las posiciones de los carbonos en el núcleo esteroide se numeran
como se muestra en la figura 16-20. Es impartante
comprender que en las fórmulas estructurales de los
estcroidcs, un simple anillo hexagonal denota 1 de 6
carbonos completamente saturado, con todas las valencias satisfechas con ligaduras de hidrógeno a
menos que se sefíale de otra manera, es decir, no es un
anillo bencénico. Todas las dobles ligaduras se muestran como tales. Las cadenas laterales de metilo sc
señalan como ligaduras sencilIas libres en el extremo
(metilo) final. Esto sucede clásicamente en las posiciones 10 y 13 (constituyendo los atomes de CIs y
Cis). Es comun una cadena lateral cn la posicihn 17,
como sucede en el colesterol. Si el compuesto posee
uno o m i s grupos hidroxilo y carece de grupos carbonilo y carboxilo, se trata dc un esterol y el nombre
termina en -1.
Debido a la asimetría en la
molécula esteroidea con posibles
numerosos estereoisómeros
Cada uno de los anillos de seis carbonos del núcleo
del esteroide es capaz de existir en la conformacibn
tridimensional de "silla" o de "barca" (fígura 16-2 1).
En los esteroides que se encuentran en la naturaleza, virtualmente todos los anillos estan en forma
de "silla" que es la conformaci6n m8s estable. Respecto uno del otro, los anillos pueden ser crs o trans
(figura 16-22).
Forma de "silla'
Forma de "barca"
Figura 16-20. El nicle0 esteroide.
Figura 16-21. Conformaciones de los estereoisdmeros
Figura 16-22. Núcleo generalizado de los esteroides que muestra (A) una mnfiguracibn trans total entre andlos adyacentes,
y (E) una configuración cis entre los an~llosA y B.
La union entre los anillos A y B pueden ser cis O
trans en los esteroidec que se encuentran en la naturaleza. Aquélla entre B y C es trans y la unión C/Des
truns excepto en los gluc6sidos cardiacos y los
venenos de sapo. Las ligaduras que unen grupos de
sustitucion por arriba del pIano de los anillos se indican con líneas negras continuas (beta), mientras que
aquellas que unen grupos por abajo lo están con líneas
punteadas (al fa). El anillo A de un esteroide Salfa está
siempre en la forma trans con respecto al anillo B,
mientras que es cis en un ecteroide Sbeta. Los grupos
metilo unidos los C i n y CI3 esthn invariablemente en
la configuración beta.
El colestro! es un constituyente
importante de numerosos tejidos
El colesterol (figura 16-23) se encuentra ampliamente
distribuido en todas las cdlulas del organismo, pero
especialmente en las del teiido nervioso. Es un constituiente de mayor importancia de la membrana celular
y de las lipoproteinas plasmaticas. A menudo se encuentra combinado con ácidos grasos como &ter de
colesterilo, cuando se esterifica el grupo hidmilo de la
oosicibn 3 con un acido graso de cadena larga, Existe
:n Ias grasas animales, pero no en las vegetales.
Figura g6-23. Colesterol, 3-htdroxi-58-colesteno.
El ergosterol es un precursor
de la vitamina D
El ergosterol existe en vegetales y levaduras y es
importante por ser precursor de la vitamina D (figura
96-24). Cuando sc irradia con luz ultravioleta
adquiere propiedades antirraquiticas debido a la abertura del anillo B (figura 5 3 4 ) .
El coprosterol se encuentra
en las heces
El coprosterol (coprostanol) existe en las heces como
producto de la reducción, por las bacterias intestinales, de la doble ligadura entre los carbonos 5 y 6 del
colesterol.
Los poliprenoides comparten el mismo
COrn~UestQ precursor que el
Aunque estos compuestos no son esteroides, están
relacionados debido a que se sintetizan al igual que el
colesterol (figura 28-2) a partir de unidades de isop p n o de cinco carbonos (figura 16-25). En el10s se
incluye la u biquinona (capitulo 14), un miembro de
Figura 16-24. Ergosterol.
Lípidos de in?portanciafisioIOgica 187
Figura 16-25. Unidad isoprenica.
Figura 16-26. Dolicol a alcohol de 95 carbonos, Cgs.
la cadena respiratoria en la mitocondria y el alcohol
de cadena larga, dolicol (figura 16-26), que toma
parte en la síntesis de glucoproteínas transfiriendo
residuos de carbohidratos a residuos de asparagina del
polipkptido (capitulo 56). 1,os compuestos isoprenoides derivades de los vegetales comprenden el
hule, el alcanfor, las vitaminas liposolubles A, D, E y
K, y el beta caroteno (provitamina A).
rior. El proceso completo puede ilustrarse como
sigue:
1) Inicio:
ROOH + metal(")++ ROO' + metal("- l P + H'
X'+KH+R0+XH
LA PEROXIDACIÓN DE LOS
L~PIDOSES UNA FUENTE
DE RADICALES LIBRES
R' + 0 2 + ROO'
ROO' + RH -+ ROOH + R., etcétera
La peroxidación (autooxidacibn) de los Iípidos expuestos al oxígeno es la causa no sólo del deterioro de
los alimentos (sancidez), sino tarnbidn del daflo a los
tejidos rn vivo,donde pueden ser una causa di*chncer,
enfermedades inflamatorias, aterosclerosis, envejecimiento, etcetera. t o s efectos deletéreos se inician
por los radicales libres (ROO', RO' ,OH' ) producidos
durante la formación de peróxido a partir de Qcidos
grasos que contienen enlaces dobles de grupos metiIenos interrumpidos, es decir, de los Acidos grasos
poliinsaturados que se encuentran en la naturaleza
(figura 16-27). ~a pperoxidaci6n lipidica es una reacción en cadena que produce un suministro continuo
de radicales libres que inician la peroxidacibn poste-
Rm
R
-LvH
H
H
3) Terminación:
ROO' + ROO* -+ ROOR + 0 2
ROO'+ R" +ROOR
R' + R ' + R R
Puesto que el precursor rnolecular para el proceso de
inicio es generalmente el producto hidroperoxido
ROOH, la peroxidación de los lipidos es una reaccidn
en cadena ramificadora con efectos potencialmente
devastadores. Para controlar y reducir la peroxidacion
lipídica, tanto los seres humanos en sus actividades
como la naturaleza, usan los anbioxidantes. El galato
R.
ROO*
Al&
/k:Hm
+Rm
H
H
Malondialdehldo,
Hidroperbxido
ROOH
Figura 16-27. Peroxidadón de los lipidoc La reaccidn se inicta por la luz o por ionec metálicos. El malondialdehldo es el único
compuesto formado por los Bcidos grasos con tres o mBs dobles ligaduras y se emplea como una medida de la peroxidacibn
de los Ilptdos junto con el etano del carbono 2 terminal de los hcidos grasos omega3 y el pentano del carbono 5 terminal de
los ácidos grasos omega6.
de propilo. butilato dc hidroxianisol (RHA, del inglCs,
hutytated hdroq)unisole)y but ilato de h idrox itolueno
(BI-ET,del inglés, hu~latedhydroxy~nluene)
son antioxidantes usados como aditivos en los alimentos. Los
antioxidantes naturales son la vitamina E (tocoferol),
que ec liposoluble, y los uratos y la vitamina C que
son hidrosolubIes. El heta caroteno es un oxidante
cuando la PO: es baja. Los antioxidantes perttnccen
a dos clases: 1) preventivos, que reducen la velocidad
de iniciación de la cadena y 2 ) los interruptores de la
cadena quc interfieren con su propagación Los antioxidantes preventivos incluyen a la catalasa y otras
peroxidasas y reaccionan con ROOH y con quelantes
de ionec metálicos como el dietilentriaminopentaacetato
(DTPA) y etilendiaminotetraacetato (ED'I'A). Los antioxidantes interruptores de la cadena son a menudo
fenoles o aminas aromat icas. /n vivo, los principales
son: la superóxido dismutasa que actúa en la fase
acuosa para atrapar a los radicales superóxido libres
(O2-); ea1 ve2 el urato; y la vitamina E, que actúan en
la rase lipídica para atrapar a los radicales ROO'
(figura 53-9).
La peroxidacion rn vivo se cataliza tam bien por
los compuestos hemicos y por las lipoxigenasas que
se encuentran en plaquetas y leucocitos, etcetera.
PARA IDENTIFICAR Y SEPARAR
L~PIDOSSE UTILIZAN METODOS
CRQMATOGRÁFICOS
Los antiguos métodos de identificación y separacion
de lipidos, basados cn procedimientos quimicos clasicos de cristaltzación, destilacion y extracción por
solventes, se han reemplazado en gran parie por procedimientos cromatograficos. Particularmente util
para la separación de las diversas clases de lipidos es
la cromatografía en capa fina (CCF) (figura 16-28)
y para la separación de los Acidos grasos individuales,
la cromatografía gas-líquido (CGL). Antes de aplicar
estas técnicas a los tejidos húmedos, los lipidos se
extraen por un sistema de solventes usualmente
basado en una mezcla de clorofomo-metano1 (2: 1).
LOS L~PIDOSANFIBÁTICQS SE
ORIENTAN POR S! MISMOS EN
LAS ENTERFASES ACE1TE:AGUA
Forman membranas, micelas,
liposamas y emulsiones
En general, los lipidos son insolubles en el agua
puesto que en SU contenido predominan los grupos no
polares (de hidrocarburos). Sin embargo, los ácidos
Q
Triscilglicerolea
l
L
ente del
ente
t
Ácidos grasos
libres
Colesterol
1,3-üiacllgliceroles
1,Z-Diacilgliceroles
Figura 46-20. Separaciónde las principales clases de Ifpidos
por cromatografia en capa fina. Un sistema adecuado de
solventes para ellos seria hexano-&ter dietilico-acido famiice
(80~ O ' ~ V / V / V ) .
grasos, algunos fosfelipidos, esfingolipidos (las lipidos polares) y en menor grado, el colesterol, contienen
grupos polares. Por tanto, parte de la molécula es
hidrhfoba, o insoluble en agua, y parte es hidrófila
o soluble en agua. Estas moléciilas se describen como
anfipáticas (figura 16-29). En las interfases aceiteagua se orientan con el grupo polar en la fase acuosa
y el no polar en la fase oleosa. Una capa doble de lales
lipidos polarcs se considera como una estructura
básica en las membranas biol~gicac(capitulo 43).
Cuando se halla una concentración critica de estos
lípidos en un medio acuoso, rorman micelas. Los
agregados de salec biliares en micelas asi como
Iiposomas, y Ia formacibn de micelas mixtas con las
productos de la digestión de las grasas son importantes
para facilitar la absorción de lipidos en el intestino.
Los liposomas pueden formarse sorneticndo a un
lipido anliphtico aultrasonido en medio acuoso. Consisten en esferas de dobles capas de Iipidos que encierran
parte del medio acuoso. Tienen uso clínico potencial,
particularmente cuando se combinan con anticuerpo5
específicos de los tejidos, como transportadores de
fármacos en la circulacibn, orientados a órganos
específicos, por ejemplo, en la terapéutica del cáncer.
Ademas, se les utiliza como gen transferidor hacia el
interior de las células vasculares y como porteadores
para la administraciiin topica y transd6rmica de medicamentos y cosmeticos. Las ernalsiones son partículas
mucho inhs grandes, usualmente formadas por lipidos
no polares en un medio acuoso. Son estabilizadas por
agentcs emulsionantes como los lipidos an fipáticos
(por ejemplo, la lecitinn) los cuales forman una capa
superficial que separa la masa principal del material
no polar de la fase acuosa (figura 16-29).
Grupo polar
o hidrdfilo
Grupo no polar
o hidrofob
Fase acuosa
Fase acuosa
Fase "olsosa"o no polar
!
"k
000
Fase acuosa
DE ACEITE EN
AGUA
O
Compat4rmientos
Bicapas
Iipidicas
~CUOSOS
LlPOSOMA
(UNICAMELAR)
LlPOSOMA
(MULTILAMELAR)
E
F
Figura 16-29. Formacidn de membrana Iipidicas, micelas, ernulsiones y liposomas a partir de lípidos antipatims. por ejemplo,
fosfolipido
RESUMEN
1) Los lipidos tienen la propiedad común de ser relativamente insolubles en agua (hidrofobos) pero
solubles en solventes no polares. Sin embargo, los
lipidos anfipaticos tienen agregado uno o mhc gmpos polares que los vuelve en particular adecuados
como constituyentes de membranas en interfases
1ipidolagurt.
3) Los lípidos de mayor importancia fisiol6gica son
los acidoc grasos y sus esteres, junto con colesterol
y otros esteroides.
3) Los ácidos grasos de cadena larga pueden ser
saturados, monoinsaturados o poliinsaturados, de
acuerdo con el número de dobles ligaduras presente. Su fluidez disminuye de acuerdo con la
longitud de la cadena y aumenta con el grado de
insaturacion.
4) Los eicosanoides se forman de hcidos grasos poliinsaturados de 20 carbonos y constituyen un grupo
importante de compuestos activos en aspectos fisiológicos y farmacológicos, conocidos como prostaglandinas, iromboxano, leucotrienos y lipoxinas.
S) Los Csteres de glicerol son respecta a su cantidad,
los lipidos más importantes, representados por
triacilglicerol ("grasa"), que tiene gran significado
como constituyente principal de las lipoproteinas
y como manera de almacenaje de Iípidos en el
tejido adiposo. Los fosfoacilgliceroles son Iípidos
anfipaticos y cubren numerosas funciones importantes; por ejemplo, constituyentes mayores de las
membranas y de su capa exterior de Iipoproteínas,
tensoactivos en el pulmón, precursores de segundos mensajeros y componentes importantes del
tejido nervioso.
6) Los glucolipidos son tambiCn constituyentes significativos del tejido nervioso, como el encéfalo y
la capa exterior de la membrana celular, donde
forman parte de los carbohidratos de la superficie
celular.
190 Broquímica de Hurpr
7) El colesterol, como lipido anfipático, es un componente importante de las membranas. Es la rnolecula
precursora a partir de la cual se sintetizan los demás
(Capitulo 16)
estervides corporales. Éstos incluyen hormonas
importantes como las suprarrenacorticales y
sexuales, vitamina B y hcidos biliares. M
REFERENCIAS
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Gurr
Panorama del metabolismo
intermediario
Peter A. Mayes, PhD, DSc
El destino de los componentes de [a dieta después de
la digestidn y la absorción, constituye el metabolismo
intermediario. Por tanto, abarca un campo extenso que
no sólo describe las vias metabólicas seguidas por las
moléculas individuales, sino que intenta comprender
sus interrelaciones y los mecanismos que regulan el
flujo de los metabolismos a través de ellas. Las vías
metabóli cas pueden c tasificarse en tres categorías
(figura 17-1): 1) Vías anabhlicss, se ocupan de la
síntesis de los compuestos que constituyen la estruc-
tura y la maquinaria corporal. Una de ellas es la
sintesis de proteinas. La energia libre requerida por
estos procesos proviene de la categoría siguiente. 2)
Vias catabólicas, realizan procesos oxidativos que
producen energia libre, por lo general, en forma de
fosfatos de alta energia o de equivalentes reductores,
por ejemplo, la cadena respiratoria y la fosforilacibn
oxidativa. 3) Vías anfibálicas, con mhs de una función y tienen lugar en las "encrucijadas" del metabolismo, cuando actijan como enlace entre las vías
anabblicas y catabdlicas, por ejernplri, el ciclo del
Acido citrico.
Proteinas,
carbohidratos,
lipidos.
Icidos nucleicos, etdtera
Mol&ulas
del alimento
Digestidn
Vlas
Molbculas
sencillas
aníibólicas
Otms
endergdnicos
Figura 1 7 4 . Las tres categorlas princrpales de las vías metabblicas. Las vías catabblicas producen energía libre en forma
de equivalentes reductores (2H) o fosfato de aRa energia
para suministrarla a ias vías anabblicas. Las anfibblicas actuan
como enlace entre las dos categorías anteriores.
(a)
192 a Bioquirnica de Harper
(Capítulo 17)
El conocimiento del metabolismo en el animal normal
es rin prerrequisito para la comprensión profunda de
las anomalías que se producen en muchas enfermedades. El metabolismo normal incluye las variaciones
y adaptaciones necesarias en periodos de inanicihn,
qiercicio, embarazo y lactancia. Los desequilibrios del
metabolismo son consecuencia de, por ejemplo, una
deficiencia nutricional, deficiencia de enzimas o la
secreción alterada de hormonas. Un ejemplo importante
de una enfermedad causada por metabolismo alterado
("enfermedad metabólica") es la diabetes sacarina.
LAS V ~ A SM E T A B ~ L I C A SBASICAS
PROCESAN LOS PRODUCTOS
PRINCIPALES DE LA DIGESTION
La naturaleza de la alimentación define el patr6n
btisico del metabolismo en los tejidos. Los mamíferos
como el ser humano necesitan procesar los productos
absorbidos de Ea digestión de carbohidratos, lipidos y
proteínas de la dieta. Los principales son glucosa,
Acidos grasos, glicerol y aminoácidos, respectivamente. En los rumiantes (y en menor extensihn en
otros herbívoros), la celulosa proveniente de los alimentos la digieren microorganisrnos simbiontes a hcidos
grasos de peso molecular bajo (acdtico, propiónico y
butírico) pues en estos animales el metabolismo tisular se ha adaptado para utilizar ácidos grasos de cadena
corta como sustratos principales. Todos estos productos de digestibn se procesan por sus vias metabólicas
respectivas a un producto común, acetiE-CoA, que
luego se oxida en el ciclo del icido citrico (figura
17-2).
El metabolismo de los carbohidratos
se ocupa del destino de la glucosa
(figura 17-31
Todas las cklulas de los mamíferos metabolizan la
glucosa a piruvato y lactato por la vía de la glucóIisis.
La glucosa es un sustrato único ya que la gluc6lisis
puede realizarse en ausencia de oxígeno (anaerobia) y
el producto final es el lactato. Por otro lado, Ios tejidos
que pueden utilizar el oxigeno (aerobios) tienen la
facultad de metabolizar el piruvato a acetilXoA, que
puede entrar al ciclo del itcido cítrico para su oxidacibn completa a COI y HzO,con producción de gran
cantidad de energia libre como ATP en el proceso de
fosforilación oxidativa (figura 18-21. Asi, la glucosa
es el combustible principal de numerosos tejidos.
Ademis, con algunos de sus metabolitos, interviene
en otros procesos, como los siguientes: 1) conversi611
Figura t7-2. Esquema de las vías para el catabolismo de
carbohidratos, protelnas y grasas dietarias. Tpdas las vias
conducen a la producudn de acetil-COA,la mal se oxida en
el ciclo del ácido citrico, originando finalmente ATP en el
procese de fosforilacibn oxidativa.
a su polimero de almacenaje, gluc6gen0, particularmente en el músculo esqueIético e hígado. 2) La vía
de la pentosa fosfato que proviene de intermediarios de
la glucólisis. Es una fuente de equivalentes reductores
(2H) para la biosintecis -por ejemplo, de ácidos
grasos- y es tambikn fuente de ribosa, que se utiliza
en la formación de nuclebtidos y hcidos nucleicos. 3)
La triosafosfato da origen a la fracción glicerol de los
acilgliceroles (grasas). 4) El piruvato y los intermediarios del ciclo del acido citrico proporcionan los
esqueletos de carbono para la sintesis de aminohcidos
y la acetil-CoA es el bloque estructural para los
hcidos grasos de cadena larga y para el colesterol,
precursor de todos los esteroides sintetizados en el
cuerpo. El proceso que produce glucosa a partir de
precursores que no son carbohidratos, como los lact a n t e ~ ,aminoAcidos y glicerol, se denomina gluconeogénesis.
EI metabolismo de los fipidos se centra
principalmente en los ácidos grasos
y en el colesterol (figura 1 7 4 )
El origen de los hcidos grasos de cadena larga es la
sintesis de novo de la a c e t i l 4 o A a partir de los
carbohidratos o lipidos de los alimentos. En los teji-
Panorama del metabolismo rnlermedrarro
193
Giudgeno
Glucofosfatas
Vias de la
pentosa fosfato
'O
3i
-+
Triosafosfatos
O
-----A-
Rtbosafosfato
Acilglicerol
Acetil-Co-A ---f Ácidos grasos
Colesterol
l
Proteína
1
Figura 17-3. Esquema del metabolismo de los carbohidratos que muestra las prinupales vlas y productos finalec La
gluconeog8nesis no se muestra.
dos, los acidos grasos pueden ser oxidados a acetilCOA(beta-xidación) o esterificadosa acilgficeroles,
donde, como triacilgliceroles (grasas), constituyen la
principal reserva calhrica de! cuerpo. La a c e t i l 4 o A
formada por la beta-xidacibn tiene varios destinos
importantes.
1) Como en el caso de la a c e t i l 4 o A proveniente
de los carbohidratos, es oxidada completamente a Coz+ H 2 0 en el ciclo del ácido
cítrico. Los ácidos grasos producen una can-
tidad considerable de energía en la beta oxidacibn y en el ciclo del Bcido cítrico y, por
tanto, son combustibles tisulares muy efi-
caces.
2) Es una fuente de &tomos de carbono para el
colesterot y otros esteraidcs.
3) En el hígado forma cuerpos cetónicos, que
son combustibles tisulares hidrosolubles alternos, los cuales se convierten en importante
fuente de energía bajo ciertas condiciones (por
ejemplo, en inanicihn).
194
Bioqeciminica de Harper
(Capitulo 17)
Dieta
e'
Carbohidrato
\
Aminoácidos
Cuerpos cetónlcos
Figura 17-4. Esquema del metabolismo de Iípidos mostrando sus v[as y productos finales más importantes. Los cuerpos
oetbnicos comprenden las sustancias acetoacetato, 3-hidroxibutirato y acetona.
Gran parte del metabolismo
de los aminoácidos se enfoca
a la transaminación (figura í 7 6 )
LAS V ~ A SMETABÓLICAS PUEDEN
ESTUDIARSE A DlFERENf ES NIVELES
DE ORGANIZACI~N
Los aminoácidos son necesarios para ta síntesis de
proteinas. Algunos deben ser suminismdos de manera
específica por los alimentos (aminoácidos esenciales), ya que los tejidos son incapaces de sintetizarlos.
El resto, o aminohcidos no esenciales, también se
obtienen de la dieta, pero pueden formarse a partir de
intermediarios por transarninaci6n, utilizando el nitrbgeno arninico de otros arninoAcidos que estén en
exceso. Después de la desaminacián, e3 exceso de
nitrógeno aminico es eliminado como urea y los
esqueletos de carbono que permanecen despuh de [a
transaminación: 1) son oxidados a COIpor el ciclo del
ácido cítrico, 2) forman glucosa (gluconeogCnesis), o
3) forman cuerpos cetónicos.
Además de requerirse para la sintesis protelnica,
los arninoácidos también son precursores de muchos
otros compuestos importantes, como las purinas,
pirirnidinas y hormonas como adrenalina y tiroxina.
Hasta la fecha s610 se ha visturnbrado el metabolismo
como ocurre en el organismo intacto. La ubicación e
integracihn de vias metabblicas se han identificado
por estudios a niveles menores de organización, esto
es: 1) A nivel tejida y 6rgan0, la naturaleza de los
sustratos que entran y los metabolitos que salen de
tejidos y brganos es definida y su destino final se
conoce. 2) A niver subcelular, pues cada organelo
(por ejemplo, Ia mitocondria) o compartimiento
(como el citosol) posee funciones bioquimicas especificas que determinan un patrón subcelular de vías
metabblicas.
A
tisu lar y de órgano,
la circulación sanguínea se integra
al metabolismo
Los aminohcidos obtenidos de la digestión de las
proteínas procedentes de los alimentos y la glucosa
Panorama del rnetabo/isrno intermediario 195
Cuerpos cetdnlcos
Nitrbgeno arnlnica en
del aado
citrico
Figura 17-5. Esquema del metabolismo de aminoAcidos que muestran las vlas productos finales prinupales
que se produce durante la digestibn de los carbohidrato~,comparten una via común de absorcion por
la vena portal hephtica. De este modo se asegura que
ambos tipos d e metabolitos y otros productos
hidrasolubles de la digestibn se dirijan inicialmente al
hígado (figura 1 7 4 ) . El hígado tiene la funcibn
rnetabólica primaria de regula la concentracibn sanguínea de la mayoría de los metabolitos, en particular
de la glucosa y aminoácidos. En el caso de la glucosa,
el exceso es convertido a glucbgeno (glucog~nesis)o
a grasa (lipogénesis). Entre comidas el higado puede
extraer sus reservas de glucbgeno para restituir la
concentracibn sanguinea de glucosa (glucogen6Iisis)
a, en colaboracibn con el rifíón, convertir metabolitos
no carbohidratos como lactato, glicerol y aminohcidos
en glucosa (gluconeog&nesis). La conservaci6n de
una concentracidn adecuada de glucosa en la sangre es
vital para ciertos tejidos en los que es combustible
obligatorio, por ejemplo, el cerebro y los eritrocitos.
Además, el hígado se ocupa de sintetizar las principales protelnas plasmáticas (por ejemplo, albúmina) y
de desarninar a los aminohcidas que exceden los
requerimientos, mediante la formación de urea, lacual
es transportada por la circulacibn hasta el rifión para
ser excretada.
El mtsculo esqueletico utiliza glucosa como
combustible, formando lactato y Coz. Almacena
glucógeno que se utiliza como combustible en la
contracci6n muscular y sintetiza proteínas musculares
a partir de aminaácidos procedentes del plasma. El
musculo constituye aproximadamente 50% de la
masa corporal y, en consecuencia, representa una
reserva considerable de proteína que puede ser
aprovechada para suministrar aminoácidos al plasma,
en particular cuando la alimentación es escasa.
Los Eipidos de la dieta (figura 17-71, principalmente triacilgliceroles, durante la digestibn forman
monoacilgliceroles y acidos grasos, los cuales se recombinan con proteinas en las cdlulas intestinales;
desputs se secretan, inicialmente al torrente linfático
y de aht a la circulación como lipoproteínas,conocidas
como quilomicrones. Todos los productos hidrófoims y
liposolub~esde la digestibn, forman lipoproteínas
para facilitar su transporte a los tejidos en un ambiente
acuoso, el plasma. Al contrano.de la glucosa y los
arninoácidos, tos triacilgliceroles quilomicrones no
son captados por el hígado. Los tejidos extrahepáticos
que poseen la enzima lipoproteína lipasa los metabolizan; esta enPma hidroli~ael triacilglicerol, liberando
hcidos grasos que son incorporados a los tipidos tisulares u oxidados como combustible. La otra fuente
principal de Acidos grasos de cadena larga es su síntesis
(lipoghesis) a partir de carbohidratos, en particular en
el tejido adiposo y en e[ higado.
El trirtcilgliceral del tejido adiposo es la reserva de
combustible mhs importante del organismo. Despuks
de su hidrblisis Oiphlisis), los ácidos graso: pasan a
la circulacibn como acidos grasos libres. Estos son
captados por casi todos los tejidos (pero no por el
196
Bioquimicu de Jirarper
-
(Capitulo 17)
Roteinas plasmaticas
Figura i 7 4 . Transporte y destino de sustratos y metabolitos de los carbohidratos y aminoácidos principales. Nbtese que en
el músculo hay escasa cantidad de glucosa libre, ya que es fosforilada con rapidez al entrar
cerebro y los eritrocitos) y esterificados a acilglicerofes u oxidados como combustible principal a
Coz. Dos vías de importancia adicional existen en el
hígado: I } el triacilglicerol en exceso procedente de la
lipogenesis y de los Acidos grasos libres es secretado
a la circulación como lipoprotelna de muy baja densidad (VLDL, del inglés, very Sow demi@ lipoprokin).
Este triacilglicerol tiene un destino semejante al de
los quilomicrones. 2) La oxidación parcial de los
iicidos grasos libres conduce a la produccibn de cuerpos cetónicos (cetogenesis). Los cuerpos cetónicos
son transportados a los tejidos extsahepáticos, donde
actúan como otra fuente importante de combustible.
A nivel subcelular, la glucblisis se lleva
a cabo en el citosol y el ciclo del ácido
cítrico en las rnitocondrias
,
En el cuadro 2 4 se proporciona un resumen de las
funciones bioquimicas principales de los componentes y organelos subcelulares. No obstante, la mayoría
de la ceIulas e s t h especializadas en sus funciones y
tienden a enfatizar ciertas vias metabólicas y a relegar
otras. La figura 17-8 esquematiza las vías metab6llcas
principales y su integracibn en una c61ula del parenquima hephtico, con knfasis especial en su ubicacion
intracelular.
De inmediato se observa la funci6n central del
mitocondrión, ya que actúa como base y encrucijada
del metabolismo de carbohidratos, lípidos y aminoácidos. En particular, alberga las en7irnas del ciclo del
ácido cítrico, de la cadena respiratoria y la ATP sintetasa, de la beta oxidación de los ácidos grasos y de
la producción de cuerpos cet~nicos.Además, es sitio
de depbsito para los esqueletos de carbono de arninoácidos después de la transminacion y suministra estos
esqueletos para la sintesis de aminoicidos no esenciales.
La glucólisis, la vía de la pentosafosfato y la
sintesis de ácidos grasos tienen lugar en el citosol. Se
observará que en la gluconeogénesis, sustancias similares, como lactato y piruvato que se forman en el
citosol, deben entrar al mitocondrión y formar axalacetato antes de su conversion a glucosa.
Las membranas del retlculo endopliismico contienen el sistema ensirnhtico para la sintesis de acil-
Panorama del mefaholi.~moinfermediario 19 7
Figura 17-7. Transporte y destino de los sustratos y rnetabofitos prrncipales de los Iípidos (AGL, ácidos grasos libres: LPL,
Iipoproteina Iipasa, MG, monoacilglicerol, TG, triacilglicerol, VLOL, lipoproteina de muy bala densidad).
gliceroles mientras que los ribosomas se ocupan de
la sintesis proteínica.
Puede apreciarse que el transporte de metabolitos
de diferentes tamaiíos, carga y solubilidad a travks de
las membranas que separan a [os organelos requiere
mecanismos complejos. Algunos se explicarhn en
relacibn con la membrana mitocendrial (capitulo 14)
y otros en los capítulos siguientes.
total de una via rnetabblica (capítulo 9) . Sin embargo,
la temperatura y et pH son factores que influyen en la
actividad enzimatica, se conservan constantes cn los
vertebrados de sangre caliente y tienen poca irnportancia reguladora. (No obstante, recuérdese la
variación de pH en el aparato gastrointestinal y sus
efectos en la digestión; capítulo 55).
Las reacciones "no equilibradas"
son puntos de control potenciales
EL FLUJO DE METABOLITOS EN
LAS VIASMETABOLICAS DEBE
REGULARSE DE MANERA COMBINADA
La regulacion de todo el flujo a tmvis de una via metabblica a menudo se combina con el control de sólo l
o quizá 2 reacciones clave en la vía, catalizadas por
"enzimas reguladoras". Los factores fisicoqulmicos
que controlan Ia velocidad de una reacción de cathlisis
enzimática, como la concentraci6n de custrato son de
primordial importancia en el control de la velocidad
En una reacción en equilibrio, las reacciones hacia
adelante e inversa se llevan a cabo a velocidades iguales
y por tanto no hay un flujo neto en cualquier dirección.
Muchas reacciones en 7% vins metab6licas son de este
tipo, es decir son reacciones equilibradas.
Por otra parte, In vrvo, bajo condiciones de "estado
constante" habría probablemente un flujo neto de
CITOSOL
m
grasoe
Figura 1 7 4 . Ubicacibn rntracetular e integracibn de las vías metabblicas principales en una célula del parknquima hepdtico.
(AA +, metabolismo de uno o m i s aminoAcidos esenciales, AA e,metabolismo de uno o más de los srninoácidos no
esenciales)
izquierda a derecha debido al aporte continuo de A y
la elirninaci~ncontinua de D. Esta via podria funcionar, pero tendría poco objeto controlar el flujo
regulando la actividad enzirnhtica ya que un incremento de ia actividad s61o servirla para acelerar y
lograr el equilibrio.
En Ea practica, en una vía metabolica hay invariablemente una o más reacciones del tipo no equilibrado en las que los reactantes se encuentran en
concentraciones que están lejos del equilibrio. En un
intento por alcanzarlo, se producen grandes pérdidas
de energía libre en forma de calor, el cual no puede
Panorama del me fabolismo intermediario
ser utilizado de nuevo, haciendo que este ripo de
reacción sea esencialmente no reversible, por ejemplo:
Calor
Reaccidn no equilibrada
Esta vía tiene flujo y direccidn, pero se agotaria a si
misma si no se ejerciera control. Las enzimas que
catalizan reacciones no equilibradas suelen estar en
concentraciones bajas y sujetas a otros mecanismos
de control. Esto es similar a la apertura y cierre de una
válvula "unidireccional" permitiendo controlar el
flujo total.
La reacción de generación de flujo
es la primera reacci6n en una vía
saturada con custrato
Puede identificarse como una reaccibn no equilibrada
en la cual el Km de la enzima es considerablemente
mas bajo que la concentracion normal de sustrato. La
primera reacción en la glucólisis, catalizada por hexocinasa (figura 19-Z), es un paso generador de flujo
debido a que su Km de 0.05 mmollL para glucosa es
bastante menor que la concentracion sanguínea de
glucosa de 5 rnmol/L.
LOS MECAN1SMOS ALOSTERICOS
Y HORMONALES SON IMPORTANTES
EN EL CONTROL METABÓLICO
DE REACCIONES CATALIZADAS
POR ENZIMAS
En la figura 17-9 se muestra una vía metabdlica
hipotktica, A, B, C, D, en la cual las reacciones A
B y C t,D son equilibradas y B + C es una reacción
no equilibrada. El flujo a travds de una via de este tipo
puede ser regulada por la disponibilidad de sustrato
A. Esto depende de su abastecimiento por la sangre,
que a su vez esta sujeto a la absarcibn de alimento por
el intestino o a ciertas reacciones clave que conservan
y liberan sustancias importantes a la sangre; por ejemplo, las reacciones que generan flujo, cataliadas por
la fosforilasa en el higado (figura 20-l ), la cual ataca
las reservas de glucbgeno y proporciona la glucosa
sanguínea y la lipasa hormona sensible en el tejido
adiposo (figura 27-8), que suministra Bcidos grasos
libres, principales combustibles para los tejidos. El
199
flujo tambikn depende de la capacidad del sustrato A
para pernear la membrana celular. Adernhs, dependerh de la eficacia de la eliminacibn del producto final
D y la disponibilidad del cosustrato o cofactores representados por X e Y.
Las enzirnas que catalizan reacciones no equilibradas son a menudo proteinas alostéricas sujetas a la
rhpida accibn de "retroalimentación" o "alimentacibn
delantera" controladas por modificadores alostericos,
a veces como respuesta inmediata a las necesidades
de la dlula (capitulo 1 1). Con ft-ecuencia, el producto de
una via biosintética, como la acetiI4oA de cadena
larga, inhibirá la enzima que cataliza la primera reacción en la via, por ejemplo, la acetil-CeA carboxilasa.
Otros mecanismos de control dependen de la acci6n
de hormonas que responden a las necesidades del
cuerpo como un todo. Estas actúan por varios mecanismos diferentes [capitulo 44). Uno es la modificacibn
covalente de la enzima por fosforilaci6n y desfosforilacibn. Ésta ec rápida y con frecuencia mediada a
través de la formación del segundo mensajero cAMP,
el cual a su vez convierte una enzima inactiva eii
activa. Este cambio es originado por la actividad de una
protetna cinasa dependiente de cAMP que fosforila
la enzima, o por fosfatasas especificas que desfosforilan [a enzima. La forma activa de la enzima puede ser
la enzima fosforilada, como en enzimas catalizadoras
de vías degradativas (por ejemplo, la fosforilasa a) o
la enzima desfosforili7ada, como las enzirnas catalizadoras de procesos de síntesis (como la glucbgeno
sintasa a).
Algunas enzimas reguladoras pueden ser fosforiladas sin intervencibn del cAMP y proteína cinasa
dependiente de cAMP. Estas enzima5 responden a otras
sefíales metabhlicas, como la relacibn [ATP]/[ADP],
por ejemplo, pimvato deshidrogenasa (figura 196), o
la proteína cinasa dependiente de Ca2'/calmodulina,
por ejemplo, la fosforilasa cinasa (figura 206).
Las hormonas pueden afectar la sintests de las
enzirnas controiadoras del ritmo. Ya que esto incluye
[a síntesis de nuevas proteínas, no es un cambio rápida
pero a menudo es una respuesta a variaciones nutricionales. Por otro lado, las hormonas pueden actuar
como inductoras o represoras de la formaci6n de mRNA
en el núcleo, o estimulantes de la fase de traslacibn de
la sintesis de proteínas a nivel ribosbmico (capítulos
41 y 44).
Una caracteristica importante que ayuda al control metabblico es que las vias que catalizan la degradacibn de una sustancia no son una simple
inversi6n de la sintesis. Por lo general participan dos
vias independientes por completo, lo cual permite
el control separado de cada una, por ejernpio, la
síntesis de glucbgeno y su desdoblamiento (figura
20-1 j.
200 Bioquim ica de Happer
(Capitulo 17)
Enzl
Inactiva
Membrana
celular
X
Y
Activa
D
-c-
Activación alostArica
Inhibición afostkrica
"alimentacion delantera"
retroalimentacion
negativa
Producción en el núcleo
de mRNA
Induccibn
Represibn
Mecanismos d e control de una reaccion catalizada por enzimas Los números en 10s círculos indican posibles
sitios de actividad d e hormonas @ alteración de la permeabilidad de la membrana,
inversibn de una enzima inactiva. por
lo general involucra reacciones de fosforilaci6n, desfosforilacion, alteración d e la velocidad d e traslacibn del mRNA a nivel
ribosomico, @ inducción de la formacibn del nuevo mRNA y @ represion de la formacibn de mRNA. @ y
son formas
rapidas, en tanto que @ a @ son mecanismos más lentos d e regular la actividad enzimatrca.
Figura 17-9.
a
a
RESUMEN
1) Los productos de la digestion proporcionan a los
tejidos. bloques estructurales para la bioslntesis de
moleculas complejas, as1 como combustible para
energizar los procesos vivientes.
2) Casi todos los productos de la digestión de carbohidrato~,lípidos y proteínas son catabolizados a un
metabolito común. acetil<oA, antes de su oxidación final a C 0 2 en el ciclo del ácido cítrico.
3) La Acetil-CoA se utiliza también como bloque
estructirral para la biosíntesis de ácidos grasos de
cadena larga, colesterol y otros esteroides a partir
de carbohidratos y de colesterol y cuerpos cetiinicos a partir de Acidos grasoc.
4) La glucosa proporciona esqueletos de carbono para
la fraccibn glicerol de las grasas y para varios
arninohcidos no esenciales.
5) Todos los productos hidrosolubles de la digestibn
son transportados al hlgado a través de la vena
portal hepática para procesamiento, el cual, a
menudo, comprende la oxidacibn o sintesis de
moltculas, algunas de las cuales son exportadas al
resto del cuerpo; por ejemplo, las proteínas plasrnaticac. El hígado tiene una función directa en la
regulaciiin de la concentraciór! de numerosos constituyentes sanguíneos, incluyendo glucosa y aminoAcidos, dado que su función primaria es servir a
los tejidos extrahepáticos.
Panorama del metaboiismo rnb~rmediario 201
6) Además del núcleo, hay tres compartimientos
metabblicos subcelulares primarios. El citosol
contiene las enzirnas de las vías de glucblisis,
glucogknesis, glucogenó2isis, del fosfato de pentosa o pentosafosfato y de la lipogénesis. Por su
parte, !a mitocondria contiene las enzimas principales de la oxidacibn, incluyendo las del ciclo del
ficido cítrico, beta oxidacibn de Iicidos grasos y
cadena respiratoria. El metabolismo de aminoacidos tiene lugar no solo en el citosol y las mitocondrias, sino tambien en el retículo endoplásmico, donde en los ribosomas, los aminoacidos son
convertidos en proteínas. Además, las membranas
del retículo endoplasmico contienen enzimas para
otros numerosos procesos, incluyendo la formación
de glicerolipidos y el metabolismo de fármacos.
7) Las vías metabblicas son reguladas por mecanlsmos rapidos que afectan la actividad de enzimas
existentes, por ejemplo, Fa modificacibn alostérica
y covalente. A menudo, esta ultima es iniciada por
la acción de hormonas. Las hormonas regulan tambiCn mecanismos mhs prolongados o lentos. a
través de la estimulaciiin o inhibición de la síntesis
de protelnas enzimiiticas.
REFERENCIAS
Cohen P: Conaro¡ o f l 3 r y m e Activiv 2nd ed. Chapman &
Hall, 1983.
Hue L, Van de Werve C (editors): Short-Term Regulation
of Lzver hdefaholism. EIsevieriNonh Holland, 198 1.
Newshome EA, Csabtree B: Flux-generüting and regulatory steps in rnetabolic control. Trends Bzochem Ser
1981;6:53.
Newsholme EA, Start C: ReguIaiinn in iidetabolasm.
Wilcy. 1973.
FiI ciclo del ácido cítrico:
Petes A. Mayes, PhD, DSc
El ciclo del acido cítrico (ciclo de Krebs, ciclo de los
icidos tricarboxilicos) es una serie de reacciones que
se efectúan en las mitocondrias, las cuales llevan a
cabo el catabolismo de los residuos acetilo, liberando
equivalentes de hidrógeno, los que, durante la oxidaciiin, permiten la liberación y captura como ATP de
la mayor parte de la energía libre de los combustibles
tisulares. Los residuos acetilo estfin en forma de
acetil4oA ( C H 3 - C o S-CoA, acetato activo), un
&ter de la coenzima A. La COA contiene la vitamina
acido pantoténico.
-
EL CICLO DEL ÁCIDO C~TRICO
PREPARA EL SUSTRATO
PARA LA CADENA RESPIRATORIA
En esencia, el ciclo comprende la cornbinacibn de una
molecula de acetilXoA con el oxalacetato, hcido
dicarboxilico de cuatro carbonos, lo que da por resultado la fomacibn de citrato, un hcido tricarboxílico
de seis carbonos. Sigue despuCs una serie de reacciones en el curso de las cuales dos mol~culasde Cozson
liberadas y se regenera el oxalacetato (figura 18-1 1.
Puesto que sólo se necesita una pequefia cantidad de
oxalacetato para facilitar la cenversibn de una gran
cantidad de unidades acetilo en Coz, se puede considerar que desempefia una función catalítica.
La función principal del ciclo del ácido cítrico es
servir como vía comun final de la oxidación de carbohidrato~,lipidos y proteínas. Esto es porque la glucosa, los ácidos grasos y muchos arninoácidos son
metabolizados a a c e t i l 4 o A o a intermediarios del
ciclo. Además, desempefia un papel principal en la
gluconeogénesis, en la transarninación, desaminacibn
y lipogdnesís. Algunos de estos procesos se realizan
en casi todos los tejidos, pero el hepatico es el único
donde todos tienen importancia extrema. Por tanto, las
repercusiones con profundas cuando, por ejemplo,
gran número de células hepaticas esthn dafíadas o han
sido reemplazadas por tejido conectivo, como en la
hepatitis aguda y en la cirrosis, respectivamente. Un
mudo testimonio de la importancia vital del ciclo del
hcido citrico es que, respecto a los seres humanos, se
ha informado muy pocas, si es que algunas, anoi-malidades genéticas de sus enzima, por lo que se presume
que estas anomatías sean incompatibles con un desarrollo normal.
Ciirato
(c6)
Figura 18-1. Cielo del dcido cltrim que ilustra la funcibn
catalítica del oxalaeetato.
204
(Capitulo 18)
Bioquímica de Harper
El ciclo del hcido cítrico es una parte integral del
proceso por el cual se hace disponible mucha de la
energía Iibre liberada durante la oxidación de carbohidrato~,lipidos y amino8cidos. Durante el curso de
la oxidacihn de la a c e t i l 4 o A en el ciclo, se forman
equivalentes reductores en forma de hidrbgeno o de
electrones como resultado de Ia actividad de deshidrogenasas especificas. Estos equivalentes reductores entran entonces en la cadena respiratoria donde son
generadas grandes cantidades de ATP en el proceso
de fosforilaci6n oxidativa (tigura 18-2 y capitulo 14).
Este proceso es aerabfo por lo cuaI requiere oxígeno
como oxidante final de los equivalentes reductores.
Por tanto, la ausencia (anoxia) o deficiencia (hipoxia)
de O1causa la inhibición total o parcial del ciclo.
Las enzirnas del ciclo del ácido cítrico localizan
en la matriz mitocondrial, ya sea libres o adheridas
a la superficie interior de la membrana interna, lo cual
facilita la transferencia de equivalentes reductores a
las enzimas adyacentes de la cadena respiratoria, Ia
que también esta situada en lamembrana mitocondrial
interna.
LAS REACCIONES DEL CICLO
DEL ÁCIDO C~TRICOLIBERAN
EQUIVALENTES REDUCTORES
Y CO2 (figura 1 8 3 ) "
La condensación inicial de acetil-CoA con oxalacetato para formar citrato es catalizada por la enzima
condensante, citrato sintasa, que efectúa la sintesis
de un enlace carbono a carbono entre el carbono del
metilo de la acetil-CoA y el del carbonilo del oxalacetato. La reacción de condensación, que forma la
citrilXoA, es seguida por la hidrólisis del enlace
tioCster de la COA,acompafíada por una considerable
pérdida de energia libre como calor, lo cual asegura
que la reaccibn prosiga hasta su terminación.
Acetil-CoA + Oxalacetato + HzO
+ Citrato + COA
El citrato es convertido en isocitrato por la enzima
aconitasa (aconitato hidratasa), que contiene hierro
en el estado Fe2' en forma de una proteina compleja
ferrosulíürada (Fe:S). Esta conversión tiene lugar en
dos pasos: deshidratacibn hasta cis-aconitato, algo del
cual permanece unido a la enzima, y rehidratación
hasta isocitrato.
Citrato
Cirsconitato
(unido a enzima)
H20
HzO
La reaccidn es inhibida por la presencia de
fluoroacetato, el cual en forma de fluoroacetil4oA,
se condensa con el oxalacetato formando fluorocitrato. Este ÚEtimo inhibe a la aconitasa lo que ocasiona
acumulación del citrato.
Los experimentos con intermediarios marcados
con C" indican que el citrato reacciona con la aconxtasa de manera asimktrica, con el resultado de que tsta
siempre actúa sobre aquella parte de la molécula que
deriva del oxaiacetato. Esto era desconcertante,ya que el
ácido cítrico es un compuesto simktrico. Sin embargo,
ahora se comprende (cuando la mol&culaes visualizada
en tres dimensiones) que los dos grupos -CH2C00no son idinticos en el espacio con respecto a los
grupos 4 H y 4 0 0 - . Las consecuencias de la
acci6n asirnktrica de [a aconitasa, que es atraido por
el enlace de tres puntos de la enzima hacia el sustrato
(figura 8-31, puede apreciarse por referencia del
destino de la acetil-COA,marcada en el ciclo del ácido
cítrico, tal como se muestra en la figura 15-3. Es
posible que el cis-aconitato no sea un intermediario
obligatoria entre el citrato y el isocitrato, pero de
hecho puede ser una rama lateral de la via principal.
El isocitrato experimenta deshidrogenacibn en
presencia de isacitrato deshidrogenasa formando
oxalosuccinato. Se han descrito tres isocitrato deshidrogenasas diferentes. Una, que es NAD+-específica, se
encuentra sblo en las mitocondrias. Las otras dos
enzimas son NADP+-especIficas y se encuentran en
las mitocondrins y en el citosol, respectivamente. La
oxidación del isocitrato acoplada con la cadena respiratoria procede casi completamente a travbs de la
enzima dependiente del NAD'.
lsocitrato + NAD' e+Oxalosuccinato H
(unido a la enzima)
*
De la circular No. 200 del Comitt de Editores de Hiochemical Journals Recommendations ( 1 975): "De
acuerdo Con la regla bioquímica esthndar, la terminacibn
-ato por ejemplo. en palmitato, denota cualquier mezcla
de ácido libre y la(s) forma(s) ionizada(s) (segUn el pH)
en la cual no cstán especificados los cationes". La misma
regta se adopta en este texto para todos los ácidos carboxilicos.
alfa-Cetoglutarato + COI + NADH + H'
Sigue una descarboxilacibn a alfa-cetogiutarato, también catalizada por la isocitrato deshidrogenasa. El
Mn" (o Mg2') es un componente importante de la
reacción descarboxilante. Pareceria que el oxalosuccinato permanece unido a la enzima como un intemediario en [a reacci6n global.
El crclo del ácido citr'rrico: cutaholrsrnu de la acetilJoA
0
205
t
lsocitrato
(Ce)
-
Fosforilacion
oxidativa
-@
Q
~
r
5
e
s
p
M
Flavoproteina
anaerobiosis (hipoxia. anoxia)
Cit Citocromo
m@ Fosfato de alta energía
H,"
Figura 18-2. Ciclo del Bcido cítrico la vía catabblica principal para la acetil-COAen los organismos aerobies La acetil-COA,
producto del catabolismo de carbohidratos, proteínas y Iipidos, es introducida al ciclo junto con H20, y oxidada a C02 con
Iiberacibnde equivalentes reductores (2H) La oxidacibn subsiguientede 2H en la cadena respiratoria conduce al acoplamiento
de la fosforilación de ADP a ATP Para una vuelta del crclo, se generan 11 -@ por medio de fosforilactón oxidativa y un
surge a nivel de sustrate a partir de la conversion del succinil-COAen sucunato.
a
o
COA SH
CH,- COO-
HO-CH
1
k ~ , - COOHO-C-COD-
-&O-
I
CH,-COO-
NAO*
k~,-~OO-
Citrato
L-Malato
Fluoroacetato
~ H ~ ~ o o i
c-coo-
1I
CH-COO-
H- ¿ - ~ O O -
- 00;-g-
n
Cls-aconitato
Fumarato
A
J
I
H 0- C H - C 0 0 -
C H ~ ~ O O -
Isocitrato
Succinato
ADP + Pi
Arsenito
NADH + H*
Oxalosuccinato
O Z C -coo-
Figura 18-3. El ciclo del ácido cltrico (de Krebs). La oxidación del NADH y del FADH2 en la cadena respiratoria wnduce a la
generacibn de ATP a travks de la fosforilacibn oxidativa. Para seguir el paso del aeetil-COAa travks del ciclo, los dos Btomos
de carbono del radical aoettlo se muestran marcados en el carbono del carboxilo (usando la designacibn
y en el carbono del
rnetilo (usando la desgnaubn [i]).
Aunque se pierden dos &tornos de carbono como CO2 en una revolucrbn del ciclo, estos
dtomos particulares no derivan de acetil-COAque ha entrado inmediatamente antes al ciclo sino que surgen de aquella porción
de la moléwla de citrato que derivb del oxalacetato. Sin embargo, al completarse una vuelta del uclo, el oxalacetato que se
regenera está ahora marcado; de él se forma el COZ marcado que se elimina en la segunda vuelta de uclo Debido a que el
succinato es un compuesto simétrica y la suminato deshidrogenasa no distingue entre sus dos grupos carboxilo, se produce
un "proceso aleatorio" del marcaje en este paso de modo que los cuatro Btomocde carbono del oxalacetatoaparecen marcados
decpuks de una revolucibn del ciclo. Durante la gluwneogenesis, parte de la marca en el oxalacetato es rncarporado a la
glucosa y el gludgeno (figura 21-1) Para una explicacibn de las aspectos estereoquimicos del ciclo del Bcido citrico,
consultese Greville (1 968). Se indican los sitios de inhibicibn por fiuoroacetato, malonato y arcenito.
m)
E/ ciclo del úcido cjtrico. catahoiismo de la acetil-CoA
Luego, el alfa-cetoglutarato pasa por una descarboxilaci6n oxidativa de una manera anhloga a la
del piruvato (figura 1 9-5), ya que ambos sustratos son
aIfa-cetoacidos.
Succinil-COA+ COI + NADH + H'
La reacción catali~adapor un complejo de alfa-ceiogluhrato deshidrogenasa tarnbitn requiere de idénticos
cofactorec -por ejemplo, difosfato de tiamina,
lipoato, NAD', FAD y COA- y da por resultado la
, rioéster de alta enerformación de s u c c i n i l ~ o Aun
gía. El equilibrio de esta reaccibn está tan en favor de
la fonnacibn de succinil<oA, que Pa reaccion se debe
considerar fisiológicamente unidireccional. Como en
el caso de la oxidacion del pinivato (capitulo 193, el
arsenito inhibe la reacción haciendo que se acumule
el sustrato alfa<etoglutarato.
Para continuar el ciclo, la succinil-CoA se convierte en succinate por la accibn de la enzima succinato tiocinasa (succinil4oA sintetasa).
207
ferencia directa de hidrdgeno desde el sustrato a una
flavoproteína sin la partictpacibn del NAD'. La enzima
contiene FAD y proteína ferrosulfurada (Fe:S). Se
f m a fumarato como resultado de la deshidrogenacibn. Los experimentos con isótopos han mostrado
que la enzima es esteroespecifica para los Atomos de
hidrógeno trans de los carbonos metileno del succinato. La adición de rnalonato o de oxaiacetato inhibe
a la succinato deshidrogenasa competitivamente,
dando por resultado [a acumulación de succinato.
La fumarasa (fumarato hidratasa) cataliza la
adicibi de agua al fumarato para formar malato.
Fumarata + H 2 0o L-Malato
Además de ser especifica para el L-is6mero del
malato, la túmarasa cataliza la adición de los elernentos del agua a la doble ligadura del fumarato en la
confíguracibn tranrr. El malato es convertido en oxalacetato por la malato deshidrogenasa, reaccibn que
requiere NAD'.
L-Malato + NAD* e Oxalacetato
* NADH + H'
Aunque el equilibrio de esta reaccihn esta muy en
Éste es el único ejemplo en el ciclo del hcido citrico
de la generación de un fosfato de alta energia a nivel
sustrato y se produce debido a que la liberacibn de
energia libre procedente de la descarbaxilacibn oxidativa del alfa-cetoglutarato es suficiente para generar
un fosfato de alta energía además de la formación de
NADH (que equivale: a 3 4.
La matriz mitocondrial tambikn contiene una
segunda succinil4oA sintetasa, especifica para nucleótidos de guanina, pero esta no interviene en el
ciclo del ácido cihico. Una reacción alternativa en los
tejidos extrahepaticos catalizada por succinilZoAacetoacetato COAtransferasa (tioforasa), es la conversión de la succinil-CoA en succinato acoplada con
la conversión del acetoacetato en acetoacetil-CoA
(capitulo 24).
El succinato es metabolizado ahn mfis por medio
de una deshidrogenacibn seguida por la adicibn de
agua y, subsiguientemente, por una deshidrogenacihn
más que regenera el oxalacetato.
Succinato
* FAD
t,Fumarato
+ FADHz
La primera reaccidn de deshidrogenacidn es catalizada por la succinato deshidrogenasa, que está unida
a la superficie interior de la membrana mitocondrial
interna, al contrario de otras enzimas del ciclo, que se
encuentran en la matriz. Es la única deshidrogenaci6n en el ciclo del k i d o cltrico que incluye la trans-
favor del malato, el flujo neto es en la direccibn del
oxalacetato porque este compuesto, junto con el otro
producto de la reacción (NADH) es eliminado continuamente en reacciones ulteriores.
Las enzimas del ciclo del hcido citrico, excepto
las alfa-~etoglutaratay succinato deshidrogenacas,
tmbikn se encuentran fuera de la mitocondria. Aunque
pueden cata1izar reacciones similares, algunas de las
enzimas, por ejemplo, la malato deshidrogenasa,
pueden no ser de hecho las mismas proteinas que las
enzimas mitocondriales del mismo nombre, es decir,
son isoenzimas.
POR CADA CICLO DEL ÁCIDO
C~TRICOSE FORMAN
12 MOLECULAS DE ATP
Como resultado de las oxidaciones cataljzadas por las
enzimas deshidrogenacas del ciclo del ácido cítrico,
se producen tres moléculas de NADH y una de
FADHz por cada molécula de acetilXoA catabolizada en una vuelta del ciclo. Estos equivalentes reductores son transferidos a la cadena respiratoria situada
en la membrana mitocondrial interna (figura 18-2).
Durante el paso a lo largo de la cadena, tos equivalentes
reductores del NADH generaran tres enlaces fosfato
de alta energia por la esterificacibn del ADP en ATP
en el proceso de Fa fosforilación oxidatira (capitu-
208
Bioquimica de Hurper
In 14). Sin embargo, el FADH? produce s61o dos
enlaces fosfato de alta energía porque transfiere su
poder reductor a la Q, evadiendo asi el primer sitio de
iosforilaciDn oxidativa en la cadena respiratoria
(flgiira 14-7). Un nuevo enlace de alta energia es
generado a nivel del ciclo mismo (csto es, a nivcl del
sustratci) durante Ia conversión de la succinilXoA en
succinato. De este modo, 12 nuevos enlaces fosfato de
alta energia son generados en cada vuelta del ciclo
(cuadro 18-1).
LAS VITAMINAS TIENEN
FUNCIONES ESENCIALES
EN EL CICLO DEL ÁCIDO C~TRICO
Cuatro dc las vitaminas solubles del cornple-jo 3 intervienen de rnancra precisa en el funcionamiento del
ciclo dcl hcido cilrico. Son: 1) Riboflavina en forma
de dinucleótido d c flavina y adenina (FAD) cot'actor
en el compleLiode la alfa<etoglutarato deshidrogenasa
4 en el succinato deshidrogenasa. 2) Niacina en forma
de diniicleótido de adenina y nicotinamida (NAD),
cocnzima para tres deshidrogenaas de! cicIo, isocitrato
deshitlrogenasa, alfa-cetoglutarato deshidrogenasa y malato deshidrogenasa. 3) Tiamina (vitaniina RI), como difosfato de tiamina, coenzima para
la descarboxilaci6n en la reacción de la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa. 4) Acido pantotknico como
parte de la coenzirnn A, cofactor adherido a residuos acilo
"~ctivos" como en la acctil-CoA y s u c c i n i l ~ o A .
EL CICLO DEL ÁCIDO C~TRICO
ACTÚA COMO P!VOTE
EN EL METABOLISMO
Algunas vías metabólicas terminan en un ctinstitiiyente
del ciclo en tanto que otras se originan de C1.I;stas vias
intervienen en los procesos de gluconeogcncsis, transaminación, desaminaci~ny sintesis de acidos grasos.
Portanto. el ciclo del ácido cítrico interviene en ambos
procesos, oxidativo y sintktico; es decir, cs anfihtilico.
Sus actividades se resumen a continiiacion.
El ciclo del ácido cítrico interviene
en Fa gluconeog6nesis,
la transaminación y la desaminación
Todos los miembros principaIes de ciclo, desde el
citrato hasta el oxalacetato, son glucogénicos en potencia, puesto que pueden dar origen a una produccián
neta de glucosa en el hígado o el riñbn, Organos quc
contienen un Jiiego completo de enzima5 para la gluconeogénesis (capitulo 2 1). Laenzima clave que facilita
la transferencia neta fuera del ciclo, hacia dentro de la
via principal de gluconeogénesis es la fosfoenolpiruvato carhoxicinasa, que catalim la descarboxilación
del oxalacetato para dar fosfocnolpiruvato, actuando
el GTP como fuente de fosfato de alta cncrgia (figura
184).
Oxalacetato + GTP +
Fosfoenolpiruvato+ COZ+ GDP
-1. Cerieración (i e ATF p
del ácido cítrico
A-
E
Kcacció
catalizad~
Isocitrato
---;
..
- "- 11'1.
J.
1 uirieru
rolCculas d
P formada
prodircci
de -@
:
4
.
.,
ATP + COZ+ HzO + Piruvato +
.iuncirin
iI>t l en la
ia rt'spiralc
-idación del
rDt l en la
Oxalacetato + ADP + Pi
1
ia respiratc
1
e1 uc
-u"
.susui
-
--m
idacihn
Di I2en la
2
respiratc
-in
idacibn
IDH cn la
ia respiratc. -
La transferencia neta al cicIo es resultado de varias
reacciones diferentes. Entre las mas importantes está
la fomacibn de oxalacetato por la carhoxilacicín del
piruvato, calalizada por la piruvatn carhoxilasa.
,
1
Neto 12
Esta reacción se considera importante en conservación de concentraciones adecuadas de oxalacetato
para la reacción de condensacibn con la acetil-CoA.
Si ésta se acumula, actúa como un activador alosterico
de la piruvato carboxilasa, Io cual asegura un
abastecimiento de oxalacetato. El lactato, un irnportante sustrato para la gluconeogénesis, entra en el ciclo
a través de la conversión en piruvato y oxalacetato.
Las reacciones de la arninotransferasa (transaminasa) producen piruvato a partir de la alanina,
oxalacetato del aspartato y alfa-cetoglutarato del
ácido glutamico. Debido a que estas reacciones son
reversibles, el ciclo tambikn sirve como fuente de
El ciclo del ácido clfrico: catabolismo de lu aceti/-CoA
Hidroxiprollna
Serina
Cisteina
Treonina
Glicina
\
-.
Glucosa
+-
Tirosina
Fenilalanina
1
209
Lactato
.+
P-enolpiruvato
.
Oxalacetato
+ Fumarato
f
Aspartata
Citraio
lsoleucina
Metionina
Valina
Propionato
COZ
Histidina
Pmlina
Glutarnina
Arginina
~[TRANSAMINASA
]
7
) Glutamato
Figura 1 8 4 . Participacibn del ciclo del Bcido citriui en la transaminación y la gluconeog6nesic. Las flechas gruesas indican
la via principal de la glumneog8nesis
esqueletos de carbono para la síntesis de aminohcidos
no esenciales, por ejemplo,
+
Piruvato t,Oxalacetato +
Grutamato + PiruMto e-, a-Cetoglutarab
+ Alani"=
Otros aminoácidos contribuyen a la gluconeogénesis
debido a que el total o parte de sus esqueletos de carbono
O ácido cítrico despuks de la desamientran al C ~ C ~del
nacibn o la transaminacion. Ejemplos son la alanina,
la cisteina, la glicina, la hidroxiprolína, la serina, la
treonina y el triptdfano, los cuales forman piruvato;
la arginina, la histidina, la glutamina y la prolina
forman alfa-cetoglutarato por la vía del glutamato; la
ícoleucina, la metionina y la valina forman succinilCOA; y la tirosina y fenilalanina forman fumarato
(figura 18-4). Se debe notar que las sustancias que
forman piruvato tienen la opción de oxidación completa hasta C 0 : si siguen la vía de la piruvato
deshidrogenasa hasta acetilZoA o pueden seguir la
vla glucogenica a través de la carboxilación formando
oxalacetato.
De particular importancia para los rumiantes es
[a conversión del propionato, el principal producto
glucogCnico de la fermentación en el rumen, en succ i n i l 4 o A por la via de la m e t i l m a l o n i l ~ o A(figura
2 1-2).
El ciclo del ácido cítrico interviene
en la síntesis de ácidos grasos
(figura 1 8 4 )
La acetilXoA formada a partir del piruvaio es el
principal bloque de construcción para la síntesis de
Acidos grasos de cadena larga en los no rumiantes. (En
los rumiantes, la a c e t i l 4 o A proviene directamente
del acetato.) Dado que la pimvato deshidrogenasa es
un enzima mitocondrial y las enzimas responsables de
la síntesis de ácidos grasos son extramitocondriales, la
cdlula necesita transportar acetil-CoA a traves de
la membrana de la mitocondria, la cual es imper-
21 0 Bioquimica de Harper
Glucosa
*
b
(Capítulo 18)
cido os grasos
t~iruvato
MEMBRANA MITOCONDRIAL
- JL,
L ~
N
Figura 1 8 4 . Participación del ciclo del hado cítrico en la clntecic de Bcidos grasos a partir de la glucosa Véase tambien la
figura 23-5
meable a este compuesto. Esto se logra permitiendo
que la acetil4oA forme citmto en el ciclo del ácido
cítrico, entonces se transporta el citrato fuera de la
mitocondria y, por último, se hace que quede disponible acetilXoA en el citosol medianie escisihn del
citrato en una reacción catalizada por la enzima ATPcitrato liasa.
Citrato + ATP + COA +
Acetil-COA+ Oxalacetato ADP + Pi
*
La regulación del ciclo del ácido cítrico
depende principalmente del suministro
de cofactores oxidados
En la mayoría de los tejidos, donde la funcibn primaria
del ciclo del ácido cítrico es proporcionar energia, hay
escasa duda respecto a que el control respiratorio a
travks de la cadena respiratoria y la fosforilación
oxidativa es el regulador dominante de la actividad del
ciclo del acido citrico. Así, la actividad depende de
manera inmediata del suministro de cofactores oxidados de la deshidrogenasa (por ejemplo, NAD), los
cuales a su vez, debido al estrecho acoplamiento entre
oxidacibn y fosforilación, dependen de la disponibilidad de ADP y por tanto, en ultima instancia, de la
velocidad de utilizaciiin del ATP. De este modo,
siempre que se disponga de la cantidad adecuada de
02,la velocidad de utilización de ATP para efectuar
trabajo determina el índice de respiracibn y de actividad del ciclo del Acido citrico. Ademhs de este control
global y ordinario, las propiedades de algunas de las
enzimas del ciclo indican que la regulación podria
ejercerse tambidn n nivel del ciclo mismo para refoszar el control.
Los sitios de regulación más probables son las
reacciones sin equilibrio, las cuales son catalizadas
por la piruvato deshidrogenasa, citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa ligada a NAD y alfa+etoglutarato deshidi-ogenasa. Todas estas deshidrogenasas
son activadas por Caz', cuya concentraci6n aumenta
durante la contracción muscular y secrecibn, cuando
hay un incremento en la demanda de energia. En un
tejido como el cerebro, que depende en gran medida
de carbohidratos para el suministro de acetilXoA, el
control del ácido cítrico puede producirse en el paso
de la piruvato deshidrogenasa. En el propio ciclo,
varias enzimas son sensibles at estado energético tal
como se expresa en las proporciones [ATPlJrADP] y
[NADI-I]/[NAD]. Por tanto, hay inhibición alostérica
de citrate sintasa por ATP y por a c i l 4 o A de cadena
larga. La activacibn alostérica de la isocitrato deshidrogenasa dependiente de NAD mitocondrial por ADP es
c o n m t a d a por ATP y NADH. A[ parecer, el complejo
de la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa esta bajo un
control anilago al de piruvato deshidrogenasa (figura 1 9 4 ) . La succinaio deshidrogenasa se inhibe la
presencia de oxalacetato y la disponibilidad de oxalacetato regulada por mala10 deshidrogenasa, de-
El ciclo del iicido cítrico: catubolismo de ¡a acetilXoA
pende de la proporcibn !?lADHJ/pAD']. Dado que
la Kmpara oxalacetato de citrato sintasa es del mismo
orden de magnitud que la concentración intramitocondrial, podria parecer que la concentración de oxalacetato interviene en el control de la velocidad de
formación de citrato. Aún faSta por resolver cual de estos
mecanismos (si es que se trata de alguno de ellos)
opera rn vivo.
RESUMEN
1) El ciclo del Bcido cítrico es la vía final para la
oxidaci~nde carbohidratos, Iipidos y proteínas.
Cataliza la combinacion de su metabolito comilin,
la acetil<oA, con oxalacetato para formar citrato.
2 11
Por una serie de deshidrogenaciones y descarboxilaciones, el citrato es degradado, liberando
equivalentes reductores y 2CO2 y regenerando
oxalacetato.
2) Los equivalentes reductores son oxidados por la
cadena respiratoria con forrnacibn de ATP. Por
tanto, el ciclo es ta vía principal para la generacibn
de ATP y se ubica en la matriz de las rnitocondrias
adyacente a las enzimas de la cadena respiratoria y
la fosforilacibn oxidativa.
3) El ciclo del ácido citrico es anfbblico, dado que
tiene otras funciones metabólicas además de Ia
oxidaci6n. Toma parte en la gluconeogénesis, transaminación. desarninacion y en la síntesis de acidos grasos.
REFERENCIAS
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Gbucólisis y la oxidación
del piruvato
Peter A. Mayes, PhD, DSc
isquemia. Existe un número pequeño de enfer-
Hay una necesidad mfnima de glucosa en todos los
te-jidos. Cn algunos casos, por ejemplo, en el cerebro,
la necesidad es sustancial; en tanto que en otros, como
en los critrocitos, es casi total. La gIuciilisis es la via
prii~cipalpara la utililación de la glucosa y se lleva a cabo
en el citosol de todas las células. Es una via única,
dado que pucde utili7ar oxigeno si estl disponible
(aerohia) o fi~ncioiiaren su ausencia total (anaerobia).
Sin embargo, para que la glucosa se oxide hasta la
etapa terminal del piauvnto de laglucólisis, precisa no
solaincnte oxigeno moleculas, sino también sistemas
eiiziiiiáiicos rnitoccindriales, como el complejo piruvato deshfdrogenasa, e1 ciclo del iicido cítrico y la
cadena respiratoria.
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
L a glircólisis iio sólo es la ruta principal para el
metabolisiiio de la glucosa que conduce a la producción
de acetil-CoA y a su oxidacihn cn el ciclo del Iicido
cítrico. sino que también proporciona una vía importante para metabolizar fiuctosa y galactosa provenientes
de los aliineiitos. La capacidad de la gluc6lisis para
proporcioiiai. ATP en ausencia de oxígeno tiene crucial
significado biomedico, porque permite al musculo
csqueletico trabajar con mucha eficiencia aun'cuando
la oxidación aerobia se vuelva insuficiente. a Ea vez
que IOF tc,iidos con capacidad glucolítica importante
pueden obrev vivir a episodios de anoxia. Por el contraria, el músculo cardiaco, que esth adaptado al traba,jo
acrobio. tiene capacidad glucolítica relativamenie deticicntc y escaw supervivencia en condiciones de
medades donde las enzimas de la gluciilisis (coino la
pimvato cinasa) muestran actividad deficiente; estos
trastornos se manifiestan principalmente como anemias hemolíticas o, si tienen lugar eii el niiisculo
esquelético (por ejemplo, la fosfofructocinasa), coino
fatiga. En las cClulas cancerosas que proliferan con
rapidez, la gluc6lisis procede a una velocidad mucho
mayor que la precisada por el ciclo del ácido cítrico.
Por tanto, se produce inás piruvato que el que puede
ser metaboli7,ado. El resultado es una producciiin
excesiva de lactato. que favorece un entornti local
relativamente ácido en el tumor, situacióii quc puede
tener implicaciones con ciertos tipos de terapéuíicii
contra e1 ciinccr. Tambien se produce acidosis lhctica
debida a varios factores incluso a la deficiencia de
piruvato desliidrogcnasa.
LA GLuCÓLISIS PUEDE
FUNCIONAR EN
CONDICIONES ANAEROBIAS
Al principio del curso de las investigaciones sobre la
gliichlisis, se comprendió que el proceso de fermentacihn en las levaduras es semejante a la degradacihn
del gluciigeno en el m ~ s c u l oSe
. notó que cuando iin
musculo se contrae en un medio anaerohici, es decir
excnlo de oxigeno, el glucógeno desaparece y sc
forma Iactato como principal producto final. Cuando
se intraducc el oxígeno, tiene lugar la recuperacióia
aerobia y el glucógeno reaparece, mientras que el
lactato desaparece. Sin embargo, si la contracción se
produce en condiciones aerobias. no hay acuinulacion
de lactato y el piruvato se convierte en el prodiicto
final principal; este hltitno es oxidado después a COZ
y agua (figura 19-1 ). Como resultado de estas observaciones, se Iia hecho costumbre separar el rnetaboI ismo de los carbohidratos en una fase anaerobia y otra
aerobia. .lo obstante, esta distinción es arbitraria ya
que las reacciones de la gluclilisis son las mismas
tanto en presencia de oxígenci como en su ausencia,
excepto en su extensión y en siis productos finales.
Cuando ci aporte de oxígeno es pequeño, se altera la
reoxidación del NADH, formado a partir de NAD'
dusaiite In glucóli~is.En estas circunstancias, el
NADH es reoxidado al acoplarse a la reducción dcl
piruvato en lactato y el N A D ' que resulta se utiliza
para pcrnlitir qiie ulteriormente prosiga la glucólisis
(figura 19-1). La glucólisis pucdc así efectuarse en
condiciones anaerobiac. pero esto tiene un precio, ya
que limita lacaiitidad de energía Iiberada por rnol&cula
degli~cosaaxidada.
Consecuentemente, mayor cantidad de
glucosa debe intervenir en lagluciilisis anaerobiapara
proporcionar la misma cantidad dc energía que la
obtenida en condiciones aernbias.
Glucosa
Glua6geno
Cs
(CsIm
TriosatosfaZa
C3
o*
-
Triosalosfato
+H+ -
Figura 19-1. Resumen de la gluc61isis 0,
bloqueado por
condiciones anaerobias o por ausencia de mitowndrias que
contengan las enzimas respiratorias claves, por ejemplo,
como ocurre en los eritrocitas
LAS REACCIONES DE LA
GLUCÓLISIS SON LA PRINCIPAL
V ~ ADE UTILIZACION
DE LA GLUCOSA
La ecuacihn global para la gIucolisis desde gliicosa
hasta lactato e$:
Glucosa * 2ADP * 2Pi t
2L(+)-Lactato
* 2ATP + 2Hz0
Todas las enzimas de la vía de Ia gluchlisis (figura
1 9-2) se encuentran en la fracción soluble extirimitocondrial de la célula, el citoso!, aunque se acumula
evidencia indicadora de que alguna de las enzimas
puede estar integrada con estructuras subcelulares
ranto en la celula como en e1 citosol. Ellas catalizan
Ias reacciones implicadas en la gluclilisis de la glucosa, hasta piruvato y lactato. del modo siguiente:
La glucosa entraen la vía gluctiIitica mediante su
fosforilación a glucocad-iosfato, función que realiza
la enzima hexocinasa. Sin embargo, en las células
del parinquirna hephtico y en Ias dc los islotes pancreáticos, es realizada por la glococintisa, cuya actividad en el hígado puede inducirse y afectarse por los
cambios en el estado nutricional, El ATP es necesario
coma donador de fosfato y, como en muchas reacciones en que interviene la fosforilacihn, reacciona coino
el complejo Mg-ATP. Se utiliza un enlace fosfato de
alta energia del ATP y sc produce ADP. La reacciiin
se acompana por una phrdida considerable de energia
Eibre como calor y, par consiguiente, en condiciones
fisiológicas, puede considerarse como irreversible. La
hexocinasa es inhibida de modo alostérico por e1
producto glucosad-fosfato.
Glucosa + ATP
-
Glucosa-6-fosfato + ADP
x
que existe virtualmente en todas las J
~ i e n euna gran afinidad (K,, baja) por 't'
su siistrato. laglucnsa. Su f u n c i ~ nconsiste en asegiirar $*
el suministro dc glucosaa los tejidos, aiin en presencia q
de concentraciones bajas de glucosa sanguínea,
fusforilar lo cual mantiene un alto gradiente de cone e n t r a f i de glucosa entre la sangre y el medio
intracelular. Actúa sobre ambos anómeros de la gii~cosa,
el alfa y beta y puede también catalizar Ia fosforilación
de otras hexosas, pero a una velocidad mucho menor
que a la glucosa.
La fiinciiin de la uelucocinasa cs la dc eliminar la
glucosa de la sangre después de la ingestihn de alimentos. En cornparaci0n con la hexocinasa, ticne una
Km alta para la glucosa y opera de modo dplimo en
Glucosa 1-fosfato
CHz-O-
AfP
ADP
tx- glucosa
(1- glucosa
6-fosfato
r+Fruciosa 6-fosfato
CINASA
~ F r u c t o s al,6-bisfosfato
EH,- O 4
C=O
COO -
CINASA
Focfato de dihidroxiacetona
H-c=O
H- C-OH
I
3
CH,-O-@
ATP
ADP
NAOH +H
+
NAD+ Gllceral-
1.3-bisfosfoglicerato
3-Fosfoglicerato
dehido
3-fosfatn
Mitochondrial
respiratory chain
FOSFOGLICERATOMUTASA
$00H-$-O-@
CHz0H
1
2-Fosfqlicerato
I
1I
I
I
I
1
I
I
3ADP
+ p,
3ATP
Anaembiosi~
I
?O0 -
Fosfoenolpiruvato
Mg2+p;;
$ -0-E)
Oxrdacibn en el
ciclo del
CHI
plWvATo
CINASA
CoOC
II
- DH
EspontAnea
I
I
I
I
I
1
I
1
I
I
I
q
1
t
acrdo cítrico
l
NADH+H+
$00-
I
I
I
1
1
1
NAD'
$00 -
CH2
(Enol)
piruvato
(Ceio)
Piruvato
e),
L(+)-Lactato
Figura 19-2. Vía de la glucólisis
- P O ~ ~ - ; PHQPQ~'-;
~,
0,
inhibicibn *Los átomos de carbono 1 a 3 de bisfosfato de
fructosa forman focfato de dihidroacetona, en tanto que los carbonos 4 a 6 forman gliceraldehido bfosfato El termino bis,
como en bifosfato, indica que los grupos focfato están separados, en tanto que difosfato como en el difosfato de adenosina.
indica que están juntos
concentracioriec dc glucosa sanguinea por arriba de
loc 5 inmol/C (tigiim 2 1 -S). Es cstxcítica para la glucosa.
I,a g1ucrisn4-frisfato
es un compuesto irnportaiiic ~ L I Cti en el enironque de varias vías metabólicas
(gl~icólisis.gluconeogénesis. v i n de la pentosafosfato.
glucugérieiií y ~lucogenólisis).En la glucOlisis, cs
cciiivcrtida a fiuctosa4-fosfato por la Frisfohexosa
irornerssa, proceso que cainprcndc iina isomeriznción nldosa-cetosa. Shlo participa el anomero alfa
de Ea glucosa4-losfato.
Ectn reacciiin e i scgiiida por otra focforilacibn con ATP,
c:ilalitada por la eri7iina fnifofriictocinass (fosfofructocinasn-1) para prodiicir íiiiictosa 1.6-bisfosfato. I,a
hifcifi.~ictocinas;ies otra cnziina inducibfe y
alristérica, y se considera quc su actividad tiene uiia
I'~ii1ciiinir~iportariteen la regulación de In velocidad de
la gFuccilisis Tainbien la reacción de la fosfofructocinasa puede considerar~efiincionalmente irreversible
cii cciiidiciones fisiológicas.
D-Fructosa-6-fosfato + ATP -+
0-Fructosa 1,6-bisfosfato
Ida fructoca 1 .(i-hisfoslato. es separada por la aldolasa
(ftuctosa I .h-hisfc>sfato aldolasa) eii dos tricisahsfritos. cl zliceraldehído-3-fosfato y el fosfato de
diliiclroxiacetonn.
actividad de la fo~fritrio~a
isonierasa. el fosfato d e
diliidroxiacetona es también oxidado ;i 1.3-bisfosfo~Iiceratopor 13 via dcE gliccraldchidn 3-fo~fato.
1,3-Bisfosfoglicerato + NADM + H'
La enziina que causa Iaoxidaci~n,gliceraIdehido-3fosfato dcsliidrogcnasa, depende del NAD'. Estruc-
tiiralmente consiste en cuatro polipéptidos identicos
(rnonhmeros) que forman un terrhrnero. Se encueritran
ciiiitro grupos -SH cn cada polipkptido, derivados dc
los scsiduos de cisteina dentro de la cadena polipeplídica. Uno de estos grupos se localiza en el sitio activo
dc la enziina (figura 19-3). Inicialmente, el sustrato se
conibina con ese gmpi -SH, rominndo un tioliemiacctal
qiie cs convertido en iin ester tiolico por oxidación: los
hidrógenos removidos eii estaoxidacibn ce trancfiereii
al NAD' unido a la enzii~ia.E1 NADH prtid~icidoen
la eiizima no estiran íirnicincntc unido a clln como el
NAD'. Eii consecuencia. el NADI Ies fácilmente desplazado por otra molécula de NAD'. Finalmente, se
adiciona fosfato inorg5nicn (P,) mediante fosforolisis,
formindose I,3-bisfosfnglicerato, y la en7ima libre,
coi1 un grupo -SH rcctinstituido, .c-s
La energia
liberade durante la oxidacihn cs crinccrvada por la
formación de un enlacc dc a ~ u f r cde alla cncrgía qiie
se vuelve, despucis d c la rosforiilisis, uiz cnlacc i'isfato
dc aIta energia en la posición I del I ,.3-bi~fosfnglicerato. Este fosfato de alta cncrgia cs capturado
como ATP en una rcaccihn posterior con cl ADP,
catali~adapor la fosfogliceratocinasa, desiando 3 fosfogliccrato.
1,3-Bisfosfoglicerato + ADP H
3-Fosfoglicerato + ATP
Fosfato de di hidroxiacetona
Sc hnii dcscrito diferentes aldola~asquc coiitienen
cuatro subiinidades. [,a aldciliisa A existe en la mayoría
cle los te,jidoc 4. adcinis, la B se encuentra en el higado
y el riñbti. I,oc fosfator; dc fructosa existen cn la célula
principalinenle bajo la forma furanhsica, pero reaccionan
coi1 la liisfohcxosa isomerasa, la fosfofructocinaca y
la aldolasa en la configuracion de cadena abiertri.
El gliceraldchida 3-fosfato y el fosfato de diIiidroxincetrin:i son interconvertidos por la enzima
Fosfotriosa isomeraisa.
O- Gliceraldehido 3-fosfato u
Puesto que se forman dos mol~culasd e triosafosfato
por moléculas de glucosa que experimenta la
glucolisis, en esta etapa se generan dos moléculac de
ATP por molécula de glucosa, un e-jempl de fusrorilación "a nivel del sustrato".
Si hay arscninto, competirá con el fosfato inorganico (P,) en las reacciones anteriores para prod~icir
I -atscno-3-fosfoglicerato, que se hidroli7a en fnrniri
espontanea para dar 3-fosfoglicerrito y calor, sin gcnerar
ATP. Este es uri importante e.jeinplo dc IR propiedad
del nrseniato para IIcvar a cabo el desacoplamiento de
la ovidacihn y la Cosforílacibn.
C1 3-fosfoglicerato que proviene de la5 reaccicincs
anteriores, es convertidoen 2-fol;fogliceratopor la eninia
fosfogliceratom~itasa.Es probable que el 7.3-bi~fr,sloglicerato (difosfoglicerato, L K P , en inglis, diphu,vpho~/yccvwie)sea un intermediario en esta seaccibi~.
Fosfato de dihidroxiacetona
I,a yliicOli5i~prosigue por la oxidacihn del gliceraldeIiido 3-fosfato cn 1.3-bisfosfoglicerato y, debido a la
E1 piso siguiente es catatizado por la enolasa e iinplica unadeshidratacioi~y redistrihución de la energia
I
H-C-OH
t
CH~O-Q
i
Gliceraldehido 3,fosfato
7
..
7
Complejo enzima-sustrato
Oxidación del
sustrato por
I
H - C - OH
I
Intermediario rico en energia
Figura 19-3. Mecanismo de oxidacrón del gliceraldehido 3-fosfato. (Enz, gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa ) La enzima
es inhibida por el yodoacetato, que es un veneno para el -SH, el cual de esta manera es capaz de inhibir la glucólisis
dei~trode la niolécula. lo cual eleva el fosfato de la
posiciiin dos al estado dc alta energía, formándose así
eE fosfocnolpiriivato. La enolasa cs inhibidri por C]
flririruro, iina propiedad que puede usarse cualido se
ncccsite impedir la glucólisis antes de calcular la
gllicosa sangvinca. La eaizilna depende tambicn de
la prcsencia de Mg2'o de Mnn+.
anaerobias, se eviia la reoxidacibn del N A U H mediante la transferencia de equivalentcs rcductores a
través de la cadena respiratoria liasta el oxigeno. El
pirtivato es reducida por el NADH hasta lactato. en
una reaccibn catalizada por I n en7ima lactato
deshidrogenasa. se han encontrado varias isoziinac
de esta y iicnen importancia clínica (capitulo 8).
2-Fosfoglicerato t,Fosfoenolpiruvato + H20
Piruvato + NADH + H' ++ L(+)-Lactato + NAD'
El fosfato dc alta energía del fosfoenolpíruvato es
transfcrido al A D P por la enzima piruvato cinasa,
para generar en este estadio dos moléculas de ATP por
inolécula de glucosa oxidada. En enolpiriivrtto que se
forina eii csta reacciiin cs convertido cspontkneamentc
a la forina ceto del piruvato. Esta es otra reacción sin
equilibrio que se acompaña de una pérdida considerable
de energía libre en forma de calor y debe considerarse
fisi<ilhgicainente irreversible.
Fosfoenolpiruvato + ADP t Piruvato + ATP
L'! estado redax dcl tejido determina ahora riifil de las
dos vias se debe seguir. Si prevalecen las condiciones
La reoxidación del NADlI, por la via de la formación
de lactato, permite que la gluc0lisis prosiga en auscncia de oxigeno al regenerar suficiente NAD' para otro
ciclo dc la reacción calalizada por la gliceraldchído3-Tosfato deshidrogenasa. En condiciones aerobias,
el piruvato se lleva al interior de las mitocondrias y,
antes de su conversión en acetil-COA, se le oxida a
CQ2 en el ciclo del ácido cítrico. Los equivalentcs
reductores a partir de NADH - H- quc se forman en
la gluc6lisis se introducen a las rnitocondrias por
medio de 1 de las 2 lanzaderas que cc describen en el
capitulo 14.
2 ¡S
Bruquimrca de Hrrrper
Tejidos que funcionan en
circunstancias hipóxicas tienden
a producir lactato (figura 19-2)
Esto e5 particularmente cierto en el rnusculo
csqueIético, donde la velocidad de trabajo del órgano
IIO e s t i limitada por su capacidad de oxigenaci6n. Las
cantidades adicionales dc lnctato producidas piiedcn
ser determinadas eii los tejidos y en la sangre y la
orina. Laglucólisis en los eritrocitos, aun en condiciones aerobias, termina siempre en lactato porque la
~nitocondria,que contiene la maquinaria enzirnhtica
para la oxidación aerobia del piruvato no esta presente. El eritrocito de mamiferos es único en el sentido
de qiie 90% de su necesidad total de energia es sumfnistrada por la gluc0lisis. Ademhs de las fibras blancas
del niiisculo esqueletico, músculo liso y eritrocitos,
otros te¡idos que nortnalrnente derivan la mayor parte
de SLI cncrgia a partir de la glucólisis y producen
Iactato, incluyen al cerebro, el conducto gastrointestinal, la in6diila renal. la retina y la piel. El hígado,
riñones y corazón por lo general captan el lactato, pcro
In producen shln en condiciones de hipoxia.
La glucólisis se regula en tres
pasos que implican ecuaciones
no equilibradas
Aunque la mayoría de las reacciones glucolíticas son
reversibler, tres de ellas son marcadamente exergbnic a i y, por tanto, deben considerarse fisiológicamente
irrever5ibles. Estas reacciones con catalizadas por la
herocinasa (y la glucocinasa), la fosfofructocinasa
y el piritvato cinasa y son los principales sitios de
regulación de la gluc6lisis. Las cClulas que son capaces de efectuar un movimiento total de metabolitos
en la direccion de la síntesis de la vía glucolitica
(gluconeogénesis) lo hacen debido a la presencia de
diferentes sistemas enzimáticos, los cuales proporcionan rutas alternas de las reacciones irreversibles
catalizadas por las enzimas mencionadas. Estas, junto
con !a re&<?cidn dt. la g~ucóiisS,se e.~tua'ia;lnal
tratar la regulación de la gluceneogknesis cn el
capitiilo 2 1.
En los eritrocitos, puede suprimirse
el segundo sitia de glucólisis para
generación de ATP
E n los eritrocitos d e numerosas especies d e
mamiferos, el paco catalizado por la fosfoglicerato
cinasa. puede ser desviado por un proceso que disipa
eficazmente, en forma de calor, la energía libre relacionada con el fosfato de alta energía del 1,3-bicfos-
(Capítulo I9j
H-c=O
t---Glucosa
I
H-C-OH
JNjADH + H'
ADP.
T
coo-
700H-C-OH
L--
+ Piruvato
Figura 1 9 4 . Ciclo del 2,3-b1sfosfoglFceratoen loseritrocitos.
foglicemto (figura 194). Una enzima adiciona!, !a
bisfosfoglicerato mutasa, cataliza la convcrsfdn dcl
1,3-bisfosfoglicerato a 2,3-bisfosfoglicerato. El
último es convertido en 3-fosfoglicerato par la 2,3bisfosfogliceratofosfatasa, actividad que tambien se
atribuye a la fo.~fogliceer;ifurnuktsa. Lr7 p é d i d s de un
fosfato de alta energía, Indicadora de que no hay
produccihn neta de ATP cuando la gluchlisis toma
esta vía, puede ser vent,josa para la economía del
eritrocito, ya que permitiría que la glucólisis continuara cuando la necesidad de ATP fuera mínima. Sin
embargo, el 2,;-bisfosfoglicerato, que se encuentra
en concentracibn elevada, se combina con la hemoglobina, causando una disminucibn de la afinidad por
el oxigeno y un desplazamiento hacia la derecha de la
curva de disociación de la oxihemoglobina. Asi, su
presencia en los eritrocitos ayuda a la oxihemoglobina
a descargar oxigeno (capitulo 7 ) .
LA OXIDACIÓN DE PIRUVATO
A ACETIL-CoA ES LA V ~ A
IRREVERSIBLE DE LA GLUCOLISIS
AL CICLO DEL ÁCIDO C~TRICO
Aiitcs dc quc cl piriivato pueda entrar en el ciclo del
acidocitricci debc Ilcvarsc al interior de lamitocondria
1.13 iin transportador especial de piruvato que
a) uda a su paso a través de la membrana mitocondrial
interna. E.itci crlmprcnde un mecanisnio simportador
q ~ c c o t r i n ~ p o riin
t a proton (figura 14-1 2). Dentro de
la iiiitocondria, el piruvato es descarboxilado por oxirlaciiin a a c e t i l 4 o A . Varias enzima5 catalizan esta
rc,i~cicin nperarido secuencialmente en 1111 comple-jo
riiultieiiziinático. Se lec designa de manera colectiva
coino cl cornple,jo piriivato deshidrogenasa y son
,iiialogas al comple.io de la alfa-cetoglutarato
dcsliitlrogenasa del ciclo del hcido cítrico (figiira 18-3).
t:l pirutato es descarboxilado por Ia piruvato
dcshidrogenasa, componente del complejo de la en7inia
ii un dcrivado hidroxietilico del anilla tiazhlico del
riifosfatn de tiamina unido a la enzima, que a su veL
i~accionacon la lipoamida oxidada, el grupo prnsiiiico
dc l a riihidrolipolil transacetilasa, para formar
,icciil-liponrnida (figura 19-5). La tiamina es un imporiantc miembro del complc,jo de vitamina B
(capitulo 52). EI aceti 1-Tipoamida reacciona con la
cticnrinia A formando acetil-CoA y lipoamida rediicido. E1 ciclo de reacción se complcta ciiando el
uliimo cs reoxidado por iina flavoprotcina conteniendo
FAD. eii presencia de dihidrolipoil deshidrogenasa.
rinnlmcnte, la flavoproteina reducida cs oxidada por
cl NAD-, cI que a su ve7 transfiere equivalentes
rediictores a la cadena respiratoria.
Piruvato + NAD' + COA 4
Acetil-Cok + NADH + H'
+ CO2
CI coniplejo piruvato hidrogenasa consiste en cierto
riiiinero de cadenas polipeptidicas de cada una de las
tres en7imas componentes, organizadas en una config~iración espacial regular. El movimiento de las
enzimas individuales parcce ser restringido y los intermediarios inctabiilicos no se disocian libremente,
cino que permanecen unidas a las enzirnas. Tal complejo enzimatico, en donde los sustratos se manejan
dc una enzima a la siguiente, incrementa la velocidad de
reaccion y elimina reacciones secundarias, lo que
eleva la eficiencia global.
k.s de notarse que el sistema piruvato deshidrogenasa es suficientemente elecíronegativo con respecto a la cadena respiratoria que, además de generar
tina coenzima reducida (NADH), tambien genera un
cnlace tioester de alta energia en la acetilXoA.
La piruvato deshidrogenasa se regula
mediante la inhibición por el producto
final y la modificación covalente
La piruvato deshidrogenasa cc inliiblda por siis productos. acetilCoA y N A D H (figura 1 9 4 ) Tamhibn
Fe regula mediante la fosforilaciún de tres recidiios de
serina dcl componente piruvato desl-iidrogcnasa del
compleio multienzima con participacihii de una cinaa
especifica de A'ff', la cual disminuye la actividad, y
por medio de la fo~forilacionpor iina fosfiitasa quc
iiicrtnientn la actividad de la deshidrogeriasa. La cinasa se activa cuando aumeiitan las proporciones de
[acetil4oA]ilCoA], pADH]rmAD'l o [ATP]/[ADP].
Por tanto, la piruvaio dcshidrogenasa y, del mismo
modo, la glucólisis se iiihiben no shlnpor un potencial
energético eievado, sino también bajo condiciones de
oxidación de acidos grasos, quc incrementan estas
proporciones. Así, en la inanicihn, cuando se increnienta la concentración dc icidos graso5 libres. di+
rninuye la proporcihn dc Ia cnzima en la forma activa
lo que ahorra carbohidratos. Un aumento en la actividad
en el tejido adiposo ocurrc dcspiiks de la administración de insulina, pero no en el Iiigndo.
La oxidación de la glucosa produce
hasta 38 moles de ATP en condiciones
aerobias, pero sólo dos cuando
no hay oxígeno
Cuando un m01 de glucosa es qucmado e n un
calorímetro hasta CO? y agua, se liberan aproximadamente 2780 kJ como calor. Cuando la oxidacion tiene
lugar en los tejidos, algo de esta energia no se pierde
inmediatamente como calor, sino quc cs "capturada"
en enlaces fosfato de alta energía. Aprouimadamcnie
38 moles de A'TP son generados por molécula de
glucosa oxidada hnsia CO? 4 agua. In vivo. se ha calculado que el AG para la reacción de la sintesis de ATP
es de aproxiinadamente de 5 F . 6 kJ. Se asume que la
energia total capturada en forma de A'I'P por las
moleculas de glucosa oxidada es de 1961 kJ, o cerca
de 68% de la energia de combustión. La mayor parte del
ATP se produce como consecuencia de la fosforilación oxidativa resultantc de la reoxidación por la
cadena respiratoria de las coenzimas reducidas. El
resto es generado por fosCoriIacih a "nive1 de sustrato"
(capítulo 14). En el cuadro 19-1 se muestran las
reacciones responsablps de la forinacicín de fosfato
de alta energia durante la oxidación de la glucosa y
la producción total cn condiciones acrobias y anacrubias.
Figura 19-5. Descarboxilacion oxidativa por el complejo piruvato deshidrogenasa El acido Iipoico esta unido mediante un
enlace amida al residuo de Iisina del componente transacetilasa del complejo enzimatico. Forma un brazo largo y flexible,
permitiendo que el grupo prostetico del Acido Iipoico gire secuencialmente entre el sitio activo de cada una de la$ entimas del
complejo (NADt. dinucleotido de adenina y nicotinamida, FAD, dinuclebtido de flavina y adenina. TDP, difosfato de tiamina.)
ASPECTOS CL~NICOS
La inhibición del metabolismo
del piruvato produce acidosis Iáctica
Los iones arsenito o mercuricos forman complejos
con los grupos -SH del ácido lipoico e inl~ibena la
piruvato deshidrogenasa, del mismo modo que una
dcftcicncia diet4tica de tiamina, la cual permite la
acurnulaciiin de piruvato. Los alcoh6licos privados de
aliinei~iostienen deficiencia de tiamina por lo que.
cuando reciben glucosa, muestran una acumulacion
ripida de piruvato y acidosis lactica, que con frecuencia es mortal. Por su parte, los pacientes con carencia
hereditaria de piruvato deshidrogenasa, que puede
deberse a defectos en uno o más de los componentes
del complejo de la enzima, se preseiitan con una
acidosis lactica similar, en especial después de una carga
de glucosa. En virtud de su dcpeiidencia de este carbohidrato como combustible, cl ccrebro es uti tejido
relevante para que este defecto metabblico se manifieste en trastornos neurol6gicos.
i-i-1
[ A~etil-COA]
!COA]
NADH + H+
W
I
[NADH]
[NAD']
[Aopl
M~''
PDH-a
fOESFOSF0-ENZIMA
activa)
1
PDHFOSFATASA
M ~ ' +ca3+
.
1
\
Insulina
(en el tejido adrposo)
Figura 1 9 4 . Regulacion de la piruvato deshidrogenasa (PDH) Las flechas onduladas indican afectos alost8ricos. A: Regulación por inhibición d e producto final B: Regulación por interconverción de formas activa e inactiva
Se Fabe de mutaciones de virtualmente todas las
enzimas del metabolismo de carbohidratos, cada una
de el las relacionada con enfermedades Iiumanas. La
deficiencia hereditaria de aldolasa A y de piruvato
cinaFa en los eritrocitos causa anemia hemolítica. La
capacidad de esfuerzo de los pacientes con deficiencia muscular dc frisfofriictocinasa es baja, en particiilar con dietas ricas en carbohidratos. Proporcionar
iin coinbustible lipidico alterno. por ejemplo, durante
iriaiiicihn. ciian'do hcida'; gmsos y cuerpos cetonicos
auincntaii, inejora la capacidad para el trabajo.
RESUMEN
1) Ln glucolisis es la via para el metabolismo de
-rlucosa (o gliicbgeno) a piruvata y lactato, la cual
se efectúa en el ciiosol de todas las celulas de
mamíferos.
2) Funciona de manera anaerobia mediante la regeneración del NAD' necesario en la reaccion de
gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa, por
acoplamiento de csta reacción a la reduccihn de
piruvato a lactato.
3) El lactato es cl producto final de la glucolisis
anaerobia(por ejemplo, en el músculo en ejercicio)
o cuando la maquinaria inetabhlica no existe para
oxidacion ulteriw del pituvato (comoen los eritrocitoc).
4) La glucolisis se regula por tres enzirnas qiie catalizan reacciones sin equilibrio, a saber, hexocinasa
(o glucocinasa), fosfofiuctocinasa y pinivato cinasa.
5) En los eritrocitos, el segunda sitio donde se lleva a
cabo la gluciilisis para producir ATP, puedc ser
222
(Capitulo 19)
Binquimfca de Harper
-
Cuadro 19-1. Generacibn de fosfato de alta energía en el catabolismn de la glucosa
ción d e 4
acci6n cat
Gliceralaeniao-.+-tosrato
deshiidrogenasa
rcspiratoria
osforilacion ;iE nivel cle1 sirstrato
osforilación al nivel cle1 sustrato
Fosfogliscerato cina
Piruvato cinasa
Cantidad de ATP consumida por reacciones catalizadas por la hexocinasa y la fosfofructacinasa
clo del
ido
Qxidacibn de 2 NADH en la cade
rcspirato,ria
Oxidacibn dc 2 NADH. en la cade
respira10
0ixidacihn de 2 NADH: en la cadc licL
respiratoria
ixidacibn al nivel del sustrato
.
.
ixidaciiin de 2 FADH2 en la cadena
respiratolria
ixidación de 2 NADH: en la cade
deshidrogi
rico
iglutmato r
nasa
o tiocinasa
. ...
Malato cleshidroger
-
-
respiratosria
,,S
Totai por moiecuia ae glucosa eti condiciones aerobias
Tc)tal por moslkculas de glucosa en condiciont
-- Ia glucblisis
St- c,urirs -.. el NADH
-
c---.l-
,
6
2
4
4
Total 30
,*"A""
as
-
las rnitocandiim ~ J IiiicJio de la l a n ~ ~ suci ai ~ a l a t o(figura
14-16) Si se emplea la lanzadera de glicerofosFato s61o podrian formarse 2 - P por mo1 de NADE1, siendo ent nnces la producción ñetrI
total de 36 en lugar de 38 El calculo ignora la pequeiia perdida de ATP debido al transporte de H N con piruvato hacia la niitocondria )
un transporte semejante de H' en la operacibn de la lanzadera de malato, lo cual totali ra aproximridamente 1 rno1 del ATP'. Nótese qur
que
l a prodiicci6n total 43e fosfato dr
hay un beneficio sustancial en condiciones anacrobiaf SI el glucbgeno es el punto de Iinicio, dado
..
. .
.
alta cnergil en la glucíilisis se eleve de 2 a 3, puesto que e l ATP ya no se necesita para la reaccibn de hexocinaa.
que
iiiiiiiiuiii c i i
tado hacia
L> L I ~ I W ~ U ~
esquivado, lo cual conduce a la formacibn de 2,3bisfosfoglicerato, importante para disminuir la
afinidad de la hemoglobina por 0 2 .
6 ) El piruvato es oxidado a acetilXoA por un complejo multienzimatico conocido como piruvato
deshidrogenasa que depende del cofactor vitarnínico difosfato de tiamina.
7) Los trastornos que implican una incapacidad para
metabolizar pimvato con frecuencia conducen a
acidosis Iáctica.
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Formation and L'til~z~tion
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El glucaghn es la principal forma de almacenaje de
carbohidratos en los animales y corresponde al
almidón de las plantas. Se encuentra en proporcibn
mayor en el hígado (hasta 6%) y en el musculo, donde
rara vez excede de 1 por ciento. Sin embargo, debido
a su masa mayor, el músculo almacena 3 a 4 veces la
cantidad de gluciigeno que tiene el hígado como reserva
(cuadro 20-1). Al igual que el almidón, es un polimero
ramificado de alfa-D-glucosa (figura 15-1 5).
El glucógeno muscular funciona como fuente de fácil
disponibilidad de unidades d e hexosa para la
glucblisis dentro del propio musculo. El glucógeno
hepatico sirve en gran medida para exportar unidades
de htxosa para la conservación de la glucosa sanguinea, en particular entre comidas. Despuds de 12 a
18 horas de ayuno, el higado casi agota su reserva de
dro 20-1. Almacenamiento de carbohidsatos
II ser humano adulto normal (70 kg), después
glucógeno. Por su parte, el glucógeno muscular s61o
disminuye de manera significativa después de un qjercicio vigoroso prolongado. Las enfermedades por
almacenamiento de glucógeno son un grupo de trastomos hereditarios caracterizados por la deficiente
movili7ación de glucógeno o por la deposicibn de
formas de glucógeno anormales, originando debilidad
muscular o, inclubo, la muerte.
LA GLUCOGENESIS SE PRESENTA
PRINCIPALMENTE EN MÚSCULO
E HIGADO
La vía de biosíntesis del glucógeno
utiliza un nucleótido de glucosa especial
(figura 20-1)
La glucosa es fosforilada a glucosa-6-fosfato, una
reaccihn que es comun para la primera reacción en la
vía de glucblisis a partir de la glucosa. Esta reacción
es catalizada en el rnúscuto por la hexocinasa, y en el
liigado por la glucocinasa. La glucosa-6-fosfato es
convertida en glucosa-l -fosfato en una r e a c c i ~ nque
catafiza la enzima fosfoglucomutasa. La enzima
misma está fosforilada y cl gmpo fosf~ricoparticipa
en una reacción reversible en la cual la glucosa-1,6bisfosfato es un intermediario.
Glucógeno hepi
(ilucúgtno mus
Glucosa
extrace
--..-m
i
del hlgado,
a muscular. 33 ~ g .
imen total, 10 L.
En seguida, la glucosa-1-fosfato reacciona con el
,rifosfato de uridina (UTP, de1 ingles, uridine briphos-
Gjucbgeno
(Unidades glucos~lo1
(Unidades glucosilo 1 +4),
4 y 1+6)
Insulina
I
t
"Glucogeno
1
0
I
primordial"
Glucagon
Adrenalina
D~fosfato
de uridina
y glucosa
A la vla del
Bcido v r 6 n i c ~
Glucosa liberada
por la enzima
desramificante
UDPW PPIROFO~~JFORIMSA,~
2 PI
Tnfosfato
de uridina (UTP)
\
u
Glucosa-1 -fosfato
-
Glucosa-6-fosfate
To alyc0Wsis and mntoss
bhmphaie pathway
CINAJA
ATP
Glucosa
Figura 20-1. Vía de la glucog4nesis y glucogenblisis en el higado. Se emplean dos enlaces fosfato de alta energía en la
incorporacion de 1 mol de glucosa al glucbgeno 0 ,
estimulacion,
inhibición La insulina reduce la concentración de cAMP
s61o después de que el glucagón o la adrenalina la han elevado, es decir. antagoniza su accibn El glucagon es activo en el
músculo cardiaco pero no en el músculo esquelético. Al parecer, la glucanotransferaca y la desramificación son dos actividades
separadas de la misma enzima.
e;
phcrrc) para formar el nucleótido a c t i v o difosfato de
gliicosa de tiridina (UDPGlc, del inglés, uridine
~liphmphutepltrrn.re)* (figura 20-2).
La reacción entre l a glucosa-1-fosfato y el trifosfato de uridina es catalizada por la enzima UDPGIc
pirofosforilasa.
UJP + Glucosa-1-fosfato
* hbc conoccii otros compuestos de ~iiiclc~sidos
de dií'nsfatos
<le wucares. por cjernplo el UDPGal. Además, CI mismo
sriicar pucdc citar unido a diferentes nuclchtidiir Por
cjcinplo. la glucosa puede enlazarse a los nuclcótidos de
iiridina (cumu se muestra desput's), asi como a Iris de guatiosina. tiinidinn. adcnosina o citidina.
c-, UDPGIC+
PPi
La consiguiente hidrblisis del p i r o f o s f a t o inorzanico
por la pirofosfiitasa inorganica impulsa la reacción
la derecha la
Gracias a la acción de la enzima gluchgeno sinta-9
el C I de la g l u c ~ s aa c t i v a d a de la UnPGlc
forma un enlace glucosidico c o n e l C4 d e l residuo
En el mecanismo de ramificación
hay desprendimiento de cadenas
de glucógeno existentes
O
L,a adición de un residuo de glucosa a una cadena
previa de gluc6geiio o molkcula primordial tiene lugar
eii el extremo externo no reductor de la molécula. de
manera que las "rainas" dcl "árbol" de glucógerio se
vayan alargando conforme se constitiiycn otroc enlaces
1 +4 (figura 20-3). Cuando la cadena se ha alargado
como minimo a 1 I residiios d e glucosa, una segunda
enzima. la enzima ramificante ([1+41=tl l k 6 ) amilotransgliicosidasa), transtiere tina parte de la
cadena 1 4 4 (longitud rnfnima de seis residuos cfc
glucosa) a una cadena vecina, para formar un enIace
1- 6, estableciendo de este niodo un punto de ramificación en la molécula. Las ramas crcceii por inis
adiciones de unidades glucosilo 1 +4 con ramificacihn posterior. Ciiando el número de residuos terininales no redrictores aumenta, la cantidad total de
ciclos reactivos en lamcil~ciilaF e eleva, lo cual acelera
taiito la glucogCiiesis como 13 glucogen<ilisic.
I
---HO
Glucrisa
Cifosfato
Ribosa
OH
Uridina
Figura 20-2. Difosfato de glucosa de uridina (UDPGlc)
teriiiin;il de glucosa dcl glucogeno, liberando difosfato dc uridina (llDP). Debe haber una molécula preexisterite d e glucógeno o gluchgeno primordial para
iniciar esta reacción. Ida molécula priinordial dc
gliicrjgeno puede a su ycz haberse formado de una
~iroteinaconocida como glicogenina.
UDPGlc
* (CE.1"
t
glucogeno
LA GLUCOGEN~LISISN 0 ES
LA INVERSA DE LA GLUCOGENES~S
UOP + (Cs)n+i
glucogeno
SINO UNA V ~ ASEPARADA
En la via de degradación interviene
un mecanismo de desramificación
(figura 20-1 )
Ln ~l,liicogeriiriaes una prntcina de 37 kDa qiie se
glucohila sobre iin residuo especifico de timsina medinnte UDPGlc. Otros rcciduos adicionales deglucosa
se adhiere11en la pocicibn 1 4 4 para hacer una cadena
corta cpe se activa For la gluc6geno sintasa. En el
iiiúsciilo esqueletico, la glucogenina pcrmancce adIierida en el centro de la molécula de glucógeno (figura
15-5 j, ~nicntiasqtic en el higado, el numero de moléculas
tic :I~ic6gcnci supcra al de glucogenina.
O Residuos de glumsa no marcado
OK3 Enlace glucosidico l+6
..
Es el paso catalizado pos In fosforilasa, que es liinitante de la velocidad en la glucogenhlisis:
(C8)n +
Pr
+
glucogeno
,
, .
CC'
(C&-1
+ Glucosa-1-fosfato
glucogeno
1
/
~~~-~lucosa
adicionada
Figura 20-3. Biosintesis del glucogeno El mecanismo de la ramificación puede observarse por adición de glucosa marcada
con C" a la dieta en animales vivos y examinando el glucbgeno hephtiw en posteriores intewalos
Esta enzima es especifica para la degradacion
fosforolítica (fosforólisis confrontese hidrólisic) de Ios
enlaces 1
4del glucbgeno para producir glucosa-l -fosIaro. Los residuos glucosilo de las cadenas más externas
de la inolécula del glucógeno son separadas hasta qiie
nihs o mcnns cuatro residuos de glucosa permanecen
en cualquier lado de una rama 1 4 6 (figura 2 0 4 ) . Otra
enzima (alfa-1 I +4]-+aIfa-[1-+4] glucano transferasa) transfiere una unidad trisachrida de una rama
a la otra. exponiendo los puntos f+6 de la rama. La
escisibn hidrnliticii de estos últimos enlaces requiere
la acción de una enzima desramificante Q[1+61amilogliicosidasa). Con la eliminacion de la rama,
pi~edeproseguir la accfiin de Ia fosforilasa. La accihn
combiiiada dc la fosforilasa y de estas otras enzimas
conduce a la degradación completa del gIucbgeno. La
reacción catali7.ada por la fosfoglucomutasa e5 reversi hle, de modo quc puede formarse glucosa-h-fosfato
a partir de la glucosa-l-fosfato. En e1 hígado y e1
riñiin (pero tio en el míisculo), hay una enzima
específica, la glucosa-ti-fosfatasa, que rctira cl fosfato de la glucosa-6-fosfato, permitiendo que la glucosa
libre difiinda de fa cklula a la sangre. Éste es el paso
final de l a glucogenolisis hepática, la cual se refiqja
en la elevación de fa glucosa canguinea.
EL AMP C~CLICOINTEGRA LA
REGULACIÓN DE GLUCOGENOLIS~S
Y GLUCOGÉNESIS
Las principales enzimasqlic controlan el metabolismo
del glucógeno -gluccigcno fosforilasa y glucógeno
sintasa- están controIadas a sti vez por una serie
compleja de reacciones que comprenden mecanismos
alostéricos y modificaciones cova~entesdebidos a la
fosforilacibn y desfosforilación reversible de la proteína enzimatica (capítulo 1 1).
Muchas modificaciones covalcntes se deben a la
acción del cAM P (ácido 3',5' -adenilico cidico; AMP
cíclico) (figura 20-5). El cAMP es el compuesto
intermediario intraccluIar o segundo rncnsajero, a
travbs del cual actúan numerosas hormonas. Proviene
dcl ATP mediante Ia acción de la enzima adenilato
ciclasa, que se encuentra en la superficie interna de las
membranas celulares. La adenilato ciclasa es activada
por hormonas como la adrenalina y la noradrenalina
que actúan a travCs de receptores beta adrenérgicos en
la membrana ccEular y en el higado por medio de!
glucagdn, que actúa a traves de un independiente
receptor de glucaghn. E1 cAMF es destruido por una
fosfodiesterasa y la actividad de esta enzima es la
que, por lo c o m h , conserva baja la concentracihn de
cAMP. Se sabc que la insulina incrementa su actividad
en el liigado, disminuyendo por tanto la concentración
de cAMP.
La fosforilasa hepática es diferente
a la muscular
En el higadn, la enzima existe en tanto en la forma
activa como en Ia inactiva. L a fosforilasa activa (fosforilasa a) tiene uno de sus grupos hidroxiIo de seriiia
fosforilado en un enlace éster. Con Ia acción de una fosfatasa especifica (proteína fosfatasa-ll ), la enzima es
cosa por enlaces glucosidi-
cos 1+4
Unibnde residuos de glucosa por enlaces glucosldicos 1+6
Figura 2 0 4 . Pasos en la glucogenólisis
Figura 2 0 6 . Ácido 3',5'-adenilico (AMP ciclico; cAMP).
Metabolismo di!¡g/i:cb,yyno
inactiv~daa fosforilasa b en una reacción que comprende
In cliiiiinacion hidrolitica del residuo de serina. La
rcaciivacion requiere una nueva fosforilaci6n con
A 1'1' y u n a enzima especifica, la fosforilasa cinasa.
1.a f<isSorilasa muscular es inrnunol~gicay
genéticainente distinta a la dcl hígado. Existe en dos
formas: fosfiirilasa a, la cual esta fosforilada y es
activa en precencia o en ausencia de A M P (su rriodificador alosterico) y la fosforilasa h, la cual esta
desfosforilada 4 es activa solo en presencia del AMP.
Esto ocurre diirante ejercicio cuando laconcentracibn dc
cAM P aumenta, mecanismo que proporciona combiistiblc al músculo. L,a fosforilasa a es la forma activa
Iisiolhgicamente normal de la enxima.
El cAMP activa la fosforilasa muscular
I .a fcisforilasa en el músculo es activada por la adreiialiiia (lisura 20-6). Sin embargo, esto ciicede no
conio u11 cfccto directo cine por medio de la accion
del cAMP. EI increinento en la concentraci6n del
cA M 1' activa a iina enzima con especificidad amplia,
la proteína cinasa dependiente de cAMP. Esta cinasa
catali7a la foshrilación por el ATP de la fosforilasa
cinasa b inact ¡va a la fosforilasa cinasa a activa, lacual,
a SLI vez, por conducto de una fosforilacibn posterior.
activü a la t'osforilasa b a fosforilasa a.
La proteína cinasa inactiva depeiidiente de cAMP
esti ctinslituida por dos partes de subunidades, cada
par formado de una subunidad reguladora (R), que fija
2 moleculas de cAMP y una subunidad catalitica (C),
que contiene cl sitio activo. La combinacihn con el
cAM13 hacc que el cornple+joR2C2 se disocie, liberando los inonómeros C activos.
R2C2 + 4cAMP o 2C + 2(R<AMPz)
Enzima
Enzima
inactiva
activa
El Ca2+sincroniza la activación
de la fosforilasa para iniciar
la contracción muscular
La glucogenólisis aumenta cn el mucculo varios cientos de veces inmedia~amentedespués del comienzo de
la ~nnlraccibn.Esto comprende la activación rhpida
de la fosforilasa, caiisada por la activación de la
fosforilasa c i n a ~ apor el Caz+, la misma sefía1 que
inicia la contracción. La fosforilasa cinasa muscular
tiene cuatro tipos de subunidades: alfa, beta, gamma
y deIta en una estructura represcntada como (apyG)4.
[,as subunidades alfa y beta contienen residuos de
scrinn que son fosforilados por la proteina cinasa
22 7
dependiente de cAMP. La subunidad beta fija 4 Ca"
y es identica a Ia pmtcina ,¡adora dc Caz+. la calmodulina {capítulo 44). La fijación del Ca2' activa el
sitio cataIitico de la subunidad garnma en tanto que la
molécula permanece en la configuracicin b desfnsforilada. Sin embargo, la f ~ m a fosforilada sólo es
activada por completo en presencia de Caz'. Es un
hecho significativo que la calmodulinn sea analoga cn
estructura a la 'lpC. la proteina .jadora de Cal' en el
mlisculo. Una segunda molecula de ca!modulina o dc
TpC puede interactuar con la fosforilasa cinasa,
aumentando la nctivacibn. Por tanto, la activaciiin de
la contraccibn muscular y de la glucogcn6lisis son
realizadas por la misma proteina tijadora de Caz-, 10
cual asegura su sincronizacidn.
La glucogenólisis en el hígado
puede ser independiente del cAMP
AdemBs de la importante accihn del gIucag6n en la
formacibn del cAMP y en la activacion de la fosforilasa hepática, los csiudios han mostrado que los
receptores alfa, son los principales mediadores de la
estimulaci6n de las catecolaminas en la glucogenolisic. Esto implica una movili;r,acibn de Ca2-,
independiente del cAMP, de las mitocondrias al
citosol, segiiida por la estimulacion de una fnsforilasa
cinasa sensible a Ca2t/ca1modulina. La gliicogenólisis independiente de cAMP es causada tambidn
por la vasopresina, la oxitocina y la angiotensina 11
que acíiian a travds del calcio o de la via del bisfosrato
de fosfatidilinositol (figura 44-7).
La inactivación de la fosforilasa
es efectuada por la proteina fosfatasa-í
Tanto la fosforilasa a como la fosfori lasa ciiiasa a son
desfosforiladas e inactivadas por la proteína fnsfatasa-l. Esta ultima es inhihida por una proteina denominada inhihidor-l, el cual es aclivo siilo después
de que ha sido fosforilado por una proteina cinasa
dependiente de cAMP. Por tanto, el cAM13 controla
tanto la activación como la inactivacibn d e la fasforilasa (figura 2 0 4 ) .
La actividad de la glric0geno sintasa
y de la fosforilasa se regula
de manera recíproca (figura 20-7)
AI igual que la fosforilasa, la glucógeno sintasa
existe en estado fosforilado y no fosforilado. Sin
embargo, al contrario de la primera, la fbrma activa
está desfosforilada (gliicógeno sintasa a) y puede ser
inactivada a gliiciigeno sintasa b mediante la l'osforilaci6n en siete residuos de scrina por no metios dc
Adrenalina
Receptor p
Adenilato
Adenilato
ciclasa
clclasa
inactiva
activa
Glu~&geno(~+i]
FQSFODIESTERAJA
ATP
Figura 20-6. Control d
(n = numero de
r-
CAMP
c 5'-AMP
1
La secuencia de reacciones ordenadas corno una cascada permite la amplificación de la seíial hormonal en cada paso
~ c i cproteina cinasas difcrcntcs. Los siete sitios dc
fosfori laciijn ecthri coriten idos eii cada 1 de 4 subunitladts idkilticas. Dos de las proteína cinasas son depeiidientes de Caz-'calmodulina (una de estas es Ea
frisforilasa cinasa). Otra c i In prolcliia ciiiasa depend i c i ~ t edc cAMP. que permite la accioli honnonal
mediada por cAM13,de iiiliibir la síntesis de glucogeno
dc inodo siiicronizado con la activación de la glucosenniisis. [ , a 5 cinasas rcstnntcs son conocidas como
gliicogeno sintnsa cinasa-3, -4 y -5. La glucosa-ú-iosI';iio cs ti11 aclivador alostérico de la glucbgenci sintasa
li. que C¿ILIWLIII~
wduccihn en Ia Klllpara la UDP-glucoca y que permite lii síntesis dcl gluctigeno por la
cn~ii-tial i i s h i ilada. E l g l u c ~ g e n otatnbien e-jeerce una
iiihibición sobre su propia forniacibii, y la insulina
t;irnbi&i-i estiinula la ~ i n t e ~ de
i s gluchgcno en cl
iníisculo, al proinover la de~fosforiIaciiiri
y activaciiin
de Iri glucbgeiici sintasa b. Por lo general, la decfosfo-
rilacion de la glucOgeno sintasa b se efectUa por la
acciiin de la proteina fosfatasa- 1 , la cual estd Iiajo el
coritrol de la proteina cinasa dependicntc dc c A M I '
(tigura 20-7).
EL EQUILIBRIO DE LAS ACTIVIDADES
ENTRE LA GLUCOGENO SINTASA
Y LA FOCFORILASA REGULA EL
METABOLISMO DEL GLUCOGENO
(Figura 20-8)
La glucógeno sintasa y fosforilasa estan baio control
del su.;tratn (por alosterismo) asi coino boi. control horinonal. L a ioslorilasa sc activa no solo por uii aiinicnto
en la ~oiicentraciónde c A M t' (por medin de uiia
fci~ftirilasaciiiasa). sino quc al inisnio licinpo la
Adrenalina
Receptor p
@
Adenilatocicla~a
inactiva
Adenilato
ciclasa activa
ATP
4
cAMP
1 FOSFODIESTEWSA 1
t
5'-AMP
l
inactiva
DEPENDIENTE
Inhibidor-1
(inactivo)
prr9mua Cl*&
DEFf PI3 E
n
PROTEINA
DEPENDIENTE
ADP
Glucosa-6-tosfato
GlucbgenomF
+ UDPG
Inhibidor-1-fosfato
(activo)
PROTE~NA
FOSFATASA-1
Figura 20-7. Control de la glucogeno sintasa en el musculo (n = número de residuos de glucosa) La secuencia de reacciones
ordenadas en cascada permite la amplificacibn de cada paco. lo que hace que cantidades nanomolares de hormonas
produzcan cambios importantes en la concentracibn de glucbgeno (GSC, glucógeno sintasa cinasa-3, -4 y -5. flecha
ondulada. adivacion alostérica)
glucógeno sintasa se convierte en la forma inactiva;
Im dos efectos son mediados por una proteína cinasa
dependiente dc cAMP. Aqí, la inhibición de la glucogenblisis potencia la glucogenesis total y, a sir vez, la
inhihiciOn de ésta incrementa Ia glucogenblisis total.
Tn~iibiCi~
en la regulacihn del metabolismo del
gluch~enoes importante el hallazgo de que la desfostorilación cie la fosforilasa a, de la fnsforilasacinasa g
dc la gliicíigeno sintasa h cs llevada a cabo por una
sola enziina de especificidad amplia-proteína iosfataw-l. A sii vez, esta ultima cs ínhibida por una
~xwteinacii~asadependiente de cAMP a tmvtSs del
ilihibidor- I (Figura 20-8). Por tanto, la gliicogenolicis
~ ~ c krminarse
d c
y la glucog&nesis estimularse dc
inanera sincrnnizada o viceversa, debido a que los dos
prncecns se sincroilizan por la actividad de la proteína
cinasa dependiente de cAMP. La dos cnzimas, fosfo-
rilasa y glucógerio sintasa, piicden iosforilarsc de
mancrareversible en mhs de un sitio por de las cinasas
y la acción de las fosfatasas separadas. Estas fosFnrilaciones secundarias modifican la sensibilidad de los
sitios primarios para fosforilacion y desfrisforilaciiin, Io
cuaI se conoce como fosfnril~cihnde sitios rnirltiples.
El factor principal en el control
del metabolismo hepático del glucógeno
es la concentración de fosforilasa a
Esta cnzima controla no sOlo cl paso limitante de
velocidad en la glucogentílisis, sino qiie tambien inhibe la actividad de la proteína fosfatasa- I y, de este
modo, controla la sintcsic de glucogeno (figura 20-3).
La inactivacibn de la fosforilasa es consecuencia de la
inhibición alostérica por glucosa cuando In concen-
'J
/
/
PwTEINA CIHASP
DEPEND~ENTE
PKOTEINA
FOSFATASA-1
A
O
PROTE~M
A
FOSFATASA-í
DE cAMP
\
\
\
,'/
Y
/
glucbgeno
J
\
\
/
/
Glucosa 1-Fosfato
Giuwsa (higade)
Glucosa
Lactato ( m ú s w i ! ~ }
Figura 20-8. Control coordinado de glucogenólisis y glucog8nesis por proteina cinasa dependiente de cAMP Las reacciones
que conducen a glucogenólisis como resultado de un incremento en la concentracibn de cAMP se muestran por flechas
gruesas y las que inhiben por activacibn de la proteina focfatasa-1 se muestran por flechas interrumpidas Lo inverso ocurre
cuando la concentración de cAMP disminuye debido a la actividad de la fosfodresterasa, conduciendo a glucogenesis
Metahdi~model nlucúgeno
glucogenosis se resumen en el cuadro 20-2. Asimismo,
se tienen informes de deficiencias de adenilata cinasa
y proteína cinasa dependiente de cAMP. Algunos
de los trastornos descritos han me-¡orado con los trasplantes de higado.
tracibn de esta se eleva después de una comida. La
activación es causada por 5'-AMP que responde a la
depleción de ATP. La administración de insulina de
inmediato inactiva a la fosforilasa, lo cual es seguido
por activación de la glucdgeno sintasa. Los efectos de
la insulina requieren la presencia de giucosa.
No se produce regulación de las enzimas de rarnificación y desramificacidn.
RESUMEN
1) El glucógeno representa la rnhs importante forma
de almacenaje de carbohidrato en el cuerpo del
mamífero y se encuentra principalmente en hígado
y músculo.
2) En el hígado, su función principal es servir a otros
tejidos mediante la generación de glucosa sanguinea. En el músculo, cubre las necesidades s61o
d e ese órgano, como una fuente de combustible
metabólico lista para usarse.
3) El glucógeno se sintetiza a partir de glucosa y otros
precursores por la vía de la glucogénesis. Es degradado por una vía separada conocida como glu-
ASPECTOS CL~NICOS
Las enfermedades por almacenamiento
de glucógeno son hereditarias
El termino de "enfemedad por almacenamiento de
glucógeno" es una expresidn genkrica que intenta
describir a un grupa de trastornos hereditarios que se
caracterizan por depósitos de un tipo o de una cantidad
anormal de glucógeno en los tejidos. Las principales
Cuadro :20-2. Enf
-.
.
-- ...--- -
Noin b r e
Enfi
:von Gierke
iipo ir
hfemeaaa oe trompe
Tipo III
Dex trinosis Iírnite o enf:
dad de Forbes o Cori
Tipo l V
iento de
es por alrnacenam
..
Causa del trasto rno
Deficiencia d e gIu
fi
Deficiencia de fa glucosidasa
alfa-1 +4 y 1 +6 l isosornal
(maltasa ácida)
iusencia dr inzima di
antc
enzima
ris. cnfcrn
ante:
Tipo V
Tipo VI
Deficiencia de miofosfoi
sind:reme de McArdlc
23 1
fosforilasamuscular
..
'aracterist
-
. . .
Las ctlulas hephticas y del
túbulo renal cargad as con glu
cbgcno. Hipogluceinia, cetosiS
e hiperlipidemia
acumulaci
en los lis
~ c i cardia,
a
; polisaciri
Acumula
dos rami-
acterísticu:
Acumula
S
con puntos cioncle no esian muy
ramificados. La muerte se debe
a insuficiencia cardiaca o
hepática en el primer ano de
vida
Disminliyc la tol erancia a 1
,.
ejercicio:; los musc UIOS tienen
---*--LA
-Luiireriiuub aiiuiiirale~altos de
glucbgeno (2.5 a 4.1%). POCO
O
nada de lactato en la sangre
dcsputs de ejeercich
4
de fosfor ilasa he-
Alto coritcnido de gluchgeni
hcphtíco , se tiendle hacia 1;
hipogluclcmia
)eficienciaI de fosfo fructociasa en mil:rculos y eri trocitos
Como eri el tipo V , pero tm
bitn eki ste la pos ibilidad di
anemia h emolitica
Jeiicierrcla de
Lurrici cri
fosforilasn ciria-
el tino VI
cogenbli~is.E ~ t última
a
conduce a la formacion de
gliicora cri el hígado y de lactato en el músculo
dehiclo ¿i la prcsenciñ o aur;ericia respectiva de
gluciisa-O-fosfataca.
4) El A M P cíclico integra la rcgiilacion de In glucog c ~ i ~ i l i s iys de l a glucogdnesis cn Iin patroii
recíproco nl pi*omovcr la ac~ivaciiinde la fosforilasa y la inhibiciún de In glucógeno ~intasa.
5 ) Dcficicncias Iiercditarias en enziinas c h p c c i f i ~ r i sde
metabolismo en hígado y múcciilo ocasionan enfermedades por almacentlrniento de glucógeno.
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de la glucosa sanquinea
U
Peter A. Mayes, PhD, DSc
La gluconeogénesis es el temino que se iitiliza para
incluir todos los mecanismos y vías responsables de
convertir otras sustancias diferentes de los carbohidrato~a glucosa o glucbgeno. Los sustratos principales para la gluconeogénesis son los amínoacidos
glucogknicos, lactato, glicerol y propionato. El higado
y el riíión son Tos tejidos donde se realiza principalmente el proceso, ya que contienen el conjuntocompleto
de enzirnas necesarias.
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
La gliiconeogénesis cubre las necesidades corporales
de glucosa cuando el carhhidrato no esta disponible
en cantidades suficientes en la alimentacion. Se rcquiere un suministro constante de gtucosa como
fuente de energia, en especial para el sistema nervioso
y los eritrocitos. La insuficiencia L.L la gluconeogénesis es por lo general mortal. Por debajo de una concentraci6n critica de la glucosa sanguínea, hay
disfunción cerebral que puede conducir a coma y
muerte. La glucosa se requiere también por el te-jido
adiposo como fuente de glidrido-glicerol y es probable que intervenga en la conservaci6n de la cifra de
intermedios en el ciclo del acido cítrico en numerosos
tejidos. Es evidente que aun en las situaciones en qiie
la grasa puede suministrar la mayor parte del requerimiento calórico del organismo, hay siempre un
cierto requerimiento basa1 de glucosa. Además, la
glucosa es el unico cambustible que suministra energia
al muscu!o esquelético en condiciones de anaerobiosis. Es precursora del azucar de la leche (lactosa)
en la glándula mamaria y se capta activamente por e!
feto. Además, los mecanismos gluconeogénicos sc
utiliran para depurar los productos dcl metabolismo
de otros tejidos desde la sangre; por ejemplo, lactato,
producido por el músculo y los eritrocitos, y glicerol,
que se f o m a continilamente por el tejido adiposo. El
pmpionato, principal ácido graso glucogénico producido
por los rumiantes en la digestión de las carbohidratos,
es un sustrato importante para la gluconeogénesis en
estas especies.
LA GLUCONEOGENESIS INCLUYE
LA GLUCOLISIS Y EL CICLO
DEL ÁCIDO C~TRICO,MAS
ALGUNAS REACCIONES ESPECIALES
(Figura 21 -1)
Las barreras termodinámicas impiden
una inversión simple de la glucólisis
Krebs seílaló que las barreras energeticas obstruyen la
reversión simple de la gluciilisis: entre el pimvato y
el fosfoenolpiruvato, entre la hctosa-l ,B-bisfoshto y la
fnictosa-6-fosfato, entre la glucosa-6-fosfato y la glucosa, y entre la glucosa-l -fosfato y el gluc6geno.
Todas estas reacciones no tienen equilibrio, liberan
gran parte de energia libre como calor y por tanto son
fisloliigicarnente irreversibles. Es posible esquivarlas
mediante reacciones especiales.
A. Piruvato y fosfoenoIpiruvato
En la mitocondria se locali7a la enzima piruvato
carboxilasa, la cual, en presencia de ATP, la vitamina
B biotina y CQ:, convierte al piruvato en oxalacetato.
234
capitulo 2 1)
Bioquím ica de Hurper
-
Glucosa
HEXOCINASA
Glucosa 6fosfato
Glucógeno
AMP
A
1
Gliceraldehido 3-tosfato
Fosfato de dihidroxiacetona
3-Fosfato de glicerol
Fosfoenotpiruvato
Oxalacetato
Figura 21-1. Vias mayores y regulacibn de gluconeog8nesis y gluc6lisis en el higado. Los puntos de entrada de aminoácidos
glucog&nicosse indican por flechas que salen de circulos (figura 1 8 4 ) . Las enzirnas gluconeogenrcas clave se muestran
con un rectángulo doble El ATP requerido para gluconeog8nesis se suministra por oxidacibn de Budos grasos de cadena
larga. El propionato s6lo tiene importancia cuantrtativa en los rumiantes. Las flechas onduladas significan efecto alost&rico,
las flechas cortadas modificación covalente por fosforilacibn reversible Las concentraciones altas de alanina actuan como
una "cefial gluconeogifnica" que inhibe la glucblisrs en el paso de piruvato cinasa
Gluconeogknesis y control de la gluco.~asan~uinea 235
La función de la biotinaes ligar el CO?del bicarbonato
a la enzima antes de la adición del CO: al pinivato
(figura 52-13). Una segunda enzima la fosf ~ e n ~ l p i r l l carboxicinasa,
~at~
cataliZí! la Conversi6n dcl oxalacetato en fosfoenolpinivato. En esta
reacción se necesita fosfato de alta energía en la fonna
de GTP o ITP v se libera CO,. Por tanto. con la avuda de
estas dos enzimas que catalizan transformaciones endergbnícas y de la deshidrogenasa Iáctica, el lactato
se puede convertir en fosfoenolpiruvato, a! rebasar la
barreraenergetica entre el piruvato y el fosfoenolpinivato.
En el higado de pichones, pollos y cone,jos, la
fosfocnolpiruvato carboxicinasa es una enzima mitocondrial y el fosfoenolpiruvato se transporta al citosol
para su conversión en 1,6-bisfosfato de fmctosa por
inversión de la glucólisis. En la rata y el raton la enzima
esta en el citosol, lo cual genera un problema ya que
el oxalacetato no difunde al travCc de la membrana
mitocondrial interior. Esto se resuelve mediante conversión a malato, el cual puede transportarse al interior
del citosol y reconvertirse en seguida a oxalacetato
mediante la malato deshidrogenasa extramitocondrial. En el ser humano, cobayoc y vacas, las enzima
se distribuyen por igual en mitocondrias y citosol.
B. Fructosa 6-fosfato y fructosa
7,6-bisfosfafo
La conversión de fnictosa 1,6-bisfosfato en fiuctosa6-fosfato, necesaria para lograr la reversión de la
glucolisis, se cataliza por una enzima especifica,
la fructosa-1 ,&bisFosfatasa. Esta es una enzima clave
en el sentido de que su presencia determina si un tejido
es o no capaz de sintetizar glucógeno a partir no s61o
del piruvato sino tambiin de los triosafosfatos. Esth
presente en el hígado y ridones y demostrada en
eI músculo estriado. Se sostiene que esth ausente en los
musculos cardiaco y liso.
C. Glucosa 6-fosfato y glucosa
~a conversión de glucosa h-fisfato en glucosa se cataIiza por otra fosfatasa especifica, la glucosa ó-fosfa-
h
,
no
Esta enzima se encuentra en higado y
pero
tejidos muscular y adjpoco, supresencia
a un
agregar glucosa a la sangre,
,,lo,
D. Glucosa .I-fosfatoy glucógeno
La degradacihn del glucógeno Iiasta gl~icosa1 -fosfato
se efectua por la fosforilasa. La sinresis de gluc6geno
implica una vía enteramente diferente a travds de la
formacibn de la difosfato de widina y glucosa y la actividad de la glucógeno sintasa (fígura 20-1).
Estas enzimas esenciales que permiten la inversión de la glucólisis tiene una función importante en
[a gluconeogenesic. Las relaciones entre e s t a enzimas
claves de la gluconeogénesis y la vía glucoIitica se
muestran en la fígum 2 1-1 . Decputis de la transarn inacidn
o desaminacibn, los aminoacidos glucog~nicosforman
ya sea piruvato o miembros del ciclo del ácido cítrico.
Por tanto, las reacciones descritas pueden dar cuenta de la
conversibn tanto de los aminodcidos glucog&nicos
como del lactato, en glucosa o glucógeno. Asi. el
lactato forma pinivato y dehe entrar las mitocondrias
antes de convertirse en oxalacetato y en último término en glucosa.
El propionato, que es la fuente principal de glucosa en los rumiantes, entra a la ruta gluconeog&nica
principal por la via del ciclo del hcido cítrico despuis
de su conversidn en succinil-COA. El propionato se
activa primero con ATP y COA por una acil-COA
sintetasa apropiada. La propionil-COA, producto de
esta reacción, experimenta una reaccibn de fijacibn
de COZpara formar D-metilmalonil-COA, catalizada
por la propionil-COA carboxilasa (figura 2 1-2).
Esta reaccion es anhloga a la fijacibn det C 0 2 en la
CO2 +H,O
CoA*SH
CARROXILASA
coo -
H -$- COO-
CO- S- COA
Propronato
ATP
lntermedlos del
ciclo del Acido
cítríco
A M P + PPI
e
Propionil-COA ATP
ADP + p,
o-Metilmalonil-COA
I
CH,
C H ~ -C<>Pnlim.Bli~~~-tH
60-$-COA
CO-S- COA
SucclnilEoA
Figura 21 -2. Metabolismo del propionato.
L-Metilmalonil-COA
acetil-COA por la acetil-COA carboxilasa (capitulo 23)
en que forma un derivado malonilo y requiere la
vitamina biotina como coenzima. La D-metilmalonilCOA debe convertirse en su estereoisómero, I -me&
rnalonil-COA, por Ea metilmalonil-COA racemasa
antes de cu isomeracícin final a succinil-COA por la
enzima metilmalonil-COA isomerasa, la cual requiere vitamina B 1 2 como coenzirna. La deficiencia de
vitamina B17 en el ser humano y los animales conduce
a la excrecion de grandes cantidades de metilmalonato
(aciduria metilrnalhnica).
Aunque la via hacia el succinato es su ruta metabólica principal, el propionato puede también utilizarse
como cebo rnolecular para la sintesis, en el tejido
adiposo y glandula mamaria. de los hcidos grasos que
tienen un número impar de átomos de carbono en la
molécula. Los acidos grasos C I qy C17se encuentran
particularmente en los lipidos dc los rumiantes de
donde constituyen una fuente importante de estos
acidos grasos en la alimentación humana y por iiltimo
se degradan en propionato en los tejidos (capitulo 24).
El gIicerol es un producto del metaboIismo de[
tejido adiposo y sólo los tejidos que poseen la enzima
activadora glicerol cinasa, lo pueden utilizar. Esta
enzima, que requiere ATP, se encuentra entre otros
tejidos, en el higado y riiiones; y cataliza la conversibn
de glicerol en glicerol-3-fosfato.Esta via conecta con
las etapas de triosafosfatode la vía glucolitica, porque
el glicerol-3-fosfato puede ser oxidado a fosfato de
dihidroxiacetona por el NAD' en presencia de la
glicerol-3-fosfato desfiidrogenasa. Eb hígado y el
riii6n son capaces de convertir el glicerol a glucosa
sanguinea haciendo uso de las enzimas anteriores, de
algunas de las enzimas de la glucólisis y de las enzimas
especificas de la via gluconeogénica: fmctuosa-1,6hisfosfataca y glucosa-6-fosfatasa (figura 2 1-1).
TODA VEZ QUE LA GLUCOLISIS
Y GLUCONEOGENESIS COMPARTEN
LA MISMA V ~ APERO EN
DIRECCIONES OPUESTAS,
DEBEN REGULARSE
DE MANERA REC~PROCA
Los cambios en la disponibilidad de sustratos son
responsables de manera directa o indirecta de lamayor
parte de los cambios en el metabolismo. Las tluctuaciones de su concentración sanguínea por cambios
en la disponibilidad dietética pueden alterar el indice
de secrecidn de hormonas, que a su vez, influye en el
patrón del metabolismo en las diversas vias, a menudo
modificando la actividad de enzimas clave que intentan compensar el cambio original en Ia disponibilidad
del sustrato. Tres tipos de mecanismos pueden identi-
ficarse como responsables de la regulacíon de la actividad enzimática en el metabolismo d e carhohidratos
se muestran en el cuadro 21-1: 1 ) cambios en la
velocidad de sintesis enzimática, 2) modificación covaientc por fosforilación reversible y 3) efectos alost~ricos.
La inducción y represión de la síntesis
de ensimas clave no son rápidas
sino que utilizan varias horas
Algunos dc los cambios mejor estudiados de la actividad cnzimática que ociirre bajo diversas condiciones
rnetaMlicas aparecen en el cuadro 2 1-1. La infmaci6n
en este cuadro se aplica en gran parte a enzima? hepiiticas. Las enzimas catali7an reacciones de no equilibrio
que fisiológicamente pueden considerarse como " una
dirección'' más que ecuaciones balanceadas. h menudo
10s efectos se refuerzan dado que la actividad de las
enzimas que catalizan los cambios en la dirección
opuesta varían de manera recíproca (figura 2 1-1 1. Es
importante observar que las enzimas clave que intervienen en una vía metabólica se activan o deprimen
d e manera coordinada. El cuadro 2 1-1 muestra con
claridad que éste es el caso. Todas las enzimas que
intervienen en Sa utilízacibn de la glucosa (es decir, Ias
de glucólisis y lipogenesis) son más activas cuando
hay un exceso de sustrato y bajo estas condiciones las
enzirnas responsables de la pl-oduccibn de glucosa por
la vía de gluconeogénesis muestran escasa actividad. La
secreción de insulina. que es sensible a la conccntraci6n sanguínea de glucosa, aumenta la sintesis de
las enzirnas responsables de la glucólisis. Del mismo
modo, antagoniza el efecto de los glucocorticoides y
del cAMF estimulado por glucagón el cual induce la
síntesis de las enzimas clave responsables de la gluconeogknesis. Se ha demostrado- la regulación d e las
especies mRNA de estas enzirnas y la modulacion de
la expresión de sus genes.
Las dos deshidrogenasas de la vía de la pentosa
fosfato pueden clasificarse como enzimas adaptativas,
dado que aumentan su actividad en ct animal bien
alimentado y cuando la insulina se administra a un animal diabético. Su actividad es baja en diabetes o en
ayuno. La "enzima malica" y la ATP-citrato liasa se
comportan de igual moda, 10 cual indica que estas dos
enzimas intervienen en las lipog6nesis mas que en la
gluconeogCnesis (capitulo 23).
La modificación covalente
por fosforilación reversible es rápida
El glucag6n y en menor grado la adrenalina, hormonas que disminuyen la glucosa en la sangre, inhiben la glucólisis y estimulan la gluconeogénesis en el
hígado mediante el aumento d e la concentraci6n de
Gluconeo,~éncsisy control de la nIucosa sanguínea 237
Cuadro 21-1. Enzimas reguladoras y adaptativas de la rata (hephticas en gran parte)
....
;
Dieta
con
,,,vi,
carbohidratns
-
r--
Activid
-- -
i
-
1-
J
diabetes
-
-"A"
Enzimas de gluco~eno;
~knesis,glu
l
1
S istema de glucógeno sini;asa
--
i
fosfori
geno
--
HLAVL~LLU~
C;
-
Insulin
I
I
-" -
-.A-A--
.".
Fosfofructot
-
Cilucagón I
Insulina
fructesa t5- Citrato (ácidos grasos, cuierpos cct&
fosfato*
n i c o s li * . A T P * ,
1
.Pi, fructo!;a
-
alanina
Piriitfatocin asa
-
Piruvato dt:shidro-
bn (cAMI'
ndrcnal ina
-
-
1
1
g cnasa
NAD*, i rI- A c e t i l - C O A ,
,ADP. pin1- NADH',ATP (ácidos grasos. cuer-
!
1
m n r o o t Xn;'.n"l
Enzimas ae
-
zenesrs
Piruvata c arboxi-
,
4,
1
.
~
1
T
Glucor ticoides,
glucagún, aatena-
-
t i c o i d e s , tnsulina
1, adrcnaglucagó~
lina (CAPdl=)
ticoides,
glucagh1, adrena-
F
carnox~c~
-
F
gón?
--
Glucagbn (cAMP
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Glucosa-h-t
ticoides, ~nsul~na
L
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C
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giucagui1, adrenalina (cAb
L-..
c fosfatos ii e pen tosa y de lipop
ras vias d8
,fosfato
t
dcshidrol
1'6
ato, AMP
3SB
7 h
t
1
l L 1 lnsulina
Insulina
h
Enzima m i
-P,1P-C itratc
..
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-.
A
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A C C LPL- ~A - LCCL
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xilasa
-"
h,cido grasn
-
* AIOSIC~IC~
T
'En tejido adiposo pero nin en higado.
---
+
cAMP. Lo cual, a su vez, incrernenta la actividad de
tina proteína cinasa dependiente de cAMP, conduciendo a fbsforilación e inactivacion de la piruvato
cinasa. También afectan la concentracibn de fructosa
2.6-bisfosfato y por lanzo la glucólisis y la gluconeogenesis, como se expiica adelante.
La modificación alosterica
tambien es rápida
Se dispone de varios qjernplos del metabolismo de
carbohidratos para ilustrar el control alostérico de la
actividad de una enzima. En la gluconeogknesis, la síntesis de oxalacerato a partir de bicarbonato y piruvato
que se cataliza por Ea enzima piruvato carboxilasa,
requiere la presencia de acetil-COA como activador
alostérico. La adición de acetil-COA conduce a un
cambio en la estructura Terciaria de la proteína, que
reduce el valor Km para el bicarbonato. Este efecto
tiene implícaciones importantes en la autorregulación
del metabolicrno intermedio, en donde, igual que
acetil-COA se forma del pinivato, asegura de manera
automática una produccién constante de oxalacetato
y, por tanto, su oxidación ulterior en el ciclo del hcido
cítrico por la pinivato carboxilasa. I,a activación de
esta última enzima, y la inhibicibn recíproca de la
piruvato deshidrogenasa por el acetil-COA formada de
la oxidacilin de Bcidos grasos, ayuda a explicar la
accibn "ahorradora" de esta oxidacibn de Bcidos grasos
en el metabolismo del pinivato y en la estimulación
de gtuconeog~nesishepatita. La relación recíproca
entre la actividad de piruvato deshidrogenasa y pimvata carboxilasa en hígado y riiíón altera el destino
metabólico del pinrvato cuando el tejido cambia de
oxidación de carbohidratos por glucólisis a gtuconeogtnesis durante la transicihn de un estado de
nutrición adecuada a inanicihn (figura 2 1-1). Una
funcibn importante de la oxidacidn de Bcidos grasos
en la promocibn de la gluconeogknesic es suministrar
el ATP requerido en las reacciones de piruvato carboxilasa y fosfoenolpiruvato carboxicinasa, y también,
invertir la reacción catalizada por fosfoglicerato cinasa
en la gluc~lisis.
Otra enzima que est6 sujeta a control por retroalimentación es Ia fosfoIructocinasa (fosfofructocinasa-1)Ocupa una posicion fündamental en la regulación de
la gluc6lisis. La enzima fosfofnictocinasa-1 se inhibe
por citrato y por ATP y se activa con AMP, El AMP
actiia como un indicador del estado energktico de Ea
cklula. La presencia de adenilato cinasa en el higado
y muchos otros tejidos permite el equilibrio rápido de
la reacción:
ATP + AMP
H
2ADP
Asi, cuando el ATP se usa en procesos que requieren
energia y deja como subproducto ADP, la concentracihn de AMP silbe.Como [ATP] puede ser 50 veces
mLs elevada que [AMP] en el equilibrio, una disminuci6n fraccionaria pequeña en [ATP] causará una
elevacion importante en [AMPJ. Por tanto, un cambio
g r a n d e en [ A M P ] a c t ú a c o m o a m p l i f i c a d o r
metabólico de un cambio pequefio en [ATP]. Este
mecanismo permite que la actividad de fosfofi-uctocinasa- 1 sea muy sensible inclusive a cambios mínimos
en el estado energetico de la celula y controle la cantidad
de carbohidratos que experimentan glucólisis antes de
entrar al ciclo del ácido cítrico. El aumento en [AMP]
tambikn puede explicar por qué la glucólisis se acelera
durante la hipoxia, cuando [ATF] disminuye. De
manera simultánea, la A M P activa una fosforilasa que
incrementa la glucogen6lisis. La inhibición de la fosfohctocinasa-1 por citrato y ATP podria ser otra
explicación del efecto ahorrador de la oxidación de
ácidos grasos en el consumo de glucosa y también del
efecto Pasteur donde la oxidación aerobia (por el
ciclo del ácido cltrico) inhibe la degradacirin anaerobia de la glucosa. Una consecuencia de la inhibición
de fosfofructocinasa- 1 es la acumulaci6n de glucosa6-focfato que, a su vez, inhibe la captacibn adicional
de glucosa en tejidos extrahepáticos por inhibicibn
alostérica de la hexocinaca.
ha fructosa 2,6-bisfosfato
tiene una función exclusiva
en la regulación de la glucólisis
y la gluconegoénesis en el hígado
El efector aloct6rico positivo más potente de la fosfohctocinasa-1 e inhibidor de la fnictosa-1 , 6-bifosfatasa en el hígado es la froctosa 2,6 bisfosfata. Alivia
la inhibicibn de fosfofmct~inasa-1 por ATP e incrementa
su afinidad por fructosa 6-fosfato, Inhibe la fructosa1,ó-bisfosfatasa por incremento de Km para h c t o s a
1,6-bisfosfato. Su concentmcibn esta bajo control del
sustrato (alost&rica) y hormonal (modificación coralente) (figura 2 1-3).
La fnictosa 2,6-bisfosfato se forma por fosforilación de la fmctosa 6-fosfato por acción de fosfofructocfnasa-2. La misma enzima es también
responsable de su degradacidn, ya que posee actividad
de fructosa-2,6bisfosfatasa. Esta enzima bifuncional
esta bajo el cona01 alostérico de fnictosa 6-fosfato, el
cual cuando aumenta de concentracirin debido a una
abundancia de elucosa. es decir. en un estado de
suficiencia de nuiientes,'estimula á la cinasa e inhibe a
la fosfatasa. Por otra parte, cuando la glucosa escasea,
el glucagbn estimula la producción de cAMP, activando
a la ~ r o t e i n acinasa devendiente de cAMP la cual a su
vezrinactiva a la fos'fofructocinasa-2 y activa a la
fnictosa-2,6-bisfosfatasapor fosforilación.
:luconeogkne.~i~s
y cnnfi-ni de la glucosa sanguinea
Glucosa
-
y glucbgeno
1
. Fnictosa 6-fosfato
-.
-
239
Los ciclos (vanos)de sustrato
permiten un ajuste fino
Puede apreciarse que muchos de los puntos de control
y el metabolismo del gluciigeno comprenden un ciclo de fosforilación y desfosforilaci0n
catalimdo por las enzimas siguientes: glucocinasa y
glucosa-6-f'osfatasa; fosfofnictocinasa- l y h c t o s a I ,6-bisfosfataca; piruvato cina~a,pinivato carboxilasa y
fosfoenolpiruvato carhoxicinasa; y glucógeno sintasa
y fosforilasa, Si se permitiera a estos ciclos continuar
sin freno, serian ciclos vanos (inutiles) cuyo resultado
neto conduciría a la hidrólisis de ATP. Que esto no
ocurra de manera extensa se debe a varios mecanismos de control que aseguran la inhibición de un
extremo en tanto que el otro se estimula en cada ciclo,
de acuerdo al requerimiento tisular y corporal. No
obstante, es probable que haya alguna ventaja fisiológica en permitir cierta ciclizacibn. Por ejemplo, en
el ciclo fosfofructocinasa~fructosa-l,6-bisfosfatasa,
podria ocurrir una amplificación del efecto de un
modificador alostérico. como fnictosa 2,6 bisfosfato,
productor de un cambio algo mayor en el flujo total
de mmbolitos en cualquier direccibn que el que ~ u r r i r i a
en ausencia de la ciclizaci6n de sustrato. Este "ajuste
fino" del control metabolico causa siempre cierta
pérdida de ATP.
en la gluctilisic
ADP
tA CONCENTRACION DE GLUCOSA
Fructosa 1,s-bisfosfato
t
Piruvato
Figura 21-3. Control de gluo61isic y glucuneogénesis en el
higada por fnrctoca 2,6-bisfosfato y la enzima bifuncional
PKFIF-2,6-Paca (6-fosfofructo-2-cinasalfructoca-2,6-bisfosfataca). (PFK fosfofructocinasa 16-fosfofructo-9-cinasa]; F16-Pasa, fructosa-l,6-brsfocfatasa. Las flechas onduladas
indican efectos alost~riwsE
Por tanto, bajo abundancia de glucosa, la fnictosa2,6-bisfosfato aumenta su concentraci6n y estimula la
gluc~lisispor activación de fosfofructocinasa-1 e inhibicion de fnictosa- l,6-bisfosfatasa.Cuando la glucosa
escasea, se estimula la gluconeogénesis por disminucion de la concentración de fnictosa 2,6-bisfosfato, que desactiva la fosfofructocinasa- 1 y ddesinhibe
a la fnictosa-1,6-bisfosfatasa.Este mecanismo tambi&nasegura que la estimulación de la glucogen6lisis
hephtica por el glucag6n conduzca a liberación de
glucosa y no a gluc6lisic.
lnvestigac iones recientes indican que el 1,6-bisfosfato de glucosa desempeila una funcibn semejante
en algunos tejidos extraheplticos.
SANGU~NEASE REGULA
DENTRO DE L~MITES
MUY ESTRECHOS
Después de la absorción, la concentración dc glucosa
sanguínea en el ser humano y muchos mamíferos se
encuentra dentro de los límites de 4.5 a 5.5 mmollL.
Cuando se ingiere una comida rica en carbohidratos,
puede elevarse a 6.5 a 7.2. Durante el ayuno, los
valores bajan entre 3.3 y 3.9. La glucosa sanguinea en
ares es bastante mayor (14.0 rnrnollL) y en rumiantes
considerablemente menor (alrededor de 2.2 mmollL
en ovejas y 3.3 en el ganado vacuno). Al parecer estos
valores bajos se relacionan con el hecho de que los
rumiantes fermentan casi la totalidad del carbohidrato
de los alimentos a hcidos grasos de cadena corta
(volátiles) y estos reemplazan en gran parte a la glucosa como combuctible metabolico principal de los
tejidos en estado de suficiencia de nutrientes.
Una disminución repentina de glucosa sanguínea
causa ~onvulsiones,como en una sobredosis de insulina, debido a la dependencia inmediata del cerebro
de! suministro de glucosa. No obstante, si se permite
una adaptación progresiva es posible tolerar concentraciones sanguínea mucho menores de glucosa; por
ejemplo, r a t a adaptadas a dietas ricas en grasas parecen normales con una concentración sanguinea de
glucosa tan baja como 1.1 mmol/L.
LA GLUCOSA SANGU~NEA
DERIVA DE ALIMENTACI~N,
GLUCONEOGENESIS
Y GLUCOGENOL~SIS
La mayor parte de los carbohidratos digeribles de la
alimentación en última instancia forman glucosa. t o s
carbohidmtos dietéticos que se digieren en forma activa contienen residuos de glucosa, galactosa y fnictosa
que se liberan en el intestino. Éstas se transportan al
higado por la vena portal. La galactosa y fnictosa se
convierten con facilidad a glucosa en el higado
(capitulo 22).
La glucosa se forma a partir de compuestos glucogénicos su,jetos a gluconeogcnesis (figuras 1 8 4 y
21-1). Estos compuestos se agrupan en dos caxegorias: 1) los que tienen conversión neta directa a
glucosa sin reciclamiento significativo, como algunos
aminoácidos y propionato; y 2) aquellos que son
productos del metabolismo parcial de lo glucosa en
ciertos tejidos y se llevan a hígado y riflbn, donde se
sintetizan de nuevo a glucosa. Asi, el lactato, formado
por oxidacibn de glucosa en músculo esquelktico y
eritrociios, se transporta al hígado y riflón para regenerar la glucosa, que está de nuevo disponible para
oxidación en los tejidos. Este proceso se conoce como
cicln de Cori o del heido Ihctico (figura 2 1 4 ) . El
3-fosfato de glicerol para la síntesis de triacilgliceroles en el tejido adiposo deriva de la glucosa
sanguinea. Estos aciIgliceroles experimentan
hidrólisis en forma continua para formarglicerof libre.
que no puede utilizarse por el tejido adiposo y por
tanto, difunde a la sangre y sc convierte de nuevo a
glucosa por mecanismos gluconeogenéticos en
hígado y rifion (figura 71 -1 j.
De los aminoácidos tmnsnortadosdesde el músculo
al higado durante inanición, predomina la alanina.
Esto tia conducido a la hipótesis de un ciclo glucosaalanina, como se muestra en la figura 2 1 4 , qiie tiene
e1 efecto de un ciclado de glucosa desde hígado al
musculo, con fonnaciiin de pinivato, seguida por transam inacihn a alan ina; luego, esta es llevada al h igado y
sigue gluconeogénesfc de rcgreso a glucosa. Ocurre una
transferencia neta de nitrógeno de amina del rnúsculo al
higado y de energia libre del higado al músculo. La
energia requerida para la síntesis hepática de glucosa
a partir de piruvato deriva de la oxidacion de ácidos
grasos.
La glucosa tambien se genera a partir del
gluchgeno hephtico por glucogenolisis (capitulo 20).
Mecanismos metabólicos y hormonales
regulan la concentración sanguínea
de glucosa
La conservación de valores estables de glucosa en la
sangre es uno de los mecanismos homeostá~icosregulado con mayor precisibn y en el10 toman parte el
hígado, tejidos extrahepáticos y varias hormonas. Al
parecer, las celulas hepaticas son totalmente per-
Figura 2 1 4 . Ciclo del ácido lactico (Cori) y ciclo de la glucosa-alanina,
Gliaconeogéne~z.~
-v control de la ~Iucosusanguíneu * 211
meables a glucosa (vía el transportador GLUT 2) en
tanto las células de los tcjidos extrahepfiticos (excepto
los islotes pancreiiticos) son relativamente impermeables. Debido a esto, el paso a traves de la membrana
celular es la Iimitante de la veIocidad en la absorción
de glucosa en tejidos cxtrahepáticos y la glucosa se
fosfotila con rapidez por acción dc una hexocinaca al
entrar a la célula. Por otro lado. es probable que la
actividad de ciertas enzimas y la concentracibn de
intermedios clave ejerzan un efecto mucho más direcm sobre la captación y salida de gliicosadel hígado. No
obstante, la concentracidn de glucosa en sangre es un
factor importante en el control del indice de absorcibn
tanto en hígado como cn tejidos extrahepáticos.
Ida funciiin de varias proteínas transporíadoras de
glucosa que se encuentran en la membrana celular,
cada 1 con 12 dominios transmembrana, se muestran
en cl cuadro 2 1-2.
La glucocinasa es importante
en la regulación de la glucosa
sanguínea posprandial
Debe recordarse que la hexocinasa se inhibe por glucosa
6-fosfato, de modo que es posible ejercer cierto control por retroal imentaci6n en la absorción de glucosa
por tqjidos extrahepáticos dependientes de hexocinasa mediante la fosforilacihn de glucosa. El higado
no esta sujeto a esta restriccion debido a que la glucocinasa no se altera con el 6-fosfato de glucosa, La
glucocinasa, que tiene una Km (menos afinidad) mas
elevada para la glucosa que la hexocinasa. aumenta su
actividad con concentraciones de glucosa por arriba
de los límites fisiol6gicos (figura 2 1-5) y al parecer,
se ocupa de manera específica de la captacion de
glucosa en el hígado bajo las elevadas concentracio-
.
nes encontradas en la vena portal después de una
comida rica en carbohidraios. Su ausencia en los
rumiantes, en donde entra poca glucosa a la vena porta
procedente del intestino, es compatible con esta función.
En concentraciones sanguineas nonnales de glucosa (4.5 a 5.5 rnmol:L) el hígado se comporta como
un productor neto de glucosa. Sin embargo, cuando la
glucosa se eleva, la excreción hepatica de glucosa
cesa, de modo que a valores altos hay una captación
ncta de glucosa. Se calcula que en la rata. los índices
de absorción y los de excrecihn son iguales a la
concentracion de glucosa en Ea sangre de la vena porta
esto es, X.3 rnmol/L.
La insulina tiene una función central en
Ea regulación de la glucosa sanguínea
Adernis de los efectos directos de la hiperglucemia
para amplificar la captación de glucosa en hígado y
tejidos perifericos, la honiiona insulina interviene de
manera critica en la regulacion de los valorcs sanguíneos de glucosa. Esta hormona se sintetiza en las
~Clulas13 de los islotes de Langerhansen el páncreas como
una respuesta directa a la hipergiucemia. ],a célula del
islote es permeablc a la gliicosa por la via del transportador GLUT 2 y se fosforila por tina glucocinasa de
una Kmalta. Asi la concentración dc glucosa sanguinea
determina el flujo por medio de la gluc6lisis, el ciclo del
ácido cítrico y la generación de A'I'P. El aumento en
las concentraciones de IZTP inhibe los canales de K'
sensibles al ATP lo que da lugar a despolarizacion de
la membrana de la célula B; esto, a su vez, incrementa
el influjo de Ca" por la vía de canales de Ca2' sensibles
al voltaje y estimula la exocitosis de insulina. Es de
remarcarse que los medicamentos de Ia sulfonilurea
que se utilizan para estimular la secrecidn de insulina
en la diabetes sacarina de tipo 11 (diabetes sacarina no
Cuadro 21-2. Transportadores de ~lucosa
-
. . - ..
-.
..--.
.
.
l l bitación tisula
--
--
'ransportadotes hidlreccionaleS facilitadi~ r e s
Y
Fu nciiincs
--
.-
-A+-
Cerebro. riilon, colon. placenta.-eritrociin
.
itacibn de 1
;
t-ligado. céluln B pancrcitica, intestino del gatlo, cal
rifiún
Ccrcbro,
I
"
- . .
GLVLJ
Miisculoscardiaco
y esquelktico, tejido ad iposo Cal
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"
--
l. Intestino
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ir insulina
-Imln.irln
LC,~L,UW
Transportadores unidireccionalesdepcnd
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1
itacihn nctiiva de gluc
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..-A
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LICIII ut.~ I L I C ~ I ' CII
~ U CI IUUUIU p~11,\1nial renal contra el gradiente dc conccntraciún
,,,,,,,,
-
.- .. .,,,,,,.,..,,,,,,, , , ,
Vmai
100
Hexocinasa
endógeno (e insulina) se depura de la circulación por
el hígado. Al c o n m i o de la adrenalina, el glucagón no
tiene efecto sobre la fosforilasa muscular. También
incrementa la glriconeogénesis a partir de aminolcidos
y lactato. La glucogen0lisis y gluconeogénesis
hepática contribuyen al tfccto hipergluccmiante del
glucagón, cuyas acciones se oponen a las de la insulina.
Otras hormonas inftuencian
la glucosa sanguínea
Glumsa sanguinea {mmolfL)
Figura 2 1 4 . Variacibn de la actividad fosforilantede glucosa
de hexocinasa y glucocinasa con incremento de la concentración sanguinea de glucosa La K, para la glucosa de la
hexounasa es de O 05 mmollL y de la glucocinasa es de 10
mrnollL.
insulinoclependiente; QSNID), actuan asi al inhibir
los canales de K' sensibles al ATP. De esta manera la
concentración de insulina en sangre va en paralelo con
la glucosa sanguinea y sil administración conduce con rapidez a hipoglucemia. Otras susrancias que provocan la
liberacibn dde insulina incluyen aminohcidos, ticidos
grasos libres, cuerpos cetlinicos, glucagbn, secretina
y el fármacoto!butarnida. Laadrenalina y la noradrcnalina
bloquean la secreci~nde insulina. La insulina tiene un
efecto inmediato de incremento en la captación de
glucosa en tejidos como el adiposo y el músculo. Esta
accirin se debe a una aceleración en el transporte de
glucosa através de la membranacelular por reclutamiento
de transportadores de glucosa (GLUT4) desde el interior de la cdlula a la membrana plasrnática. Por el
contrario, no hay efecto directo de la insulina sobre ta
penetración de glucosa a células hephticas, estos hallazgos concuerdan con el hecho de que el metabolismo
de glucosa en higado no es16 limitado en velocidad por
su permeabilidad a la glucosa. No obstante, la insulina
incrementa de manera indirecta la captacion hepática
a largo plazo de glucosa como resultado de sus acciones
sobre la sintesic de las enzirnas que controlan la
glucólisis, la gtucogénesis y la gluconeog~nesis.La insulina tiene un efecto inmediato al activar la glucógeno
sintasa (capítulo 20).
El glucagón se opone a las acciones
de la insufina
El glucagón es la hormona producida por las células
A de los islotes de Langerhans del pancreas. La hipoglucemia estimula su secrecion. Cuando alcanza al
higado (por la vena porta), causa glucogenolisis por
activacion de la fosforilasa. La mayor parte del g l u q ó n
La hip6fisis anterior secreta hormonas que tienden a
elevar la glucosa san~uineay, por tanto. antagonizan
la acción de insulina. Estas son hormonadel crecimiento.
ACTH (corticotropina) y qui& otros principios "diabetogenos". La hipoglucemia estimula la secrecidn de
hormona del crecimiento. Esta hormona reduce la
captacion de glucosa en ciertos tejidos, por ejemplo.
muscular. Es probable que parte de este efecto no sea
directo, ya que moviliza acidoc &rasos libres del tejido
adiposo que por si mismos inhihen la uti li7ación de la
glucosa. La administración crhnica de hormona del
crecimiento conduce a diabetes. Al causar hiperglucemia estimula la secrecihn de insulina y origina, por
ultimo, agotamiento de las células B.
Los glucocorticoides (1 1-oxiestcroidcs) se secretan en la corteza suprarrenal y lienen importancia en
el metabolismo de carbohidratos. La administración
de estos esteroides Encrementa la gluconeogénesis.
Esto es consecuencia del catabolismo proteínico tisular
excesivo, del incremento en la absorcion hepática de
arninoacidos y del aumento de la actividad de aminotransferasas y otras enzimas que inservienen en la
gluconeogénesis hepática. Además, los glucocorticoides inhiben la utilizaci6n de glucoca en los tejidos
extraheptiticos. En todas estas actividades, los glucocorticoides actúan como antagonistas de la insulina.
Idaad rerralina, secretada por la mddula suprarrenal
como~sultndode estímulos intensos (temor, excitaciún,
hemorragia, hipoxia, hipoglucemia, etcdtera), origina
glucogenolisis hepática y muscular debido a activación
de la fosforilasa. En el músculo, por ausencia de
accihn de la glucosa-6-focfatasa, sobreviene glucogenolisis con formacibn de lactato, en tanto que en el
hígado, la glucosa es el producto principal con elevacidn
concomitante de la glucemia.
La hormona tiroidea tambitn d c b r á considerase
aquí por su efecto modificador de la glucosa sanguínea. Se tienen datos experimentales de que la tiroxina
tiene accibn diabetógena y que la tiroidectomia inhibe
el desarrollo de diabetes. También se observa que en
animales tirotbxicos no existe glucbgeno hepático. En el
ser humano, la glitcosa sanguinea en ayunas esth
elevada en pacientes hipertiroideos y es baja en hipotiroideos. Sin embargo, al parecer las personas hipertiroideas utili7an la glucosa a una velocidad nomal o
;Iiiconeogkne.~isy control de la glucossa sanguinea 8 243
mayor, en tanto 10shipotiroideos muestran disminucidn
en su capacidad para utilizar glucosa. Además. estos
iiltfmos son mucho menos sensibles a la insulina que
las personas normales o hipertiroideas.
ASPECTOS CL~NICOSADICIONALES
Cuando el umbral renal para glucosa
se excede se presenta glucosuria
Cuando la glucosa sanguínea se eleva a valores relativamente altos, e! riñon también ejerce un efecto
regulador. La glucosa se filtra de manera continua en
los glomemlos pero, de ordinario, retorna en su totalidad
a la sangre por el sistema de resorción de los tubulos
renales. La resorción de glucosa contra su gradiente
de concentración se enlaza con el suministro de ATP
en las celulas tubulares. La capacidad del sistema
tubular para resorber glucosa se limita a una velocidad
de alrededor de 350 mg/minuto. Cuando la concentracion
sanguínea de glucosa aumenta, el filtrado glomerular
puede contener mis glucosa de la que logra resorber;
el exceso pasa a la orina para generar glucosuria. En
personas nomales, se produce glucosuria cuando la
concentración de glucosa en sangre venosa excede de
9.5 a 10.0 mmol/L. Esto se conoce como umbral renal
para la glucosa.
En anirnaIes de laboratorio puede producirse glucosuria con florhicina, que inhibe al sistema de resorci6n de la glucosa en el túbulo. Esto se conoce como
glucosuria renal. La glucosuria de origen renal puede
deberse a defeoos renales hereditarios o es posible
adquirirla por procesos patolbgicos. Con frecuencia,
la presencia de glucosuria es indicador de diabetes
sacarina.
La hipoglucemia se puede presentar
durante el embarazo y en el neonate
Durante el embarazo aumenta el consumo de glucosa
por el feto y existe riesgo de hipoglucemia materna
y posiblemente fetal, en particular si hay un intervalo
largo entre las comidas o durante 3a noche. Aderniis,
los niños prematuros o de bajo peso al nacer son mas
susceptibles a la hipoglucemia toda vez que tienen
escaso te-jidoadiposo para generar combustibles alternativos como son los ácidos gasos libres o los cuerpos
cetónicos durante la tmnsicih del estado de dependencia
fetal al de la vida independiente. Las enzimas dc la
gluconeogénesis pueden no estar compl~tamentefuncionales en tal momento y el proceso depende del
suministro de Acidoc grasos libres para la energía. El
glicerol, que podría liberarse a partir del tejido
adiposo. se encuentra menos disponible para glucaneoginesis.
La capacidad del cuerpo para utilizar
glucosa puede investigarse por
medición de su tolerancia a la glucosa
La tolerancia a la glucosa se indica por la naturaleza
de la curva de glucosa en sangre después dc la administraci6n de una dosis de prueba de este azúcar (figura
2 1 4 ) . La diabetes sacarina (tipo 1, o diabetes sa-
La deficiencia de
fructcisa-1,6-bisfosfatasa causa
lactacidosis e hipoglucemia
El bloqueo de la glucogenog&nesispor deficiencia de
esta enzima impide que el lactato y otras sustancias
glucogenicas se transformen a glucosa en el hígado.
El trastorno puede controlarse con dietas ricas en
carbohidratos que contengan cantidad escasa de fnictosa así como sacarosa y evitando el ayuno.
El deterioro de la oxidación de ácidos
grasos produce hipoglucemia
Varios trastornos en los que la oxidacidn de los Bcidos
grasos es deficiente se caracterizan por hipogliicemia.
Esto se debe a la dependencia de la gluconeogénesis
de una oxidacihn activa de estos ácidos (véase antes).
Estos trastornos se describen en el capitulo 24.
Tiempo (hora)
Figura 2 1 4 . Prueba d e tolerancia a la glucosa. Curvas de
la glucosa sanguínea de una persona nomal y de un dtabbtico después de administracibn oral de 50 g de glucosa
Nbtece la elevacdn inicial de la concentracidn en el diabetico
El criterio de normalidad es que la curva regrese a su valor
inicial en dos horas.
carina insulinodependiente, DSID) se caracteriza por
disminución de la tolerancia a la glucosa debida a
secreción insuficiente de insulina en respuesta a una
carga de glucosa, Esto se manifiesta por concentraciones
altas de glucosa sanguínea (hiperglucemia) y glucosuria
y puede acompañarse con cambios en el metabolisino de
lipidos. La tolerancia a la glucosa declina no sólo cn
diabetes tipo 1 sino tambien en estados donde el
higado se Icsiona; en algunas infecciones; en diabetes
sac'uina tipo 11 (diabetes sacarina no insulinodependiente,
DSNID), que se acompaiia con obesidad y valores
elevados de ácidos gasos plasmaticos; bajo la influencia
de algunos fámacos y en ocasiones en aterosclerosis.
TambiCn, cabe esperar que ocurra en preseiicia de
hiperactividad de la hiphfisis o la corteza suprarrenal,
debido al antagonismo de las hormonas de esta glándulas
endocrinas a la acción de la insulina.
La insulina incrementa la tolerancia a glucosa. La
inyección de insulina reduce el contenido de glucosa
en sangre e incrementa su utilización y su almacenaje en
hígado y musci~locomo glucógeno. Un exceso de
insulina puede causar hipoglucernia grave, quc prosigue
a convulsiones e inclusive muertc a menos que se administre glucosa con prontitud. En insuficiencia
hipofisaria o suprarrenal se observa un incremento de
tolerancia a la glucoca, atribuible a una reduccidn en el
antagonismo normal a insulinapor parte de 1% hormonas
que estas glindulas sccretan de manera normal.
RESUMEN
1) [,a gluconeogénesis es el mecanismo que convierte
compuestos no carbohidratos a glucosa o glucdgeno.
Suministra glucosa al cuerpo cuando no dispone de
carbohidratos dietéticos. Los sustratos importantes
son aminohcidos glucogénicos, lactato, glicerol y
propionato.
2) La vía de gluconeogenesis,que tiene lugar en el hígado
y riñón, utiliza las reacciones de la glucólisis que
son reversibles, mas cuatro reacciones adicionales
que evitan las reacciones irreversibles de no equilibrio.
Las enzimas que catalizan las reacciones adicionales
son: piruvato carboxilasa, fosfoenolpiruvato carboxicinasa, fructuosa- l,6-bisfosfatasa y glucosati-forfatasa.
3) El lactato forma piruvato, que entra a la mitocondria
por carboxilación a oxalacctata, antes de su conversión a fosfoenolpiruvato seguida por biosíntesis
de glucosa en el citosol.
4) Dado que gluc6lisis y gluconeogenesis comparten la
misma vía pero operan en direcciones opuestas, sus
actividades deben regiilme de rnariera recíproca, Esto
sc logra por medio de tres mecanismos principales:
1 ) induccilin o represión de la síntesis enzimática.
2) modificaci6n mvalentc por rosforilacibn reversible
y 3) efectos aloctéricor.
5) La cilula hcpatica, qiie es permeable a glucosa,
constituye el medio principal de regulación de la concentración sanguínea de glucosa debido a que contiene
la glucocinasa dc Km alta que se adapta especificarnente a la disposición dc la glucosa ingerida. La
insulina, que se secreta en respuesta directa a hiperglucemia, colabora con el hígado para el almacenaje
de glucosa corno glucógeno y facilita la captacihn de
glucosa en tejidos extrahepáticos. Por el contrario,
el glucagbn se secreta en respuesta a hipoglucemia y
activa la fosforilasa en el hígado, que desencadena
glucogenólisis y liberacibn dc glucosa a la sangre.
6) Las enzirnas defectuosas de la vía de gluconeoginesis conducen a hipoglucemia y lactacidosis. El
bloqueo de la oxidación de ácidos grasos es causa
adicional del deterioro de la gluconeogenesis y de
hipoglucernia.
7 ) Una deficiencia en la secreción de insulina conduce a diabetes sacarina tipo 1..
REFERENCIAS
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Vía de la pentosa fosfato y otras vías
eel rnetaboAismo de hexosas
Pefer A. Mayes, PhD, DSc
El ciclo d t la pentosa fosfato no genera A V , pero
tiene dos funciones importantes: 1) La generacibn de
NADPFI para la síntesis reductivas como la biosintesis de ácidos grasos y esteroides y 2) la fortnaci6n
(provisirin) de ribosa para la biosintesis de nucle6tidos y de acidos nucleicos.
La glucosa. fnictosa y galactosa son por su cantidad las hexosas más importantes que se absorben por
las vías gastrointestinales. Derivan respectivamente
del n l m i d ~ n ,sacarosa y lactosa dieteticos. Se han
desarrollado vías especializadas en el cuerpo, en especial el hígado, para convertir fmctosa y galactosa a
glucosa.
Las principales rutas metabblicac para la utilización
de la glucosa son la glucólisis y la via de la pentosa
fosfato. Las deficiencias de ciertas enzimas de la vía
de pentosa fosfato son la causa principal de hemólisis,
que conduce a un tipo de anemia hemolítica. La
principal enzima afectada es la glucosa-6-fosfato
deshidrogenasa. Cerca de 100 millones de personas
en el mundo pueden tener valores bajos de esta
enzima, determinados gedticamente.
Las principales vías metabhlicas para la utilización de glucosa son Ia gluc6lisis y el ciclo de la
pentosa fosfa~o.De mayor significado, pero de importancia cuantitativa menor para la excreci6n de metabolitos
y compuestos quim icos extraaos (xenobi 6ticos) como
glucurbnidos, es la elaboracibn de acido glucurbnico
por la vía del acido urtínico a partir de glucosa. Una
deficiencia en esta vía conduce a un estado conocido
como pentosuria esencia1. La ausencia total de iina
enzima particular de la via en todos los primatec
explica el hecho de que en la alimentaci~nhumana se
requiere hcido ascbrbica (vitamina C), no asi en la
mayor parte de otros mamíferos. Deficiencias en enzimas
del metabolismo de fructosa y galactosa causan enfermedades metabólicas como fructosuria esencial y
gal~ctosemias.La fnictosa se usa para alimentación
parenteral, pero en concentracibn elevada puede
causar deplccibn de nucleótidos de adenina en el
higado y necrosis hepática.
LA V ~ ADE LA PENTOSA FOSFATO
GENERA NADPH Y RIBOSA FOSFATO
(Figura 22-1)
La vía de la pentosa fosfato (derivado de la hexosa
monofosfato) es un camino alterno para la oxidacibn
de la glucosa. Es un proceso multiciclico en el ciial
tres mo!éculas de glucosa-6-fosfato dan origen a tres
moléculas de COzy a tres residuos de cinco carbonos.
Estos últimos se ordenan para regenerar dos moléculas
de glucosa-6-fosfato y una del intermedio glucolítico
glicemldehido 3-focfato. Dado que dos moldculas del gliceraldehido 3-fosfato regeneran a la glucosa- 6-fosfato de la vía puede efectuar la oxidacion completa de
la glucosa.
Gliceraldehido 3-fosfato + GNADPH + 6H'
246
(Cupitulo 22)
Bioyuimicu dc Hurper
6-Fosfato de glucosa
6-Fosfato de glucosa
NADP*+ H20
DESHIDROGENASA
NADPH +
NADP'+ HIO
NADP'+ H10
NADPH + Hf
Ht
6-FOSf0-
o-F0SfOgluconato
gluconato
Cb
6-Fosfato de glucosa
P
* ;_
6~
NADPH + Hr
NADPH t H'
-
Ribulosa 5-fosfato
Xilulosa 5-fosfato
NADPH + H*
caz
Ribulosa 5-fosfalo
- - Ribulosa 5-fosfato
Ribosa 5-fosfato
- --
Xilulosa 5-fosfalo
Slniesls de
nuckalidos,
ANA, DNA
Gliceraldehido 3-fosfato
Cedoheptulosa 7-Iosfato
TRANSACDOMSA
FructOSa 6-fosíato
1
Eritrosa 4-fosfato
C b '*,
6-Fosfato de glucosa
Gliceraldehído 3-fosfato
112 Fructosa 6-fosfato
4
112 Fructosa 6-fosfato
C6
Glucosa 6-losfato
~Glucosa-6-fosfato
C*
c,
'
'11 6-Fosfato de glucosa
c,
Figura 22-7. Diagrama de flujo de la via de la pentosa fosfato y sus conexiones con la vía de la gluc6lisis. Como se indica,
la via completa consiste en tras ciclos intermneciados donde la glucosa-6-fosfato es tanto sustrato como producto final Las
reacciones arriba de la línea punteada son irreversibles, en tanta que las inferiores con reversibles.
LAS REACCIONES EN LA V ~ A
PENTOSA FOSFATO SE
DESARROLLA EN EL CITOSOL
Las enzirnas de la via de la pentosa fosfato como en la
gluciilisis se encuentran en el citosol. Como en ella,
la oxidación se logra por deshidrogenacibn; pero en
el caso de la vía pentosa fosfato. se usa NADP' y no
NAD' como aceptor de hidrógeno.
Idasecuencia de reacciones de la vía puede dividirse
en dos fases: una fase irreversible oxidativa y una
fase reversible no oxidativa. En la primera, la glucow6-fosfaío experimenta deshidrogenación y descarboxilación para dar una pentosa, rihulosa-S-fosfato. En la
segunda fase, la ribulosa-5-fosfato se convierte nuevamente a glucosa-6-fosfato por una serie de reacciones
en las que intervienen principalmente dos enzimas: la
transcetolasa y la transaldolasa (figura 72-11.
La fase oxidativa genera UADPH
(figuras 22-1 y 22-2)
La deshidrogenacibn de la glucosa-6-fosfato a ó-fosfogluconato se efectúa por la via de la formación de
6-fosfogluconolactona, reacción catalizada por la
glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, una enzima dependiente del NADP. La hidr~lisisde la 6-fosfogluconolactona se logra por la accibn de la enzima
gluconolactona hidrolasa. Un segundo paso oxidativo es catalizado por la 6-fosfogluconato deshidrogenasa, la cual tambikn requiere NADP' como
aceptor de hidrbgeno. Sigue la descarboxilación con
la formación de la cetopentosa ribulosa-5-fosfato. La
reacción probablemente se efectúa en dos pasos a
través del intermedio 3-ceto-6-fosfogluconato.
La fase no oxidativa genera
precursores de riboca
La ribulosa 5-fasfato sirve ahora como sustrato para
dos enzimas diferentes. La ribiilosa-Sfosfato 3-epimerasa altera la configuraci6n alrededor del carbono
3 , formando el epimero xilulosa-5-fosfato. que es otra
cetopentosa. La ribosa 5-iosfato cetoisomerasa convierte el 5-fosfato de ribulosa a la aldopentoca correspondiente, esto es, el 5-fosfato de ribosa. mismo que es
el precursor de los residuos d e ribosa que se requieren
en la sintesis de nucleótido y ácido nucleico.
La transcetotasa transfiere la unidad de dos carbonos, que contiene los carbonos 1 y 2 de una cetosa, al
carbono aldehidico de una aldosa. Por tanto, efecnía
la conversidn de una cetosa en una aldosa con dos
carbonos menos y simultáneamente convierte una
aldosa en una cetoca con dos carbonos más. La reacción requiere una vitamina B. tiamina, como la
coenzima difosfato de tiarnina, además de iones Mf. El
fragmento de dos carbonos transferido es probablemente el glucolaldehido enlazado al difosfato de
tiarnina, es decir, el "glucolaldehido activo". La transcetolasa catali7a la transferencia de la unidad de dos
carbonos de la xilulosa-5-fosfato a la ribosa-5-focfato,
aroduciendo la cetosa de siete carbonos sedoheatulosa5-fosfato y la aldoca gliceraldehído 3-fosfatg. Estos
dos productos entran luego en otra reacción conocida
como transaldolación. La transaldnlasa permite la
transferencia de un grupo de tres carbonos, "la dihidroxiacetona activa" (carbonos I al 3) de la cetosa
sedoheptulosa-7-fosfato a la aldosa gliceraldehldo 3fosfato para formar la cetosa fnictosa-6-fosfato y la
aldosa de ciiatrci carbonos eritrosa-4-tbsfato.
Una reacción posterior se efecíwa implicando otra
vez a la transcetolasa, en la cual la xilulosa-5-fosfato
sirve como donador del "glucolaldehido activo". En
este caso, la eritrosa-4-fosfato, formada antes, actua
coino aceptor y los productos de Ia reacción son
fruct~sa-6-&fato y gliceraldehído-3-fosfato.
Con el fin de oxidar a la glucosa completamente
hasta CO? por la via de la p.entosa fosfato, es necesario
que las enzimas esten presentes en el tejido para convertir el glicemldehido-3-fosfato en glucosa-6-fosfato. Esto
implica que trabajan en sentido inverso las entimas de
la vía d e glucólisis, ademas de la enzima gluconeogenicq fructosa-1 ,&bisfosfatasa. En ausencia
de esta enzima, el 3-fosfato de gliceraldehido sigue la
vía normal de la glucólisis a pimvata.
Las dos vías principales
para el catabolisrno de glucosa
tienen poco en común
Aunque algunos metabolitosson comunes, por ejemplo,
glucosa 6-fosfato, la ria de pentosa fosfatos es notablemente diferente de la glucolisis. En las primeras
reacciones, que utilizan NADP en lugar de NAD, hay
oxidacibn y COZes un producto caracterlstico, lo que
no ocurre en toda la glucblisis. En la vía de pentosa
fosfato no se genera ATP, en cambio esa es una funcibn
principal de glucólisis. Los fosfatos de ribosa son el principal producto de la vía de la pentosa fosfato, pero no
de la glucólisis.
En los tejidos especializados
para síntesis reductivas se generan
equivalentes reductores
La valoracibn de la actividad de la vía de la pentosa
fosfato en varios tejidos indica su importancia metab6lica. Es activa en hígado, tejido adiposo, corteza
suprarrenal, tiroides, eritrocitos, testículos y glandulas mamarias en lactancia. No lo es en las glhndulas
mamariaq si no hay lactancia y su actividad es baja en
el m ~ s c u l oesquelktico. Todos los tejidos que tienen
actividad de la vía utilizan NADPH en síntesis reductoras, por ejemplo, la síntesis de hcidos grasos,
esteroides, aminohcidos por la ruta de la glutamato
deshidrogenasa o glutatión reducido en los eritrocitos.
Bioauimica de Harner
248
HO
- C.-
H
NADPt
(Canírulo 221
NADPH + H
'
HO-C-H
.
i)
~ - i - o H
1
c
l
H9
0
I
H-C
rdg2+
or cap'
p
- OH
I
HO-C-H
'\
79
-
HIt-OH
DESHIDROGENASA
H- C
-
~ g ?:n2:
or
100I
H-C-OH
I
HO-C-H
I
H-C-oH
I
HIDROLASA
H-C-OH
~H?-O-@
6-Fosfogluconato
1
NADP'
[ !r:H ]m
-
NADPt+ H'
CH,OH
l
CI = O
H-C-OH
'd-C-OH
I
H-6-OH
I
CH,-O-@
H-C-OH
CH,-O-@
Forma enediol
3-Ceto-6-fost~luwnato
Ribulosa 5-fosfato
3-EPIMERASA
.................
'fH20H
'GH,DH
1
'G
H-C-OH
E
H-C-OH
H3C-OH
I
*cH,-O-@
1
H-C-OH
I
CH,-O-@
Xriuiosa 5-tosfato
Seudoheptulasa 7-fosfato
Rtbosa 5-fosfato
ATL4
Tiamina-
AMP
M
~
@,
~
...............
H"C=O
l
H'G-OH
1
+
m
FH,
-O
I
H-C=O
-@
H-C-OH
I
I
PRPP
H-C-OH
I
CH,-O-@
ZS
1 -
I
/
- OH
H -*c - OH
!
*GH2 - 0 -@
Fructosa 6-fosfato
HO-c-H
*c=o
1
HO
H -"
-
-
'CH,OH
l
I
;
*c=o
I
t
IL .
H..
O..
-.
C.- H
TRANSALDOMSA
O
TH,M ,
I
*m,-O-B
Gliceraldehido 3-fosfato
H - GI
I
;
I
t
I8 H.
O
- C -.
H
+...
.......I'
I
H03C-H
I
I
H-C-OH
i
*C=O
j
=O
-G -H
~iamrna-@,
~ g ~
1
H-G-OH
Xilulosa 5-fusfato
'
H-C=O
I
H-C-OH
Gliceraldehido 3-fosfato
Figura 22-2. Via de la pentosa fesfato. (@,
I
H-C-OH
I
H-C-OH
I
CH,-O-@
Fructosa 6-fosfatu
PO^^-; PRPP, 5-focforribosi~-l-~irofocfato.)
Via de /u uentosu fosfato
Es probable que la presencia de lipogénesis activa o
de un sistema que utiliza NADPH estimule una degradación activa de la glucosa por la vía de la pentosa
rosfato. De este modo, se obtiene NADP' que normalmente es escaso debido a la naturaleza irreversible de
las primeras reacciones en la vía. Tantbién puede
inducirse la síntesis dc enzimas glucoca-6-fosfato
deshidrogenasa y 6-fosfogluconato deshidrogenasa
por la insulina durante circunstancias relacionadas
con el "estado nutricional" (cuadro 2 1-1).
En casi todos los tejidos es posible
la síntesis de ribosa
La vía de la pentosa fosfato proporciona ribosa para la
sintesis de nucleótidos y ácidos niicleicos (figura 22-2).
La fuente es el intermedio ribosa-5-fosfato que reacciona para formar PRPP, utilizado en la biosintesis de
nucleótidos (capitulo 36). El te-jidomuscular contiene
cantidades muy pequeiías de glucosa-6-fosfato
deshidrogenaa y 6-fosfogluconaro deshidrogenasa.
No o'bstante,el musculo esquelético como miichos otros
tejidos, es capaz de sintetizar ribosa 5-fosfato para la
síntesis de nucleótidos. Es probable que esto se lleve
a cabo por inversibn de la fase no oxidatíva de la vía
pcntosa fosfato utilizando la fructosa-6-fosfato. Por
tanto. no es necesario tener una via de pcntosa fosfato
funcionando completamente para que un tejido cintetice ribosa fosfatos.
La ribosa no ES un constituyente sanguíneo significativo de la circulacihn general. Por tanto, los
tejidos deben satisfacer su propio requerimiento de
este precursor importante de nucleótidos.
LA VIADE PENTOSA FOSFATO
COLABORA CON G L U T A T I ~ N
PEROXIDASA EN LA PROTECCIÓN
DE LOS ERITROCITOS CONTRA
HEM~LISIS
La via de la pentosa fosfato en el eritrocito proporciona
NADPH para la reducci6n del glutatitin oxidado a glutatión reducido catarizada por la glutation rcductasa,
y orrus vías dcl
mefaboltsmo de hexosns 218
una enzima flavoproteinica que contiene FAD. A su vez
el glutariiin reducido remueve M:O2 del eritrocito en
una reacción catalizadapor laglutation peroxidasa, una
enzima que contiene el oligoelemento, seleniri (figura
22-3 j. Esta reaccihn es importante, ya quc la aciimulación de HzOz puede reducir la duración de la vida
del eritrocito al incrementar la velocidad de oxidación
de la hemoglobina a metahernoglobina.
EL GLUCURONATO, UN PRECURSOR
DE PROTEOGLUCANOS Y DE
GLUCURONIDOS CONJUGADOS,
ES UN PRODUCTO DE LA VIA
DEL ÁCIDO URONICO
Aparte de las vias principales del metabolismo de la
gliicosa-6-fosfato que se han descrito, existe una vía
para la conversicin de glucosa en ácido glucurónico,acido
ascórhico y pentosas, conocida come la vía del ácido
uránico. Es tambibn una ruta oxidativa alterna para
la glucosa, pero al igual que la via pentosa fosfato, no
conduce a la generacibn de ATP. En la vía del acido
uronico, el acido glucuronico se forma ñ partir de la
glucosa por las reacciones que se muestran en la figura
2 2 4 . La glucosa-6-fosfato se convierte en glucosa-lfosfato, la cual reacciona entonces con el hifosfato de
uridina ( U n ) formando el nuclebtido activo, difosfato
de uridina y glucosa (UDPGlc}. Esta ultima reacción se
cataliza por la enzima UDPGlc pirnfosforilasa. Todos estos pasos hasta aqui son los mismos señalados
anteriormente en la vía de Ia glucogénesis hepática
(capitulo 20). El UDPGlc se oxida en el carbono 6 por
una operaci~nen dos pasos para convertirlo en acido
glucurbnico. El producto de la oxidacihn, catatizada
por una enzima dependiente del NAD, la UDPGlc
deshidmgenasa, es por tanto UDP-glucuronato.
El UDP-glucuronato es la forma "activa" del
glucuronato para las reacciones que implican la incorporacibn de Bcido glucurónico a los proteoglucanor o
para las reacciones en las cuales el glucumnato se
conjuga con siistratos como las hormonas esteroides,
ciertos medicamentos o la bilirrubina (figura 34-1 3).
FOSFATO DE
-PENTOSA
PEROXIDASA
NADP*
2G-SH
Figura 22-3. Funcrbn de la via de la pentosa fosfato en la reaccibn catalizada por glutatibn peroxidasa de los eritrocitos.
(G-S-S-G,
glutatión oxidado; G-SH, glutatibn, Se, cofactor de celenro )
Bioquirnica de Harper
250
{Capitrrln 22)
H:c-o-QMUTPGA
1
H-C-OH
H-C-OH
-
1
o- - -
1
H-C-OW
UTP
u
PP,
CH,OH
1
-
Gluwsa 1 -fosfato
/
2NADf 2NADH
CH.OH
+
Undindifosfatoglucosa (UDPGlc)
2H*
/
{-O
O
Uridindfosfato
glucuronato
GLUCUR~NIDOS H,O
Pfokoglucanas
UDP
n
7-0
NADH + H' NAO+
$ - O
~
~
q
-
0
~
~ - 5O 7
HO-5 - W
NADP' NAQPH + He
c=o
H - 5 -0H
HO-$ -H
m
'CH20H
L-Xilosa
H-7-OH
H-C-OH
HO-{ - H
3-Ceto-~~gulonatn
NADPH + Ht
PENTOSURIA
II
O
~Glucuronato
Oxalato
4
Glucolato
NAOP'
BLOQUEO EN LA
C-O
'CH,OH
L-Gulonato
Glucolaldehido
Gulonolactona
BLOQUEO EN
PRMATES Y COBAYOS
O'
f
Y
BLOQUEO EN EL
SER HUMANO
2-C~~PL-gulonolactona
wxiiosa 1-fosiato
-
?H,OH
t
'FHzDH
i
O
12Hl
HO-C-H
Xrlitol
HO-C-H
&CH,OH
aXiioca 5-fosfato
L-Aswrbato
" CH,OH
L-Deshtdroascorbato:
Via pentosa fosfato
Figum 22-4. Via del Bcido urbnico. (Indica el destino del carbono 1 de la glucosa, @
En una reacción dependiente del NADPH, el
glucuronato se reduce a L-gulonato. Este último compuesto es el precursor directo del ascorbato en aquellos
animales que son capaces de sintetizar esta vitamina.
En el ser humano y otros primates, así come en los
cobayoc, el hcido ascórbico no puede sintetizarse debido
a la ausencia de la enzima ~gulonolactonaoxidasa.
El gulonato se oxida a 3-ceto-L-gulonato que es
entonces descarboxilado para formar la pentosa t-xilulosa. La L-xilulosa se convierte en el D-isomero
mediante una reduccidn dependiente del NADPH que
la convierte en xilitol, el cual entonces se oxida en una
reaccion dependiente del NAD pasando a D-xilulosa;
este último compuesto, después de convertirse en
~xilulosa-5-fosfatose metaboliza posteriormente en la
vía pentosa fosfato.
PO^^-.)
LA INGESTIÓN DE CANTIDADES
MASIVAS DE FRUCTOSA TIENE
CONSECUENC~ASMETABOLICAS
PROFUNDAS
Las dietas abundantes en sacarosa o en jarabes de
fnictosa alta (HFS), que se utilizan en la elaboración
de alimentos y bebidas, conducen al ingreso en la vena
porta de grandes cantidades de fructosa (y glucosa).
La fmctosa se glucoliza por el hígado con mayor
rapidez que la glucosa. Esto se debe al hecho de que
no requiere el paso en e1 metabolismo de glucosa
catalizado por fosfofnictocinasa, que es donde se
ejerce el control sobre la velocidad del catabolismo de
glucosa (figura 22-5). Esto ocasiona que la fmctosa
Vio de la pen~osufo.rfato y
orrm vías de¡ metabolismo
de hexo.sas
25 J
Dieta
t
[FRUGTUOCIMASA\
BLOQUEO EN LA
FRUCTOSURlA ESENCIAL
AFP
FRUCTUOSA 1-P
Fructosa 1.6 bisfosfato
BLOQUEO EN INTOLERANCIA
HEREDITARIA A LA FRUCTOSA
OIH1DROXIACETONA FOSFATO
TRIQSA
1SOMEWSA
ATP
GLICERALDEH~DO3-FOSFATO 4
t
DGLICERALDEH~DO
pEEiÑzq
Figura 22-5, Metabolismo de la fructoca La aldolasa A se encuentra en todos los tejidos a excepción del higado, donde sblo
existe aldolasa B. (No se encuentra en el higado )
inunde Ias vías en el hígado causando incremento de la
síntesis de hcidos grasos, de Ia esterificacih de &os y
de la secreci6n de VLDL, que pueden elevar lo5
triacilgliceroles siricos y al fina! eleva las concentraciones de colesterol de LDL (figura 27-7). La cantidad
adicional de glucosa captada por el torrente sanguíneo
estimula Ia secrecibn de mhs insulina, que potencia
todos estos efectos.
Una cinasa especifica, la fructocinasa, se encuentra en el higado y efectúa la transferencia del
fosfato desde el ATP a la hctosa, formando h c t o s a 1-fosfato. Tarnbidn se ha demostrado en el riilon e
intestino. Esta enzima no fosforila a la glucosa y, a
diferencia de la glucocinasa, su actividad no se afecta
por el ayuw o por la insulina, lo que puede explicar por
qué la fructosa desaparece a una velocidad normal de
la sangre de los pacienres diabdticoc. La Km de la
enzima para la h c t o s a en el higado es muy baja, lo
cual indica una gran afinidad de la enzima por su
sustrato. Es probable que ésta sea la ruta principal para
la fosforilacion de la fi-uctosa.
La h c t o s a - 1 -fosfato se desdobla en D-glicesaldehida y fosfato de dihidroxiacetona por la aldolasa
B, enzima que se encuentra en el higado. La enzima
tambikn ataca a la fnictosa 1,6 bisfosfato. El D-gliceraldehido puede entrar en la serie de reacciones de la
252
Bioauim ica de H a r ~ e r
gluclilisis por medio de otra enzima presente en el
hígado, la triocinasa, la cual cataliza su fosforilación
a gliceraldehido 3-fosfato. Los dos triosafosfatos, el
fosfato de dihidroxiacetona y el gliceraldehido 3-fosfato, pueden degradar por la vía de la glucólisis o
comhinarsc por la influencia de la aldosa y convertirse
en glucosa. Lo último es el destino de mucha de In
fructosa metabolizada en el hígado.
La hexocinasa cataliza la fosforilacion de la mayon'a de los anícares hexosas, inclusive la fnictosa. Sin
embargo, en presencia de glucosa se inhibe en gran
medida la fosforilación de la fnictosrt. Mhs aún, es
probable que por esta vía parte de la fnictosa se pueda
metabolizar en tejido adiposo y rnusculo. La fnictosa
libre se encuentra en el plasma s ~ m i n ayl una cantidad
significativa se secreta hacia la circulación fetal en los
ungulados y ballenas donde se acumula en los líquidos
amniótico y alantoideo. En todas estas situaciones representa una fuente potencial de energía.
LA GALACTOSA ES NECESARIA
PARA LA S~NTESISDE LACTOSA,
GLUCOL¡PIDOS, PROTEOGLUCANOS
Y GCUCOPROTE~NAS
La galactosa proviene de la hidrblisis en el intestino
del disacarido lactosa, el anicar de la leche. En el
hígado se convierte facilmente en glucosa. La facultad
del hígado para llevar a cabo esta conversibn puede
usarse como un examen del funcionamiento hepático
en la prueba de tolerancia a la galactosa. La vía
mediante la cual la galactosa se convierte en glucosa se
muestm en la figura 2 2 4 . La galactosa se fosfwila mediante la galactocinasa usando ATP como donador
de fosfato. El producto galactosa- 1 -fosfato, reacciona
con el difosfato de uridina y glucosa (UDPGlc), para
formar cl difosfato de uridina y galactosa (UDPGal)
y glucosa- l -fosfato. En este paso, catalizado por una
enzima llamada galactosa-1-fosfato uridiltrans-
Galactosa
t
GalaCtOSa-l
I
7
UDPGlc?
BLOQUEO EN
GAIACTOSEML':
-1osfato
FOSFOGLUCOMCITASA
-
6-FOSFATASA
Glucosa-6-fosfato
B
UDPGlc
Glucosa
NAD'
-
Glucosa
UDPGal
Lactosa
6-Fosfato de giuwsa
-
Figura 22-6. Via de convercibn de A:
c 1-Fosfato de glucosa
Glucosa
Galactosa a glucosa en el hígado. B: Glucosa a galaciosa en la glandula mamaria
Yía de da pentosa fusfafo y otras vim del rnerubo/ismo de hexo.rus
ferasa, la galactosa se transporta a una posición en la
UDPGlc, reemplazando a la glucosa. La conversibn
de galactosa en glucosa tiene lugar en una reacción del
nucleótido que contiene galactosa catalizada por una
epimerasa. El producto es UDPGlc. La epimerización
probablemente implica una oxidacibn y reducción en el
carbono 4, con N AD como coenzima. Finalmente, la
glucosa se libera de la UDPGlc bajo la fonria de glucosa- 1-fosfato, probablemente desp~itsde !a incosporación al glucógeno seguida por fosforólisis.
Debido a que la reaccihn con epimema es reversible,
la glucosa pucde convertirse en galactosa, de modo
que la gaiactosa preformada no es esencial en la dieta.
La galactosa se necesita en el organismo no sólo para la
formacidn de laciosa, sino también como un constituyente de los glucolipidos (cerebrosidos), proteoglucanos y glucoprotcinas.
En la sintesis de lactosa en la glándula rnamaria,
la glucosa se convierte en UDPGal por las enzima
descritas anteriormente. La UDPGal se condensa con
la glucosa para dar lactosa catalizada por la factosa
sintasa (figura 2 2 4 ) .
La glucosa es precursor de todos
los aminoazúcares (hexosaminas)
Los aminoazúcares son componentes importantes de
las glucoproteinas (capítulo 56), de ciertos glucoesfingolipidos (por ejemplo, gangliósidos) (capítulo
16), y de glucosaminoglucanos (capihllo 57). Los
aminoazúcares principales son glucosamina, galactosamina y manosamina (todas éstas son hexosarninas)
y el compuesto de nueve carbonos hcido siilico. El
acido sihlico más importante que se encuentra en los
tejidos humanos es el ácido IV-acetilneurarnínico
(NeuAc). En la figura 22-7 se muestra un resumen de
las interrelaciones entre los aminoazúcares; las
siguientes son sus caracteristicas sobresalientes: 1) la
glucosamina es el aminoanicar principal. Se forma
como glucosamina 6-fosfato a partir de la fnictosa-6fosfato, utilizando a la glutamina como donador del
grupo amino; 2) los aminoazúcares aparecen principalmente en la forma N-acetilada. El donador del
radical acetilo es la acetil-COA; 3) la N-acetil manosarnina 6-fosfato se forma por epimerización de la
glucosamina 6-fosfato; 4) NeuAc se forma por la condensación de rnanosamina 6-fosfato con fosfoenolpiruvato; 5) la galactosamina se sintetin por epimerización
de UD?-A'-acetilglucosamina (WDPClcNAc) a UDPN-acetilgalactosamina (UDPGlcNAc); 6) los azúcares
de nucleótidos son las formas en que Tos aminoazúcare5 se utilizan para la biosintesís de las glucoproteinas
y de otros compuestos complejos; los anícares de
nucl&tidos importantes, que contienen aminoazúcares
con UDPGlcNAc, UDPGalNAc y CMP-NeuAc.
233
ASPECTOS CL~NICOS
El deterioro de la vía de la
pentosa fosfato conduce a hemolisis
Una mutación presente en algunas poblaciones cauQ una
deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidro,-enasa. con
la consecuente perturbación en la formación de NADPH.
Esta anormalidad se manifiesta como hemolisis
cuando el individuo susceptible se sujeta a oxidantes, como
el antipalhdico primacrina, aspirina o sulfonamidas o
cuando ingiere habas (Y~ciafuvu
-favismo), La glutatión peroxidasa es un antioxidante natural que se
encuentm en numerosos tejidos y depende del suministro de NADPW. Ataca a perhxídos organices ademis
del MzO?.Junto con la vitamina E, achía como parte de
la defensa corporal contra la peroxidaciún lipidica
(figura 16-27). Se tienen informes de cierta relación
entre la frecuencia de algunos canceres y la presencia
de concentraciones sanguineas bajas de selenio y de
la actividad de la glutation peroxidasa.
La medicí6n sanguínea de la actividad de la transcetolasa refleja el grado de deficiencia de tiamina. El
unico trastorno donde su actividad se eleva es en la
anemia perniciosa.
La interrupción de la vía del ácido
urónico se produce por defectos
enximáticos y por algunos fármacos
En la pentosuria esencial, enfermedad hereditaria
poco común, aparecen en la orina cantidades considerables de L-xilulosa. Este hallazgo puede explicarse
por la ausencia cn pacientes pentosíiricos de la enzima
necesaria para catalizar la reducción de L-xilulasa a
xilitol. La administración parentera! de xilitol puede
conducir a oxalosis que consiste en deposito de oxalato de calcio en encéfalo y rifiones. Esto se debe a la
conversibn de n-xilulosa a oxalato a travCs de la formación de xilulosa l -fosfato. glucoaldehído y glucolato
(figura 2 2 4 ) .
Varios medicamentos incrementan de manera
importante la velocidad de entrada de glucosa a la vía
del ácido urónico. Por qjcrnplo, la administracibn de
barbital o de clorobutanol a ratas causa un aumento
significativo en la conversión de glucosa a glucuronato, 1.-giiIonato y accorbato. Se sabe que la arninopirina
y antipirina aumentan la excreción de 1.-xilulosa en
sujetos pentoslirícos.
La carga hepática con fructosa
puede potenciar hipertriacilgliceralemia,
hipercolesterolemia e hiperuricemla
Ya se hizo referencia a los efectos de la fructosa
sobre el metabolismo hepático en la promocion de la
síntesis de triacilglicerol y secreción de VLDL e
hipemiaciIglicerolemia, que puede 1levar a incremen-
254
Bioqtrimicu de Hurper
ATP
GLUCOSA
(Capitulo 22)
GLUCOSA 1-FOSFATD
ADP
t
GLUCOSA 6-FOSFATC
-
Ciclo del
Bcido
citnco
Glucdl~sis
FRUGTOSA 6-FOSFATO
PIRWVATO
CO1+H,O
UTP
GLUTAMATO
Glucosamina
GLCICOSAMINA*
p,
-
Acetil-COA
N-ACETICGLUCOSAM INA
N-ACETIL-
N-ACEflLGLUCOSAMINA
FLUCOSAMINA
6-FOSFATO
GLUCOSAMINOGLUCANOS
(COMO HEPARINA)
1 -FOSFATO
b
P>
N-ACETILMANOSAMINA
6-FOSFATO
UDP-
N-AC ETILGLUCOSAIAINA
FOSFOENOLPIRUVATO
NAO+
t
Aciua
N-ACETILNEURAM~NICO
1
-
GLUCOSAMINOGLUCANOS
(AC100 HIALURGNICO)
GLUCOPROTEINAS
1
-1
UDP
N-AC ETILGALACTOSAMINA
9-FOSFATO
inhibitorio
ÁCIDO s r A ~ l c o
GANGL16SlDOS
GFUCOPROTEINAS
GLUCOSAMINOGLUCANOS
(CONDROITINAS)
GLUCOPROTE~NAS
Figura 22-7. Resumen de las interrelaciones en el metabolismo de los aminoazúcares ('Análogo al UDPGlc.) Es posible que
otros nucleotidos d e purina o pirimidtna estén enlazados de manera similar a azúcares o aminoazúcares. Ejemplos son timidina
de difosfalo (TDP)-glucosamina y TDP-N-acetitglucosamina
tos en las concentraciones de colesterol LDL, todo lo
cual puede considerarse como potencialmente
aterogénico (capitulo 28). Además, la sobrecarga
aguda del higado con fructosa, como puede suceder
con la infusión intravenosa o ingesta muy grande de
ella, da lugar a secuestro de fosfato inorganico en el
1-fosfato de f r u c t o s a y disminuci6n de la síntesis de
ATP. En consecuencia, se suprime la inhibicibn por
el ATP de la enzima de la degradacibn del nuclebtido
de adenina y se promueve la formacibn de hcido urico,
produciéndose hipeniricemia, la cual es causa de gota
(capinilo 36). Estos efectos son de particular importancia en personas que tienen predisposici6n a la
hipertriacilglicerolemia o hipemricernia.
Los defectos en el metabalismo
de fructosa causan patología
(figura 2 2 6 )
La carencia de fnictocinasa hepatica causa fructosuria
esencial y la ausencia de aldolasa hepitica E, que
:a fos fato y otras vIas del rnetaholi.vmo de hexosas * 2.55
Vía de la pcnro~
degrada a la fmctosa 1-fosfato, conduce a intolerancia hereditaria a la fructosa. Las dietas deficientes
en fructosa y sacarosa son benéficas en los dos trastornos. El defecto en la aldolasa €3 no afecta de manera
tan nociva la actividad hacia el 1,ó-bisfccfato d e
fructosa, así sólo hay ligero deterioro de la gluconeogenesis.
Una consecuencia de la intolerancia hereditaria a
fructosa y otro padecimiento causado por deficiencia
de fructosa-l,dbisfosfatasa es una hipoglucemia inducida por fmctosa a pesar de la presencia de abundante
resetva de glucógeno. Al parecer, la acumulaci6n de
fructosa l-fosfato y fructosa 1,6-hisfosfato inhibe la
actividad de la fosfori lasa hephtica por mecanismos
alostéricos.
La catarata diabética se relaciona con
la presencia de fructosa y sorbitol
en el cristalino
Normalmente, el cristalino humano contiene fructosa
y sorhitol; la patogenia de la catarata diabética
puede incluir un aumento en Ba concentracibn de éstas.
La via del sorbitol (poIiol) (no localirada en el higaiio)
es responsable de Ia fomacibn de fiuctosa a partir de
glucosa (figura 22-5) y su actividad, aumenta confonne
la concentración de glucosa aumenta en la diabetes,
en aquellos tejidos que no son sensibles a la insulina; es
decir, cristalinos, nervios periféricos y glomérulos
renales. La aldosa reductasa cataliza la reducción de
glucosa a sorbitol por la NADPH, seguida por oxidación de1 sorbitol a fructosa en presenciadeNAD4
y sorbitol rleshidrogenasa (polio1 deshidrogenasa). El
sorbitol no se difunde con facilidad a través de las
membranas celulares y, por tanto, se acumula para
producir daño osmotico. De manera sirnulthnea, las
concentraciones de rnioinositol bajan. La acurnulaci6n de sorbitol, disminucion de mioinositol y catarata diabctica pueden evitarse en ratas diabéticas
mediante la adrninistraciiin de inhibidores de la aldosa
reductasa, y se están oliteniendo resultados promisorios
en la practica clínica.
La aldosa reductasa se encuentra en la placenta
de la oveja y ocasiona la secrecibn de sorbitol a la
sangre fetal. La presencia de sorbitol deshidrogenasa en
el hígado, incluyendo el fetal, conduce a la conversibn
del sorbitol a hctosa. Esta vía es responsable tambidn
de la presencia de fructosa en el liquido seminal. Cuando
el sorbitol se administra por via intravenosa, se convierte a fructuosa y no a glucosa; por el contrario, si se
administra por via oral, gran parte escapa a la absorción en el intestinoy se fermenta por las bacterias del colon
a productos como acetato e hidrógeno. Los edulcorantes
"exentos de azúcar" que contienen sorbitol pueden
causar dolor abdominal (intolerancia al sorbitol).
Las deficiencias enzimáticas en la vía
de la galactosa causan galactosemia
En las galactosemias existe incapacidad para metabolizar esta hexosa y pueden deberse a deficiencia
hereditaria de galactocinasa, uridilo transferasa o 4epimerasa (figura 22-6A), aunque la me-jor conocida
es la deficiencia de uridilo transferasa. La galactosa,
cuya concentracion sanguinea aumenta, se reduce por
la aldosa reductasa en el ojo al polio1 con-espondiente
(galactitol), que se acumula generando cataratas. El
estado general es m& grave si la galactosemia se debe
a deficiencia de uridilo transferasa, dado que hay
acumulación de galactosa 1-fosfato y perdida de fosfato inorgánico hepatico. Por ultimo, ocurre insuficiencia hepática y deterioro mental. En la deficiencia
de uridiE transferasa, la epimerasa eszá presente en
cantidades adecuadas, por lo que la persona galactosémica aun puede formar UDPGal a partir de glucosa. Esto explica por qué es posible que los niiios
afectados muestren crecimiento y desarrollo normales
a pesar de la dieta exenta de galactosa para controlar
los sintomas de la enfermedad. Se han descrito varios
defectos gentiticos que causan deficiencia parcial m&
que tofal, de la transferasa. Como normalmente la
enzima esta presente en exceso, una reduccirin de su
actividad de 50% o menos no causa síntomas o signos
de enfermedad, por tanto, el defecto se identifica 5610
en homocigotos. Se han encontrado deficiencias
eritrocitarias de epimerasa, pero en estos individuos
aun existe en hfgado y otros drganos y aI parecer este
tercer trastorno es asintomático.
RESUMEN
1) La vía de la pentosa fosfato, cuyas enzimas se
encuentran en el citosol, puede realizar la oxidación
completa de la glucosa y sus productos principales
son NADPH y COL.La via no genera ATP.
2) Esta via tiene una fase oxidativa que es irreversible
y genera NADPH y una fase no oxidativa, que es
reversible y proporciona precursores de ribosa para
la síntesis de nucle6tidos, incluyendo RNA y
DNA. La vía completa existe s61o en los tejidos
que requieren NADPH para slntesis reductorris;
por ejemplo, lipogknesis o esteroidogenesis; en
tanto que, la fase no oxidativa se encuentra en todas
las dlulac que requieren ribosa.
3) En los eritrocitos, la vía tiene la importante hnci6n
de evitar la hem6lisis ya que suministra NADPH
para mantener al glutation en el estado reducido. A
su vez, el glutatión sirve como sustrato de la glutatiiin peroxidasa, que es esencial para eliminar a la
H202, nociva para la celula.
4) La vía del acido urónico suministra ácido glucurónico necesario para la conjugacibn con numerosas sustancias endógenac y exógenas, que se
eliminan en la orina como glucurbnídos.
5) La h c t o s a tiene fácil acceso a las vias metabolicas, esquivando el paso principal de control de la
gliicólisis. cata1izado por fosfofnictocinasa. Por tanto,
estimula la síntesis de ácidos grasos y la secrecibn
de triacilglicerol hepático. Igual que la galactosa,
forma con facilidad glucosa en el higado.
6 ) La galactosa se sintetiza a partir de la glucosa en la
glándula mamaria y en otros tejidos donde se requiere para la formacidn de glucolipidos, proteoglucanos y glucoprotetnas. I
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Biosíntesis de ácidos grasos
Peter A. Mayes, PhD, DSc
A semejanza de muchos otros procesos degradativos
y siniéticos (por ejemplo, glucogenólisis y glucogenesic). la slntesis de los ácidos grasos (lipogénesis) se
consideraba como la inversa de la oxidacihn en la
mitocondria. Sin embargo, parece claro que un sistema
extrarnitocondrial activo es responsable de la cnmpleta síntesis de palmitato a partir de acetil-CoA en
el citosol. Otro sistema para la elongacion de la
cadena de ácidos gasos también está presente en el
reticulo cndoplismico hepático.
IMPORTANCIA BIOMEDICA
Existen amplias variaciones entre especies en la dispasicihn de las principales vías lipogknicas en los
tejidos y en sustratos principales para síntesis de ácidos
grasos. En la rata, una especie que ha proporcionado
gran parte de la información acerca de lipogenesis, la
vía se efectiia de preferencia en tejido adiposo e
hígado, en tanto que en el ser humano el tejido adiposo
puede no ser un sitio importante y el higado sólo
manifiesta escasa actividad. En 1% aves, la lipogénesis
se confina al higado, donde su importancia es pariicular para proporcionar lipidos utiluados en la formación
del huevo. En muchos mamíferos, la glucosa es el
sustrato primario para IipogtSnesis, pero en los nimiantes esta función la descrnpefia el acetato, que es
la molécula combustible principal producida por la
dieta. Dado que la via de lipogénesis puede ser de poca
importancia en el ser humano no sorprende que se
carelca de informes acerca de enfermedades criticas
de ella. Sin embargo, las variaciones en su actividad
pueden determinar la naturaleza y extensión de la
obesidad y una de las lesiones causadas por la diabetes
sacarina insulinodependiente o tipo 1 es la inhibicion
de la lipogénesis.
LA PRINCIPAL V ~ APARA LA NUEVA
S~NTESISDE ÁC~DOS GRASOS
(LIPOGÉNESIS) OCURRE
EN EL Clf OSOL
Este sistema est8 presente en muchos tejidos, que
incIuyen el hfgado, rifíbn, enckfalo, pulmbn, glándula
mamaria y tejido adiposo. Sus requerimientos de cofactores incluyen el NADPI-I, ATP, biotina y HCOi(como fuente de CO:). La acetil-CoA es e1 sustrato
inmediato y el palmitato libre es el producto final.
La producción de malsnil-COA
es el paso inicial y de control
en la sintesic de ácidos grasos
El bicarbonato como fuente de COI resulta necesario
en la reacción inicial para la carboxilacion de la acetilCOAa m a l o n i l ~ o Aen presenciade ATP y acetil-CoA
carboxilasa. Estaultima requierc de la vitamina biotina
(figura 23-1). La enzima contiene un numero variable
dc subunidades idénticas, asi como biotina, biotina
carboxilasa, proteína portadora de carboxibiotina y
transcarboxilasa, y lambien un sitio alosterico regulador. Ec por tanto una proteína multienzimlitica. La
reacciiin tiene lugar en dos pasos: 1) la carboxilacibn
de la biofina (que utiliza ATP, figura 52-1 3) y 2) la
transfercncia del carboxilo a la acetil-CoA para formar malonilXoA.
El complejo 5cido graso sintasa
es un polipeptido que contiene
siete enrimas activas
Al parecer hay dos tipos de hcidos grasos sintasas.
En las bacterias, plantas y formas inferiores, las enzimas individuales dcl sistema están separadas y los
radicales aciro se encuentran en combinación con una
proteina llamada proteina portadora de acilos
CH,
- CO-S
- COA
-
- O O ~-CH,
Acetil-COA
CO-S-
COA
Malonil-CGA
ATP + HCOT + Enz-biotina
Figura 23-1. Biosintesis de la malonil-COA.(Enz, acetil-COAcarboxilasa.)
eficacia y libertad de interferencia por procesos competitivos, y así se logra el efecto de compartimentalización de la actividad en la célula, sin necesidad de
erigir barreras de permeabilidad. Otra ventaja del
polipkptido multienzimático Único es que la sintesis
de todas las enzimas del complejo es coordinada ya
que todo está codificado por un solo gen.
El complejode la hcidos graws sintasaes un dírnero
(figura 23-21, En los animales, cada rnonómero es
idkntico al otro, y están formados por una cadena
(ACP). Sin embargo, en las levaduras, los mamíferos
y las aves, el sistema sintasa es un comple,jo multienzitnAtico que no puede subdividirse sin la pérdida
de actividad y la ACP es parte de este complejo. Tanto
la PPA como el complejo rnultientim~ticode las
bacterias contienen la vitamina ácido pan totenico en
la forma de 4'-fo~fo~anteteina(figura 5 2 4 ) . En este
sistema la AC asume la función de la COA. La agregación de todas las enzima5 de una vía particular en
una unidad funcional rnultienzimática ofrece gran
I
SH
SH
I
4'-Fosfopantetelna
\
\
- -- _ \ -
OivisiQn
.
de la subunidad
-- - - \
- - --
I
SH
-
-
y
- - --
SH
-
-
I
I
Cvs
Figura 23-2. El complejo rnultienzimática de los Bcidos grasos sintasa. El complejo es un dírnero de dos rnonámeros de
polipeptidoc idknticos, 1 y 2, cada uno constituido por seis adividades enzirnáticas y la proteina portadora de acitos (ACP)
(El Cis-SH, y el Tiol cisteina.) El -SH de la 4'-fosfopanteteina de un rnonbrnero está en proximidad estrecha con el -SH
del residuo de cisteina de la cetoacil cintasa de otro monomero, sugiriendo un arreglo "cabeza a cola" de dos monomeros. La
secuencia detallada de las enzimas en cada rnonbmero es tentativa (basada en Wakil) Aunque cada mon6mero contiene
todas las actividades parcialesde la secuencia de la reaccibn, la actual unidad funcional consiste en una mitad de un monbmero
en interaccibn con la mitad complementaria del otro Así, dos cadenas acilo se producen simultáneamente.
polipeptidica notable que contiene las siete enzimns
de la sintasa y una ACP con un grupo 4'-fosfopanteteína -SH. En proximidad estrecha esta otro ti01 de
un residuo de cisteina adherido a la3<etoaciI sintasa
(enzima condensante) de otro rnonómero (figura
23-21. Esto se debe a que los dos rnonórneros se
encuentran en una configuracibn "cabeza a cola".
Aunque ambos tíoles participan en la actividad de la
sintasa, s61o el dimero es activo.
En un principio, una molécula cebadora d e
acetil-CoA se combina con un grupo -SH de cisteina
catalizada por acctil transacilasa (figura 23-31, La
malonil-CoA se combitia con el gmpo -SH en la
4'-fo~fo~anteteínade C A P del otro rnonómero,
catalizada por la malonil transacilasa, para formar la
enzima acetiI [acill-malonit. El -grupo
. acetilo ataca
al grupo metileno del residuo malonilo catalizado por
3detoacil sintasa para liberar COZ y fonnar una
enzima 3xetoacilasa (enzima acetoacctil). Esto libera el grupo -SH de la cisteina. ocupado hasta el
momento por el grupo acetilo. Esta descarboxilacion
permite que la reaccibn prosiga harta su terminación y
actíia como un fuerza de cond~iccionpara la secuencia
entera de reacciones. El gmpo 3-zetoacilo se reduce,
deshidrata y reduce de nuevo para formar la aci1-Senzima saturada correspondiente. Una nueva
moltcula de malonil4oA se combina con el -SH de
la4'-f~sfo~anteteína
y desplazaal residuo acilosaturado
en el gmpo -SI-I libre de: la cisteina. La secuencia de
las reacciones se repite seis veces más incorpohdose
un nuevo residuo rnalonilo en cada secuencia, hasta
que se ha ensamblado un radical acilo saturado de 16
carbonos (palmitilo). Éste se libera del complejo
enzimático por la actividad de una séptima enzima en
el complejo, la tioesterasa (deacilasa). El palmitato
libre debe activarse a acil-CoA antes de que pueda
proceder a otra mita rnetabálica. El destino habitual es
su esterificación a aciIgliceroles (figura 2 3 4 ) .
En la glanduia mamaria. hay una enzima
tioesterasa separada. especifica para residuos acilo de
Cs C 10 O C 12, los cuales se encuentran después en los
Iípidos lácteos. En la glindula marnaria de: los rumiantes,
esta cnzima es parte del complejo de la iicidos grasos
sintasas.
Podría parecer que son dos centros de actividad
en un complejo dirnérico que funcionan de manera
independiente y simultinea para formar dos moleculas
de palmitato. La eciiaci~npara la síntesis global de
pairnitato a paflir de a c e t i l x o h y rnalonil-COA se
muestra en seguida:
CH2 COiS*CoA + 7HOOC*CHz COiSiCoA +
+ 14NADPH + 14H' +
CH3 (CH2)11i COOH + 7CO2 + 6H20+
* 8CoAmSH + 14NADP'
La acetil-CoA iitilizada como piintal forma los átomos de carbono 15 y 16 del palniita~o.La adicion de
todas las iinidadec C: subsiguientes es a traves de la
formación de rnaloníl<oA. La butiril-CoA puede
actuar como molécula cebadora en el hígado de Ios
mamíferos y en la glándula mamaria. Si la propiotiilCOA actúa como cebador, se producen ácidos grasos
de cadena,larga con un numero impar de átomos de
carbono. Estos se encuentran en forma particular en
los riimiantes. donde el propionato se forma por la
acción microbiana en el rumen.
La fuente principal de equivalentes
reductores (NADPH) para lipogenesis
es la vía de la pentosa fosfato
El NADPFI interviene Como coenzima en ambas reducciones. la de los derivados 3<etoaciZos y la dc los
derivados acilo 2.3-insaturados. Las reacciones oxidat i v a ~de la vía pentosa fosfato (capítulo 22) son la
fuente principal del hidrbgcno que s e requiere para
la sintesis reductora de k i d o s grasos. Es significativo
que los tejidos que poseen una via pentosa fosfato
activa, SOR también los especializados en la lipogtncsic activa, es decir, higado, rejido adiposo y glándula
mamaria en lactancia. Además ambas vias metabblicas
se localizan en la región extramitocondrial de la
celula. de manera que iio hay barreras de membranas
ni de permeabilidad para la transferencia de NADPH a
partir de una vía a otra. Orras fuentes de NADPH
incluyen la reacci~nque convierte el malato a piruvato
y se cataliza por la "enzima miilica" {NADP malato
deshidrogenasa) (tigura 23-5) y la reaccibn extramitocondrial de la isocitrato deshidrogenasa (probablemente no sea una riiente s~istancial).
La acetil-CoA es el bloque estructural
de los ácidos grasos
Se forma a partir de los carbohidratos a traves de la
oxidaciiin del pinivato dentro de las rnitocondrias. Sin
embargo, la acetil-COA no se difunde con facilidad
en el interior del citosol extramitocondrial sitio principal de la sintesis de los ácidos grasos. La actividad
de la ATP-citrato liasa extramitocondrial, al igual qiie
la de la '-enzima malica", aumenta en condiciones dc
buena nutricibn, en correlaci~nestrecha con la actividad del sistema de síntesis de ácidos grasos (cuadro
2 1-1). Se considera en la actualidad que la utilizacícin
del pimvato para la IipogCnesis es mediante el citrato. La
via involucra la glucrilisis seguida por la descarboxilación oxidativa del piruvato a acetil-CoA dentro
de las mitocondrias, seguida por la condensacion con
oxafacetato para formar citrato como parte del ciclo
del ácido cítrico. A e ~ t osigue la translocación del
Acetil-COA
Malonil'-COA
+
Cntransferidos desde
TRANSACILASA
Complefo multienzim8tim de la acldo
graso sintasa
o
111
a
P
a
n
-
~
-
~
-
~
~
I
- IC'/~
~
~
-
Enzima Acil (aceti1)-malonila
Enzima 3-cetoacilo
(enzima-acetoacetiio)
Enzima N-)-3-hidroxiacilo
-
SH
O
II
=Pan-s
-c-
CH=CH-CH,
Enzima acilo 2,3-insaturado
o
Despues de 7 ciclos
a trads de los pasos (1!a :$
11
~ P ~ ~ - S - C - C H . - C H ~ - C H ,
(C.)
Enzima acilo
Palmttato
Figura 23-3. Biosíntesis de ácidos grasos de cadena larga. Detalles de la forma e n que la adicion de un residuo malonilo hace
que la cadena acilo crezca cada vez dos átomos de carbono. (Cis, residuo de cisteina, Pan, 4'-fosfopanteteina.) En la figura
23-2 se muestran los detalles del dimero de la stntasa de los ácidos grasos.
y @ representan los rnonbmeros individuales
de la sintasa de hados grasoc.
a
Biosínresis de ácidos grasos
Palmilato
+
Acilgltceroles
cstes de colesterrlo
u
ATP + COA
AMP
26 1
f
PP,
Estenficactbri
Palmitil-COA
/
\
Alargamiento de la
cadena de desaturactbn
'r
1
Acil-COA
Figura 2 3 4 . Destino del palrnitato después de la biosintesis.
Palmitato
Glucosa
f
1
Glucosa 6-fosfato
rato
-
lsocitrato
Figura 23-5. El abastecimiento de aoetil-COA y NADPH para la lipogénecis. (VPF,vla de la pentoca fosfato; T, transportador
del tricarboxilato, K, transportador del alfa-celoglutarato, P, transportador de piwvato.)
citrato dentro del compartimiento extrarnitocondria!,
donde en presencia de COAy ATP sufre la ft-apentacihn
a a c e t i l 4 o A y a oxalacetato, catalizada esta fragment a c i ~ npor la ATP-zitrato liasa. Laacetil-CoA se tiene
después disponible para la fomacion de malonilCOA y la síntesis de palmitato (figura 23-5). El oxalacetato puede formar malato mediante la maIato
deshidrogenasa enlazada al NADH, seguida por la
generacion de NADPH a través de la enzima malica.
A su vez, el NADPH se tiene disponible para la
lipogknesis. Esta vía es un medio de transferir equivalentes reductores del NADH extramitocondrial al
NADP. En forma alterna, el malato puede transportarse
al interior de la mitocondria donde puede reformar el
oxalacetato. Es de notarse que el transportador de citi2t~
(tricarboxilato) en la membrana mitocondrial requiere
malato para intercambio con eE ciwato (figura 14-13).
Hay poca ATP-citrato liasa o enzima malica en
los rumiantes probablemente debido a que en estas
especies el acetato (proveniente del mmen) es la fuente
principal de acetil-CoA. Debido a que el acetato surge
y es aczivado a a c e t i l 4 o A fuera de las mitocondrias,
no hay necesidad alguna de transportar citrato fuera
de la mitocondria y forme citrato antes de su incorporacion en los ácidos grasos de cadena larga. La generacion de NADPH via la isocitrato deshidrogenasa
extramitocondrial es más importante en estas especies, debido a la deficiencia de enzima málica.
El alargamiento de la cadena
de los ácidos grasos tiene lugar
en el retículo endoplásmico
La vía ("sistema micrnsomat") convierte a los compuestos acil-CoA de los Bcidos grasos a derivados
acilo con dos átomos de carbono m6s, mediante la
utilización de rnaIonil-CoA como donador de aceti lo
y el NADPH como reductor y catalinda por las enzimas
del sistema cromosómico de [a clongasa de los 4cidos
grasos (figura 2 3 4 ) . Los grupos acilo que pueden
actuar como moléculas cebadoras incluyen las series
saturadas desde el CIOhacia adelante, al igual que
hcidos grasos insaturados. El ayuno suprime principalmente el alargamiento de las cadenas. El alargamiento de la estearil-CoA en el encdfalo aumenta
con rapidez durante la mielinizaci6n con el fin de
proporcionar hcidos grasos con 22 y 24 átomos de carbono que estan presentes en los esfingolipidos.
EL ESTADO NUTRICIONAL
REGULA LA LIPOGÉNESIS
Muchos animales, incluso el ser humano, toman su
alimento como comidas espaciadas y por tanto, deben
R ~ H ~ O C H - C H ' ~ - S-COA
2,s-Acil-COAinsaturada
NADPH
+
Ht
2.3-ACIL-COA
INSATURADA
NADP+
Figura 23-6. Sistema microsbmiul de la elongasa para el
alargamiento de las cadenas.
almacenar gran parte de la energía de su dieta para
usarla entre alimentos. El proceso de lipogknesis se
ocupa de la conversi6n de glucosa e intermedios como
piruvato, lactato y acetilXoA a lipido, lo cual constituye ta fase anabblica de este ciclo. El estado
nutricional del cuerpo y los tejidos es el factor
La concentración de citrato y acEl4oA
regula a la acetil4oA carboxilasa
principal de control de la velocidad de Ea Eipogknesis. DE este modo. la velocidad es alta en el animal
nutrido cuya dieta contiene una elevada proporcihn de
carbohidratos. Se deprime en situaciones de ingestión
caldrica restringida. con dietas ricas en Iípidos o cuando
hay deficiencia de insulina, como en diabetes sacarina.
Todos estos estados se acompañan de incremento en la
concentración placmatica de acidos p q o s libres. La regulación del movimiento de icidos grasos libres del
tejido adiposo se describe en el capitulo 27.
Existe una r e l a c i ~ ninversa entre lipogenesis
hephtica y la concentracion d r i c a de ácidos grasos
libres (figura23-7). La inhibicibn mayor de la lipoghesis ociirre por arriba de los valores de Bcidos grasos
libres (0.3 a 0.8 mmollmL de plasma) en los que
Acidos grasos plasmáticos aumentan durante la transición de la alimentación a la Inanicibn. La grasa de
la dieta también deprime la lipogénesis en el higado
y cuando la alimentación contiene m&$ de t 0% de
lipidos, es escasa la conversión de carbohidrato
dieteitico a grasa. La lipogknesis es mayor cuando se
ingiere sacarosa en lugar de glucosa debido a que la
fructosa esquiva el punto de controt de fosfofmctocinasa en Za glucolisis e inunda la vía lipogénica
(figura 22-51,
La reacción limitante de la velocidad en la vía
lipogénica es el paso de la acctil4oA carboxilasa.
Erta enzima es alosterica y se activa por citrato, cuya
concentracion aumenta en estado de nutncion adecuada
y es un indicador de suministro complcto de acetilCOA. Sin embargo. la inhiben moléculas a c i l X o A de
cadena larga, un ejemplo de inhibición metablilica por
retroaiimentacidn negativa por un producto de la
secuencia de acciones s. Asi, si la a c i l 4 o A se acumula
debido a que no se esterifica con suficiente rapidez,
reducid de manera autornatica la sintesis de acido
graso nuevo. De igual modo, si la acilXoA se acumula
como resultado del aumento de lipolisis o del flujo de
hcidos grasos libres hacia el tejido, también se inhibirá
la formación de acido graso nuevo (figura 23-7). La
activacibn alostCrica de la enzima implica Ia agregación
de la configuraciiin dimerica en polimCrica de varios
millones de masa molecular. La Acil-CoA puede
inhihir tambikn al transportador mitocondrial
de tricarboxilatos, e impedir de este modo la salida de
citrato de las mitocondrias al citosol.
LA LIPOGÉNESISSE REGULA
La Acil-CoA regula también
a la piruvato deshidrogenasa
CON MECANISMOS INMEDIATOS
Y A LARGO PLAZO
La sintesis de ácidos grasos de cadena larga se regula
a termino corto por modificación alostérica y covalente de enzimas y a largo plazo por cambios en la
expresibn genica que regula las velocidades de sintesis enzimáticac.
Existe tambien una relacibn inversa entre la concentracirin de hcidos grasos libres y la proporcibn entre
piruvato deshidrogenasa activa e inactiva que regula
la disponibilidad de acetilXoA para lipoginesis. La
AciIXoA inhibe a la piruvato deshidrogenasa por
bloqueo del transportador del intercambio ATP-ADP
de la membrana interna mitocondrial, lo cual conduce
a incremento en las proporciones [ATP]/[ADP] dentro
de la mitocondria y por tanto a conversibn de pimvato
deshidrogenasa activa a inactiva (figura 19-6).
AdemBs, ¡a oxidación de a c i l 4 o A por aumento de la
concentracibn de acidos grasos libres puede elevar las
proporciones [acetil4oA]qCoA] y FADH]/[NADt]
en la rnitocondrias, y en consecuencia inhibir la piruvato deshidrogenasa.
Las hormonas también regulan
la lipogénesic
0.2
0.5
I .a
2.0
3.0
AGL cbricos (~tmollmC)
Figurá 23-7. Inhibicibn directa de la lipogénesis hepatica por
Acidoc grasos libres La lipog&necis ce deteminb de la
incorp~racionde 3 ~ z a0 $cidos grasos libres en hígado de
rata perfundido.AGL, bcidoc grasos libres. (Experimento del
laboratorio del autor con DC Topping.)
La insulina estimula la lipogénesis por diversos mecanismos; acelera el transporte de glucosa al interior
de la celula (por ejemplo, en tejido adiposo) y por
consiguiente aumenta la disponibilidad de piruvato
para la síntesis de hcidogmo y de glicerol 3-fosfatopara
esterificación de estos ácidos grasos. La insulina convierte la forma inactiva de piruvato deshidrogenasa a
la forma activa en el tejido adiposo, pero no en el
(Capitulo 23)
264 0 Bioquirnica de IJarper
hígado. Ademhs, la acetilXoA carboxilasa es una
enzima que puede regularse por fosforilaci6n reversible.
La insulina activa la a c c t i l Z o h carhoxilasa. Esta
activación implica la desfosforilac i ~ por
n una proteína
fosfatasa acornpaflada por el cambio en la agregacibn de
monomeros a partir de un octbmero a un estado más
polimerico. Tarnbidn, la insulina, por 5u propiedad de
deprimir la concentraci6n de cAMP intracelular, inhibe la lipolisis y por tanto, reduce la concentración
de la acil-CoA de cadena larga, un inhibidor de la
lipogénesis. Por este mismo mecanismo, la insulina
antagoniza las acciones de glucagón y adrenalina,
los cuales inhiben la a c e t i l 4 o A y por consiguiente
la lipogénesis, por incremento de cAMP, que permite a la
proteína cinasa dependiente de cAMP que inactlve a
la enzima por fosforilacilin. Otra proteina cinasa dependiente de 5'-AMP también inactiva la enzima.
En los rumiantes, el acetato y no la glucosa es el
compuesto de inicio de la lipogénesis. Se infiere que,
en estas especies, se evitan muchos de los mecanismos
de control en los que intervienen mitocondrias y por
tanto no son aplicables.
El complejo de ácido graso sintasa
y a c e t i l 4 o A carboxilasa
son enzirnas adaptativas
Esto es, se ajustan a los requerimientos fisiolbgicos
del organismo por incremento en la cantidad total en
estado de nutrícibn adecuada y disminución en ayuno,
dieta rica en Iípidos y diabetes. La insulina es una
hormona importante que produce expresión génica e
induce biosíntesis enzimática y el glucagán amagoniza este efecto. La ingestión de grasas que contienen
ficidos grasos poliinsaturados regula la manera ordenada la inhibiciiin de la expresión de enzirnas criticas
de la gluctjlisis y la lipogénecis. Estos mecanismos
para el control a largo plazo de la lipogénesis recién
descritos emplean varios días para manifestarse en
forma plena y aumentan el efecto directo e inmediato
de ácidos grasos libres y hormonas como con la insu Iina y glucagón.
RESUMEN
1) La síntesis de hcidos grasos de cadenas largas
(lipogenesis) se realiza por dos sistemas enzimá~icos
presentes en el citosol de la célula: la acetilXoA
carboxilasa y hcido graso sintasa.
2) La vía convierte la acetilXoA a palmitato y requiere
NADPH, ATP, M#, biotina, ácido pantotenico y
HCOt- como cofactorec.
3) El sistema de la a c e t i l 4 o A carboxilasa se requiere
para la conversion de la acetil-CoA a malonilCOA. A su vez, la Bcido graso sintasa, cl complejo
multienzim~ticode una sola cadena polipeptídica
con siete actividades enzirnaticas separadas,
cataliza el ensamble de palmitato a partir de una
mol&culade a c e t i l 4 o A y siete de rnalonil4oA.
4) La lipogénesis se regula en el paso de la acetilCOA carboxi lasa por modifi cadoses alostéricos,
modificación covalente e induccibn y represidn de
Ia sintesis enzimhtica. El citrato activa la enzima; la
a c i l 4 o A de cadena larga inhibe su actividad. A
plazo corto, la insulina activa la acetil-CoA carboxilaca por desfosforilaci6n y a plazo largo, por
inducción de la síntesis. El glucagbn y la adrenalina
tienen acciones ovuestas a-la insulina.
5) El alargamiento de la cadena de los ácidos grasos
tiene lugar en el retículo endoplhmico, cataliadapor
el sistema enzirnhtico de la etongasa microshíca.
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Oxidación de ácidos grasos:
cetoaénesis
Wd
Peter A. Mayes, PhD, OSC
Los ácidos gsasos son oxidados a acetil-COAy sintetizados a partir de la misma. Aunque la materia prima
de un proceso es idéntica al producto de otro y las
etapas químicas son comparables, la biosintesis de los
acidos grasos no es simplemente la inversa de su
oxidacihn, sino un proceso entemente distinto que tiene
lugar en la célula en un compartimiento separado. La
oxidacibn de Bcidos grasos separada de la biosíntesis
permite que cada proceso se regule e integre de manera
individual de acuerdo a las necesidades tisulares.
La oxidacion de los ácidos grasos se lleva cabo
en las mitocondrias; cada paso comprende derivados
acil-COA catalizados por enzírnas diferentes, utiliza
NAD' y FAD como coenzimas y genera ATP. Por el
contrario, la biosintesis d e los ácidos grasos
(Iipogenesís} se desarrolla en el citosol, comprende
derivados acilo adheridos continuamente a un complejo multienzimatico, utiliza NADP' como coenzima y
requiere de ionec bicarbonato y ATP. La oxidación de
hcidos grasos es un proceso aerobio, que exige la
presencia de oxígeno.
varios estados de deficiencia de carnitina o de las
enzimas esenciales para la oxidacibn de los ácidos
grasos (como la carnitina palmitoiltransferasa) o
cuando la oxidacihn es inhibida por venenos (por
ejemplo la hipoglicina).
LA OXIDACION DE LOS ÁCIDOS GRASOS
SE PRODUCE EN LAS MITOCONDRIAS
Los acidos grasos san transportados
en la sangre como ácidos grasos libres
lAGL1
El término "acido graso libre" se refiere a los ácidos
grasos que no esthn esterificados. Otras nomenclaturas son AGNE (ácidos gracos no esterificados) o
AGSE (acidos p o s sin esterificar). En el plasma, los
AGL de cadena larga se combinan con la albumina
y en la célula están adheridos a la proteína fijadora
d e hcidos grasos o proteína Z, dc modo quc en
realidad nunca están "librec". Los acidos grasos de
cadena corta son m8s solubles en agua y existen como
acido no ionizado a como anion.
IMPORTANCIA BIOMEDICA
El incremento de la oxidacibn de los hcidos grasos es
tipico de la inanición y de la diabetes sacarina, donde
ocasiona la produccibn de cuerpos cetónicos por el
hígado (cctosis). Los cuerpos cetónicos son ácidos,
cuya producción excesiva por periodos largos, como
en la diabetes, causa cetoacidasis que finalmente es
mortal, Debido a que la gluconeogénesis depende de
la oxidacihn de Ios hcidos grasoc, cualquier alteración
de dsta da lugar a hipoglucemia. Ésta se presenta en
Los ácidos grasos deben activarse
antes de que puedan ser catabolizados
A1 igual que en el metabolismo de la glucosa, los
Acidos grasos primero deben convertirse mediante la
reaccibn con el ATP a un intermediario activo, antes
de que reaccionen con las enzimas responsables de su
metabolismo ulterior. Esta es ia única a a p a en la
degradación completa de un ácido graso que requiere
energía a partir dcl ATP. En presencia de ATP y de la
266 Bioquimica de Harper
coenzima A. la enzima acil-COA slntetaqa (tiocinasa)
cataliza la conversión de un ácido graso (o ácido graso
libre) a un "ácido grasa activo" o acil-COA. acompanada por el gasto de un focfato de alta energia.
ciona con COA, por acción de carnitina palmitoiltransfersa 11, adherida al interior de la membrana
intenia. En la matriz mitocondrial se desprende la
camitina y se regenera acil-COA (figura 24-1).
Acil-CoA + Carnitina e Acilcarnitina + Cob
Ácido graso + ATP + COA + Acil-COA + PP;+ AMP
La presencia de la pirofosfata~ainorghnicti asegura
que la activacihn sea cornplrtta, facilitando la pérdida
del fosfato de alta energia adicional del pirofosfato.
De este modo, de hecho son dos fosfatos de alta
energia los que se gastan durante la activación de cada
molécula de ácido graso.
PIROFOSFATASA
Otra enzima, la carnitina acctiltransferasa, se encuentra presente en las mitocondrias, catalizando la
transferencia de grupos acilo de cadena corta entre la COA
y Ia carnitina. La función dc esta enzima es poco
conocida, pero puede ser que facilite el transporte de
grupos acetilo a través de la membrana de la mitocon-
ATP
AMP+ PPi
La acil-COA sintetasa se encuentra en el retículo endoplasmico y en el interior y sobre la membrana
externa de las mitocondrias. Han sido descritas varias
acil-COAsintetasas, especificas pasa cada ácido graso
de diferente longitud de cadena.
tos acidos grasos de cadena larga
atraviesan la membrana mitocondrial
interna como derivados de carnitina
La carnitina (beta-hidroxi-gamrna-trimeti!amoniobuikato), (CH&W -CH2-CH(Oi-WH:4OO-,
está
ampliamente distribuida y, en particular, es abundante
en particular en el musculo. Es sintetizada en el hígado
y el riñén a partir de lisina y metionina. La activación de
los Acidos grasos mas pequefíos y su oxidacidn pueden
ocurrir en el interior de las mitocondrias, independientemente de la carnitina, pero la acil-COA de
cadena larga (o AGL} no penetrara a las mitocondrias
y no es oxidada a menos que forme acilcarnitinas.
Una enzima, la carnitina palrnituiltransferasa 1 esta
relacionada con el lado exterior de la rnernbseina mitocondrial interna y convierte a los grupos acil-COA
de cadena larga en acilcarnitina, la cual es capaz de
penetrar la membrana interior de las mitocondrias y
tener acceso al sistema de enzirnas de la beta oxidacibn
(véase la reacción después), La carnitina-acilcarnitina translocasa actúa como un transportador
de intercambio dc carnitina. La acilcarnitina se transporta al interior acoplada con la salida de una
molecula de camitina. Luego, la acilcarnitina reac-
Carnitina
Acilcarnitina
I
!
COA
/
&brnitina
\ Carnitina
Acil-COA
Aulwmitina
-
beta
ni da cid^
Figura 24-2. La funcibn de la carnitina en e4 transporte de
los ácidos grasos de cadena larga a travec de la membrana
interna de la rnitocondria La cadena larga de acetil-COA no
puede atravesar la membrana interna de ta mitomndria, paro
si su producto metabolico, la acilcarnitina
cual se encuentra en la membrana interna}. Estas
* catalizan la oxidacibn de la acil-COA a acetil-COA,
acopliindose el sistema con la fosforilación del ADP
a ATP (figura 24-3).
Después de que el residuo acilo penetra en Ia
mernbma m itmondnal mediante el sistema transporAcetil-COA + Carnitina t,Acetilcamitina + COA
tador de la carnitina y la reformacibn de acil-COA,
sigue la eliminaciiin de dos átomos de hidrhgeno de
los carbonos ?(alfa) y 3(beta), catalizada por la acilCOAdeshidrogenasa. Esto resulta en la formación de
A'-trans-enoil-COA. La coenzima para la desh idrogenasa es una flavoproteina que contiene FAD como
grupo prostttico, cuya nueva oxidacibn por la cadena
LA BETA OXIDACION DE ÁCIDOS
respiratoria requiere la mediación de otra flavoproteína. denominada flavoproteina transferenie de
GRASOS IMPLICA SU
electrones (capitule 13). Se afíade agua para saturar
DESDOBLAM1ENñO SUCESIVO
el doble enlace y formar 3-hidroxiacil-COA, cataliCON LIBERACION DE ACETIL-COA
zada por la enzima A'-enoil-COA hidratasa. El derivado 3-hidroxi sufre una deshidrogenación posteEn la beta oxidación (figura 24-2), cada vez se
rior sobre el carbono 3 (L(+)-3-hidroxiacil-COA
separan dos carbonos de las rnol&culasde acil-COA,
deshidrogenasa) para formar el compuesto 3-cecomenzando por e! extremo carboxilo. La cadena se
toacil-COAcorrespondiente. En este caco, la coenzima
rompe entre los Atomos de carbono alfa(2) y beta(3),
dc aquí el nombre de beta oxidación. Las unidades de
NAD interviene en la deshidrogenación. Finalmente,
dos carbonos formadas son acetil-COA, por tanto, el
la 3-cetoacil-Coa es fragmentada en la posición 2,3
palrnitoil-COA forma ocho molt5culas de acetil-COA.
por una tiolasa (3-cetoacil-COA-tiolasa), la cual
cataliza un desdoblamieiito tiolítico que afecta otra
molécula de COA.Los productos de esta reacción son
La secuencia de reacción cíclica
la acetil-COA y un derivado acil-COA que contiene
genera NADH y FADH2
dos carbonos menos que la motccula original de acilCOAoxidada. La acil-COA formada en la reacción dc
Diversas enzimas conocidas colectivamente corno
fragmentacion vuelve a entrar a la vía oxidativa en la
"acidos grasos oxidasas" se localizan en la matriz
reaccihn 2 (figura 24-31, De esta manera, un ácido
mitocondrial adyacente a la cadena respiratoria (la
graso de cadena larga puede ser degradado por completo a acetil-COA (unidades C:). Como la acetil-COA
puede ser oxidada a COz y agua a través del ciclo del
ácido cítrico (que se encuentra tarnbikn dentro de las
mitocondrías}, se logra Ia oxidacion completa de los
ácidos grasos.
dria. Junto con fiuctosa y lactato, la acetilcarnitina es
una fuente energdtica importante para el esperma,
respaldando su movilidad.
La oxidacion de un ácido graso
can un número impar de carbonos
produce una molécula de acetil-COA
y una molécula de propionil-COA
1
Remoción sucesiva de dos unidades C
Acetil-CoA
Figura 24-2. Esquema global de la beta oxidacion de los
ácidos grasos.
Los acidos grasos con un número impar de átomos de
carbono son oxidados por la vía de la beta oxidación
produciendo acetil-COA hasta que quede un residuo
de tres carbonos (propionil-COA). Este compuesto se
convierte en succinil-COA, un constituyente del ciclo
del ácido cítrica (figura 2 1-2). De aquí que, el residuo
propionilo d e un ácido graso de cadena impar es la
única parte glucogénica de 61.
d
Acido graso
R3CH,'CH$
I
0
II
AMP+ PP,
S1 NTETASA
Aul-COA
(Acido graso activo)
R"CIi,
- --------------------
7CHrC-S-CoA
1
MEMBRCrN.4 MITOCONDRWL INTERNA C
+ - -
f-
-
-
-
-
-
-
L
-
-
-
-
-
-
L
-
-
-
-
-O -
-
Lado C
(fuera)
-e----------------
TRANSPORTADOR CARNITINA
+-
-
- .
-
-.
----------
Lado M
(dentro)
o
II
R ~ C H T ~ C H , - C -S-COA
I
Acv'-cOA
DESHlOROGENASpl
.
Cadena
NADH+H
Cadena
CCdo del
af ido
Figura 24-3. Beta oxidacibn de los ácidos gracos La acil-COA de cadena larga participa en el ciclo a través de las reacciories
2 a 5, la acetil-COA es separada en cada cicla por la Ziolasa (reaccibn 5) Cuando el radical acilo tiene únicamente cuatro
Atomos de carbono se forman dos moléculas de acetil-COA en la reaccidn 5.
La oxidación de los ácidos grasos
produce un gran numero
de msleculas de ATP
LA ALFA O X I D A C I ~ N
Y LA OMEGA
OXIDACIQN DE ACIDOS GRASOS
SON V ~ A SESPECIALIZADAS
El transporte de electrones en la cadena respiratoria,
procedentes del FADEI: y el NAD, conducira a la
síntesis de cinco fosfatos de alta energia (capitulo 14)
para cada una de las primeras siete rnolticulas de
acetil-COAformados por la beta oxidacidn del palmitato (7 x 5 = 35). Se forma un total de ocho moles de
acetil-COA y cada uno dar&lugar a 12 moles de ATP
en la oxidación en el ciclo del ácido cítrico, obteniendoce 8 x 12 = 96 moles de ATP derivados de la
acetil-COA formada a partir del pahitato; de éstos se
restan dos por la activación inicial del ácido graso,
rindiendo una ganancia total de 1 29 moles de ATP por
mol de palmitato, es decir, un total de 129 x 5 1.6* =
6656 kJ. Como la energia libre de la combustión del
ficido palniitico es de 979 1 kJlmol. el proceso captiira
como fosfato de alta energia alrededor de 68% de la
energia total de combustiiin del acido graso.
De manera cuantitativa, la beta oxidacion en las mitocondrias es la via mas importante para la oxidación
de los acidos graos. Sin embargo, la alfa oxidación, es
decir, la eliminación de un carbono a la vez. del extremo
carboxilo de la molécula ha sido detectada en el tejido
encefático. No necesita intermediarios COAy no conduce a la generación de fosfatos de alta energía.
La omega oxidación se origina en el reticulo
endoplAsmico por las enzímas hidroxilasas, interviniendo un citrocromo P450 (capitulo 13). El grupo
-CHi se convierte en el 4 H l O I - I que posteriormente es oxidado a -COOH, lo cual forma un acido
dicarboxiIico. Este es beta oxidado habituarmente a
ácido adipico (Cbjy sub6rico (CR). los ciialcs se excrefan en la orina.
Los peroxisomas oxidan a ácidos
grasos de cadena muy larga
En los peroxisomas se encuentra una forma moditicada de la beta oxidacion que conducc a la formación
de acetil-COA y HzOl (del paso de la deshidrogenasa
ligada a flavoproteína). Por tanto, esta primera deshidrogenación no se vincula directamente con la fosforilación y la generación de ATP pero, mediante la
activación inicial por la acil-COA sintetasa de cadena
muy larga, facilita la oxidación de ácidos grasos cuya
cadena tarnbikn es muy larga (por ejemplo, CZoy C2,).
Estas enzimas se inducen por dictas abundantes en
grasas y, en algunas especies, por fhrrnacos
hipolipiddmicos como el ctofibrato.
Las cnzimas en los peroxisomas no atacan a los
ácidos grasos de cadenas más cortas; la secuencia de
la beta oxidación termina en el octanoil-COA. A continuación los grupos octanoilo y acetilo se eriminan
de los peroxisomas en la forma de octanoil carnitina
y acetit carnitina y, más tarde, ambos son oxidados en
las mitocondrias. Una funcihn posterior de la beta
oxidación peroxisómica es acortar la cadena lateral
del colesterol en la fomaci6n de hcido biliar (capítulo
28). Los peroxisomas también participan en la síntesis
tanto de Cter glicerolipidos (capitulo 26), como del
colesterol y del dolicol (figura 28-2). t o s peroxisomas no contienen carnitina palmitoiltransferasa.
*
AG para la reacción ATP. tal como se explica cn el
capítulo 19.
LA OXIDACIÓNDE ÁCIOOS GRASOS
INSATURADOS SE PRODUCE
POR UNA V ~ AMODIFICADA
DE LA BETA OXIDACION
Los ésteres COA de estos Acidos son degradados por
las enzimas que normalmente se ocupan de la beta
oxidacibn hasta que se forma un compuesto A'-cisacil-COA o un AA-cis-acil-COA,dependiendo de la
posición de las dobles ligaduras (figura 2 4 4 ) . El
primer coinpuesto es isomerizado (~"cis-tA~-irunsenoiS-COAisomerasa) a la etapa correspondiente A ~ tram-COA de la beta oxidación para la subsiguiente
hidsatacidn y oxidacibn. cualquier d4-cis-acil-COAse
conserva, como en el caso del hcido linoleico (figura
2 4 4 ) o entra a la via en este punto y es convertido
por la acil-COA deshidrogei~asaa ~ ~ - t r a n s - ~ ~ - c i s - d i enoi 1-COA. Ésta es convertida a A3-irans-enoit-COA
por una enzima que depende de NADP. ~ ~ - t s a n s - ~ ' ' c i s d ienoil-COAreductasa. La A 3 - c i ~ - f A Z ~ n s e n o i ~ o ~
isomerasa tarnbikn atacará a la doble ligadura A'-iruns
para producir A~-rruns-enoil-COA,un intermediario
en la beta oxidación.
LA CETOGÉMESIS SE PRESENTA
CUANDO HAY UN ~NDICEELEVADO
DE OXIDACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS
EN EL HÉGADO
En ciertas condiciones mctab6licas relacionadas con
un índice alto de oxidación de ácidos pasos, el higado
cis
3
Ciclos de
B oxidacibn
-
0 S - COA
cis
C
0
3 AwtiI-CoA
a2-trans-i\6-c~s-Dienoi~-~o~
(A~-tmns-Enoil-COA
estado de a-oxidación)
Un uclo de
p oxidacibn
Acetil-COA
produce cantidades considerables de acetoacetato y
de D(-)-3-hidroxibutirato (beta bidroxibutirato). El
acetoacetato continuamente se descarboxila de
manera esponthnea para dar acetona. Estas tres sustancias se conocen colectivamente como cuerpos
cetánicos (se designan como cuerpos acetónicos o
[incorrectamente*] "cetonas") (figura 24-5). El acetoacetato y el 3Aidroxibutirato son interconvertidos
por la enzima mitocondrial D(-)-3-hidr~xibutirato
deshidrogenasa; el equilibrio es controlado por la
proporción mitocondrial del fNADt] a WADH], es
decir, el estado redox. La proporcibn E-hidroxibutirato]/[acetoacetato] en la sangre varia entre 1 : 1 y 10:1 .
La concentración de cuerpos cetónicos totales en la
sangre de mamlferos bien arimentados por lo común
no excede de 0.2 mmollL. En los rumiantes es algo
mayor debido a la formacidn en la pared del mmen de
3-hidroxibutirato a partir del ácido butirico [un producto de la fermentación en los rumiantes). En general
la perdida por la orina es menor de 1 mg por 24 horas
en el ser Iiumano.
In vivo, el hígado parece ser el Unico 6rgano en
los no rumiantes que agrega una cantidad significativa
de cuerpos cet6nicoc a la sangre. Los tejidos extrahepAticos los utilizan como sustratos respiratorios.
Las fuentes extrahepáticas de cuerpos cetbnicos, por
ejemplo, el epitelio del rumen en los rumiantes, no
contribuyen de manera importante a la producción de
cetosis en estas especies.
El flu-jo neto de cuerpos cetónicos del hígado a
tos tejidos extrahepaticos proviene de un activo mecanismo enzimatica en el hígado para la produccion
de cuerpos cet6nicos acoplado con una actividad muy
baja de las enzimas encargadas de su utilizacidn. La
situacidn inversa tiene lugar en los tejidos extrahepaticos (figura 2 4 4 ) .
3-hidroxi-3-metilglutaril-COA
(HMG-COA) es un intermediario en la
vía de la cetogénecis
4 Ciclos de
p oxidacibn
!
5-Aoetil-COA
Figura 24-4. Secuencia de reacciones en la oxidacibn de
Bcidoc grasos insaturados, por elernplo, Acido linoleiw. Los
Acidos grasos h4-ciso los que forman n4-us-enoil-COA entran
a la via en la posicibn que se muestra. El NADPH para el paso
de la dienoil-COA reductasa es tomada de fuentes intramitocondriaies como la acción del glutamato deshidrogenasa,
isocitrato deshidrogenasa y MAD(P)H transhidrogenasa
Las enzimas que forman cuerpos cet6nicos estan relacionadas principalmente con las mitocondrias. A l
principio se creía que sólo se formaba una molécula
de acetoacetato a partir de los cuatro carbonos terminales de un ácido graso despues de oxidacibn. Más
tarde, para explicar tanto la produccihn de mlis de un
equivalente de acetoacetato a partir de un hcido graso
de cadena larga, como la formación de cuerpos cetbni-
*
El termino "ceionaq" no debe usarce debido a que el
3-hidroxibutirato no es iinacetona y ha! muchas ceicinas
en la sangre que no son ciicrpos cetónicos, por ejemplo cl
piniuato y la fructosa.
Oxidació~1de úcidos grasos. cet o~énesis 2 71
tiolasa donde dos moléculas de acetil-COA se con-
Acetoaoetato
a[-FJ-HtPROXfBUTiWTO
UADH + W f
CH,-
CH - CH,-
cm-
Figura 2 4 6 . Interrelaciones de los cuerpos cetbnicos. La
o(-)-3-hidroxibutirato deshidrogenasa es una enzima mitoconcirial
cos a partir del acido acktico se propiiso que las
unidades C2 formadas en la beta oxidación se condensaban entre si para formar acetoacetato. Esto
puede ocurrir por una invessiíin de la reacci6n de la
densan para formar acetoacetil-COA. Así, surge la
acetoacetíl-COA, que es el material inicial para la cetogénesis, ya sea directamente durante el curso de la
beta oxidación o como resultado de la condensación
de acetil-COA(figura 24-7). Esta vía implica la condencacion de acetoacetil-COA con oua molécula de
acetil-COA para formar HMG-COA catalizada por la
3-hidroxi-3-metilglutaril-COA sintasa. La presencia de otra enzima en las mitocondrias, la 3bidroxi-3-metilglutaril-COA liasa, s e p a r a a la
acetil-COA de la HMG-COA, dejando acetoacetato
libre. Los átomos de carbono separados de la molécula
de acetil-COA provienen de la molécula de acetoacetil-COA original (figura 24-71. Ambas enzimas
deben estar presentes en las mitocondrias para que
se lleve a cabo la cetogénesis. Esto sucede exclusivamente en el epitelio del mmen y en el hígado.
Aunque la actividad de la HMG-COA liasa aumenta
durante el ayuno, los resultados no sugieren que esta
enzima sea limitante de la velocidad en la cetoh~nesis.
El acetoacetato está en equilibrio con el 1i(-)-3hidroxi butirato catalirado por la n(-)-3-hidroxibutirato dcshidrogenasa, q u e s e e n c u e n t r a en la
mitocondria d e muchos tejidos, incluyendo el
hepático (figura 24-5). El n(-)-3-hidroxibutirato es,
cuantitativamente, el cuerpo cetonico predominante
en la sangre y orina en la cetosis.
L
ronos
SANGRE
-
Cuerpos
cetaniws
--+.*,,
Cuerpos cetonicos
,,
EXTRAWEPATICOS
cuerpos
cetonicos
del ácido
cítrico
Figura 24-6, Forrnacidn, utilizacion y excrecion de los cuerpos cetbnims. (La vía principal está indicada por las flechas
continuas )
AGL
'
Acii-COA
Ertefificacisn
I
(Acetii-
+
r,k,,igiiceroi
fosfolípido
beta Oxidacibn
COA^
Figura 24-7. Vias de cetogénesis en el hígado. (AGL, Bcidos grasos libres. HMG,3-hidroxi-3-metilglutaril )
Los cuerpos cetiinices se utilizan
como combustible para los tejidos
extrahepáticos
Aunque el hígado cuenta con un activo mecanismo
enzimático para la producci6n de acetoacetato a partir
de acetoacetil-COA, una vez que se forma, no puede
ser reactivado directamente en este 6rgano excepto en
el citosol de su5 cklulas, donde es precursor en la
síntesis del colesterol, una via mucho menos activa.
Esto explica la produccion total de cuerpos cet6nicos
por el hígado.
En los tejidos extrahepliticos, la principal via de
utilizacion para la activacihn del acetoacetato a acetoacetil-COA irnptica a la succinil-COA y a la enzima
succinil-COA-acetoacetato COA transferasa. E 1
acetato reacciona con la succinil-COA, y la COA se
transfiere para formar acetoacetil-COA. dejando suc.
cinato libre (figura 24-81. La acetoacetil-COA que se
produce, es separada en acetil-COA por la tiolasa y
oxidada en el ciclo del ácido cítrico como se muestra
en la figura 2 4 4 . Los cuerpos cetónicos son oxidados en
los tejidos extrahepáticos de modo proporcional a su
concentraci6n en la sangre. Si esta se eleva, la oxidación de los cuerpos cetonicos aumenta hasta que, a
una concentracibn de aproximadamente 12 mmol/L,
saturan la maquinaria oxidatíva. Cuando esto ocurre,
una gran proporcibn del consumo de oxígeno puede
deberse a la oxidación de los cuerpos cetónicos.
La mayoría de las pruebas sugieren que la cetonemia se dcbc a la elevadaproducci6n de cuerpos
cetónicos por el higado, mas que a una deficiencia en
Oxidación de cicrdo.7
graso.^:
cerogénesis 2 73
Figura 24-8. Transporte de cuerpos cetbniws desde el hígado y mecanismos de utilizacion y oxidación eii los tejidos
intra hepatioos.
su utilización por parte de los tejidos extrahepáticos.
Sin embargo, los experimentos con ratas despancreatizadas apoyan la posibilidad de que la cetosis en la
diabetes grave puede empeorar por una capacidad
reducida para catabolizar los cuerpos cetónicos. Aunque el acetoacetato y el D(-)-3-hidroxibutirato se
oxidan con facilidad por los te-jidos extrahepáticos, la
acetona es difícil de oxidar ir? vivo y una gran cantidad
se volatili~aen los pulmones.
En ta cetonemia moderada, la pérdida dc cuerpos
cetónicos a través de la orina es s610 un pequeño
porcentaje de su produccidn y utilización. Coma hay
efectos que semejan el renal (aunque no hay verdadero
umbral), Ios cuales varían entre especies y personas,
In medición de la cetonemia, no de la cetonuria, es el
método preferido para valorar la gravedad de la cetosis.
LA CETOGENESIS ES REGULADA
EN TRES PASOS CR~TICBS
1) Al principio, el control se ejerce en el tejido
adiposo. La cetosis no ocurre in vivo a menos que
haya una elevación concomitante en la concentraci6n de hcidos grasos libres en la circulación que
resulta de la lipólisis del triacilglicerol en el tejido
adiposo. Los ácidos grasos son los precursores
de los cuerpos cetbnicos en el hígado. Este brgano, tanto en el animal alimentado como en
ayuno, tiene la facultad de extraer 30% o más de
lbs ácidos grasos libres que pasan a través de él por
!o que, cuando hay concentraciones altas de Acidos
grasos libres, el flujo por el hígado es sustancial.
Por tanto, los factores que regulan la rnovi!i7acirjn
de los ácidos grasos desde el tejido adiposo son
importantes en el control de la cetogcnesis (figuras 24-9 y 27-9).
2) Uno de dos destinos esperan a los ácidos gracos
libres despukc de su captacidn por el hígado y de
ser activados a acil-COA: se oxidan en COz o en
cuerpos cethnicos, o se esterifican en triacilglicerol y fosfoiipido. La capacidad de esterificaci6n como un factor anticetogénico depende de la
disponibilidad, en el hígado, de precursores (figura
26-2) que suministran suficiente glicerol 3-fosfato. No obstante, la disponibilidad de glicerol
3-fosfato no limita la esterificacibn en hígados sin
nutrientes. No se sabe si su disponibi1idadchepática
es siempre el factor limitante en la esterificación;
tamvoco se tiene información critica acerca de si
las actividades in vivo de las enzirnac que intervienen en la esterificacibn son limitantes de la veloci-
t
AGL
..................................
SANGRE
Cuerpos cetbnicos
Figura 24-9. Regulacibn de la cetogenesic. @ a @,
muestra tres etapas cruciales en Ea via del metabolismo de
los acidos grasos libres (AGL) que determinan la magnitud
de la cetogenesis. (CPT-1, carnitina palmitoiltransferasa l.)
dad de reaccibn. Al parecer no es un proceso regulador ya que ni los hcidos grasos librec ni sus
intermediarios en la via de esterificación a triacilglicerol (figura 26-2) se acumulan jamás en el
hígado.
Los hígados con riego sanguíneo de ratas
hambrientas oxidaron considerablemente mlis hcidos grasos marcados con C" a ~ 0 ~ cI4
' "cuerpos
cetonicos y esterificaron menos como C'Lacilglicerol que los órganos de ratas nutridas. Estos
resultados pueden explicarse por el hecho de que
la actividad de la carnitina palmitoiltransferasa 1
en la membrana mitocondrial exterior, regula la
entrada de gmpos acilo de cadena larga en las
rnitocondrias antes de la beta oxidación (figuras
24-1 y 24-1 0 ) . Su actividad es escasa cuando hay
una nutrición adecuada, cuando la oxidacion de
hcidos grasos se encuentra deprimida; asimismo,
se eleva en ayunas, cuando la oxidación de ácidos
grasos aumenta. Malonil-COA es un intermediario
inicial en la biosintesis de hcidos grasos (figura
23-l), el cual aumenta en estado de nutrición, .
inhibe a esta enzima, lo cual bloquea la beta oxidacibn. Partanto, cuando lanutrición es adecurula, hay
lipogénecis activa y concentración elevada de
malonil-COA, que inhibe la carnitina palmitoiltransferasa 1 (figura 24-10). Los ácidos grasos
libres, cuando hay nutrición adecuada, entran a la
célula hepática en concentraciones bajas y son
ecterificados casi en su totalidad a acilgliceroles y
transportados fiera del hígado cn Eipoproteinas de
muy baja densidad (VLDL, del inglés vepy Iow
c l e n ~ lipoproteins).
i~
Sin embargo, conforme la
concentración de Acidos grasos libres aumenta con
el principio de la inanicihn, la acetil-COA se inhibe
y malonil-COA disminuye, desinhibiendo a la eanitina palrnitoil-transferasa I. al ticmpo que permite
que una cantidad mayor de acil-COA sea beta oxidada. Estos procesos se refuerzan en la inanicibn por
una caída en la proporción insulinaJglucag6n. El
resultado directo de este decremento es la inhibición
de la acetil-Coh carboxirasa en el higado mediante
fosforilación covaIente; cl indirecto es el aumento
en la lipblisis en el tejido adiposo y la liberacibn dc
ácidos grasos libres, los cuales,despuks de su capt a c i ~ n f, m a n acil-COA en el higado e inhiben la
acetil-COA carboxilasa (figura 24-1 0). Por tanto,
la beta oxidaciiin a partir de los ficidos gmos libres
se controla por la compuerta de la camitina palmitoiltransferasa 1 en el interior de la mitocondria, y se
esterifica el remanente de la captación de ácidos
grasos libres no oxidados.
3) A su vez, la acetil-COA formada en la beta oxidacion se oxida en el ciclo del ácido cítrico o entra
en la vía de la cetogénesis para formar cuerpos
cetbnicos. Conforme aumenta la concentracibn de
ácidos grasos libres séricos, un mayor número es
convertido en cuerpos cetonicos de modo proporcional y una cantidad menor es oxidada por la ruta
del ciclo del dcido cítrico a COZ.La reparticihn de
la acetil-COA entre la via cetogtnica y la de oxidación a COIes regulada de tal modo que laenergia
libre total que resulta de la oxidacibn de los hcidos
grasos atrapada en e1 ATP, permanece constante.
Es posible apreciarlo cuando se considera que la
oxidacibn completa de un mol de palmita10 conduce a una producción neta de 129 moles de ATP
por la via de la beta oxidacidn y la produccibn de
COZen el ciclo del acido citrico (vease antes), en
tanto que solo se producen 33 moles de ATP
cuando el acetoacetato es el producto final y sólo
21 moles cuando es el 3-hidroxibutirato. Por tanto, la
cetogenesis puede considerarse como un mecanismo que permite al higado oxidar grandes cantidades de hcidoc grasos dentro de un sistema de
fosforilacion oxidativa al parecer estrechamente
acoplado, sin aumentar su gasto total de energía.
Se han planteado otras varias hipótesis para
explicar la desviación de la oxidación de los acidos
Oxidaci&~de úciu'os grasos: cetog&ne.~is 275
t
f
H~GADO
AGL
Carbohidratos --)) Acetil-COA
Esterificac16n
Acll-CaA
Ac~lgliceroles
ACETIC-COA
.
-.
Insultna
Glucagon
Malonil-COA
.
- - .F
CARNITIIVA
PALM lTOlL
TRANSFERASAj
I
,
Acil-CzA
.
.
-
beta Oxidacibn
Mitocondria
,
Acetil-COA
Coz
Figura 24-10. Regulacion de la oxidacibn de Bcidoc grasos de cadena larga en el higado (AGL, ácidos grasos libres; VLDL,
lipoproteinas de muy baja densidad.} Los efectos reguladores, positivos @ y negativo O están representados por líneas
punteadas y el flujo de sustrato por líneas continuas.
graso5 de la formaci6n de COzhacia la cetogdnesis.
Teóricamente, una caída en la concentracibn de
oxalacetato, en particular dentro de las mitocondrias, podria restar capacidad al ciclo del Acido
cítrico para metabolizar la acetil-COA. Esto puede
ocurrir debido a un incremento en la relacidn
~ADH]/[NAD'], producido a su vez por la elevación de la k t a oxidación, lo cual puede afectar
el equilibrio entre el oxalacetato y el malato, con
disminución de la concentración del oxalacetato.
Krebs ha sugerido que, puesto que el oxatacetato se
encuentra tambitn en la vía principal de la gluconeogénesis, lapotenciación de esta, que disminuye
la concentración de oxalacetato, puede ocasionar
las formas graves de cetosis que se encuentran en la
diabetes, así como la cetosis del ganado. No obstante, Utter y Keech han mostrado que la piruvato
carboxilasa, que cataliza la conversion del piruvato en
oxalacetato, es activada por la acetil-COA. En consecuencia, cuando existen cantidades importantes
de acetil-COA, debe haber suficiente oxalacetato
para iniciar la reacciiin de condensacion en el ciclo
del ácido cit~ico.
ASPECTOS CC~NICOS
La oxidación defectuosa
de los ácidos gracos da origen
a enfermedades que con frecuencia
se acompañan de hipoglucemia
La deficiencia de carnitina puede presentarse en
particular en recién nacidos -y de modo especial en lactantes prematuros- debido a hiosíntesis insuficiente
o escape renal. Su pérdida también puede darse en
hemdiálisis; los pacientes con aciduria pierden grandes cantidades de carnitina, que se excreta conjugada
con los acidos orginicos. En algunos individuos, la
deficiencia de carnitina indica un requerimiento
dietético semejante al de las vitamina. Los signos y
sintomas de deficiencia incluyen episodios peribdicos
de hipoglucemia causados por la reduccion de la
gluconeogénesis que resulta de una oxidación defectuosa de hcidos grasos y de cetogénesis en presencia
de concentraciones plasmáticas elevadas de AGL, que
conducen a la acurnulaci6n de lipidos con debilidad
muscular. El tratamiento es mediante suplementación
oral de carnitina, Los síntomasson semejantes al síndrome
de Reye (encefalopatía con degeneracidn grasa de las
vísceras), pero en este hltimo las cantidades de
carnitina son adecuadas y su origen se desconoce.
Por otro lado, la deficiencia de carnitina palmitoiltransferasa 1 afecta sólo al hígado y conduce a
reduccion de la oxidacihn de acidos grasos y cetogcnesis con hipoglucemia. Por su pme, la deficiencia de
carnitina palmitoi~transferasaF1 afecta de manera
primaria al músculo esquelético (debilidad y necrosis
con mioglobiniiria) y, en su forma más grave, al hígado.
En un patrhn semejante, las sulfonilureas hipoglucémicas (glihurida [glibenclamida]y tolbutamida) reducen
la oxidación de iicidos grasos por medio de la inhibición de la camitina palrnitoiltransferasa.
Los defectos hereditarios en las enzirnas de la
beta oxidación también ocasionan hipoglucemia,
coma e higado graso; por ejemplo. la deficiencia de !a
beta oxidación-COA deshidrogenasa de cadena larga
puede ser una causa de hígado graso agudo en el
embarazo. Se conocen bien los defectos en Ios genes
para la 3-cetoacil-COA tiolasa. También se han ohservado errores innatos de la cetogénesis, como es el caso
de la deficiencia de H MC-COAliasa, la cual también
afecta la degradacibn de leucina, un arninohcido cetogénico (capítulo 32).
La enfermedad jamaiquina del vbmito es
causada por comer fruta sin madurar del árbol a h e
(Blighia sapidaj que contiene una toxina, hipoglicina, la cual inactiva a la acil-Co.4 deshidrogenasa
de ácidos grasos de cadena media y corta, inhibiendo
la beta oxidación y causando hipoglucemia con excreción de ácidos mono y dicarboxilicos de cadena media
y corta.
La aciduria dicarboxilica se caracteriza por la
excreción de Bcidoc omega dicarboxilicos C ~ IyDpor
la hipoglucemia no cetbtica. Su causa es la falta de
acil-COA deshidroeenasa
de cadena media en lar
"
mitocondrias. Esto altera la beta oxidacibn, pero incrementa la omega oxidación de acidos grasos de
cadena larga y media, que luego son acortados por la
beta oxidacibn, a ácidos dicarboxilicos de cadenas
media y corta, !os cuales son excretados. En la actualidad
se sabe de deficiencias de acil-COA deshidrogenasas
de cadena larga y media, junto con deficiencias de
hidroxiacil-COA deshidrogenasa y 2,4-dienoil-COA
reductasa, la cual conduce a excreción urinaria de
2-truns-4-crs decadienoilcarnitina como consecuencia de la deficiencia de Ea beta oxidacibn de ácidos
grasos pol iinsaturados.
La enfermedad de Refsum es un trastorno
neurolbgico poco común causado por acumulación de
ácido fithnico, formado del fitol, un constituyente de la
clorofila que se encuentra en alimentos vegetales. El
ácido fithnico contiene un grupo metilo en el carbono
3 que bloquea la beta oxidación. Normalmente, una
alfa oxidación inicial elimina at grupo metilo, pero las
personas con esta enfermedad tienen un defecto
hereditario en la alfa oxidación que permite la aciimulaci6n del hcido fithnico.
El sindrorne de: Zellwegcr (cerebrohepatorrenal) se presenta en individuos con una rara ausencia
hereditaria de peroxisomas en todos los te,jidos. Este
defecto causa la acumulación de ácidos poliénicos Ct6
a Cis en el tejido encefalico, debido a Ia incapacidad
para oxidar ácidos grasos de cadcna larga en los
peroxisomac, aunque también presenta una perdida
generalizada de las funciones peroxisdmicas, como la
deficiencia en la síntesis de hcido biliar y de &eres de
Iípido~.
La cetoacidosis se debe
a la cetosis prolongada
La presencia en sangre u orina de cantidades de cuerpos
cetónicos mayores de las normales constituye cetoancmia (hipercetonemia) o cetonuria, respectivamente. El trastorno global se llama cetosis. Los
ácidos acetoacético y 3-hidroxibutirico son ácidos moderadamente fuertes y necesitan ser amortiguados
cuando se presentan en la sangre o en los tejidos. No
obstante, su excreción continua en cantidad produce
cierta pbrdida de amortiguamiento catiónico (a pesar
de la produccibn de e o n i a c o en el riñón) que agota de
manera progresiva la reserva de álcali, causando cetoacidosis, que puede ser mortal en diabetes sacarina
no controlada.
La forma más simple de cetosis tiene lugar en la
inanicihn y se debe a la deplecibn de los carbohidratos
disponibles acoplada con la movilizacic5n de ácidos
grasos libres. Al parecer, ningún otro trastorno donde
se presenta la cetosis difiere cualitativamente de este
patrbn general de metabolismo, aunque: en el aspecto
cuantitativo puede exagerarse para producir los
estados patológicos encontrados en diabetes sacarina, toxernia gravidica en ovejas y cetosis en
vacas cn lactancia. Forrnas no patológicas de cetosis
se encuentran en condiciones de alimentación rica en
grasas y despues de ejercicio extenuante durante el
periodo posabsorción.
RESUMEN
1) La oxidaci6n de los ácidos grasos en las mitocondrias produce cantidades abundantes de ATP por
un proceso llamado beta oxidacibn, el cual escinde
en secuencia las unidades de acetil-COA de las
cadenas de acidos grasos. La acetil-COA se oxida
en el ciclo del ácido citrico, con formación adicional de ATP.
2) La oxidación de hcidos grasos de un numero impar
de carbonos produce acetil-COAmás una molkcula de
propionil-COA, que es glucogenica.
OxidaciBn de ácidos grasos: cetogénesis
3) Los peroxisornas tienen la propiedad de oxidar
ácidos grasos de cadena muy larga, pero siilo hasta
octanoil-COA que luego debe ser transferido a las
mitocondrias para oxidacihn ulterior.
4) Los cuerpos cetónicos (acetoacetato. 3-hidroxibutirato y acetona) se forman en las mitocondrias
hephticas cuando hay un índice elevado de axidacion de hcidos grasos. La vía de la cetogknesis
comprende la formacion y degradacion de 3hidroxi-3-metilglutaril-COA(HMG-COA) por acc i o n d e dos e n z i m a s c e t o g é n i c a s claves,
HMG-COA sintasa y HMG-COA liasa.
5) Los cuerpos cetónicos son energéticos importantes
en los tejidos extrahepáticos.
2 77
6 ) La cetogdnesis es regulada en tres etapas criticas:
a) control de la movilización de acidos grasos
libres del tejido adiposo; b) actividad de carnitina
palmitoiltransferasa 1 en el hlgado, la cual determina la proporción del flujo de hcidos grasos hacia
oxidación en lugar de esterificacilin; c) reparticion
de acetil-COAentre las vías de cetog4nesis y ciclo del
Acido cítrico.
7) Las enfermedades relacionadas con el deterioro de
la oxidacion de ácidos grasos conducen a hipoglucernia, infiltración de grasa de órganos e hipocetonernia.
8 ) La cetosis es leve en la inanicihn, pero grave en
diabetes sacarina y en la cetosis de rumiantes.
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insa+.uñadosy de Aos eicosanoides
Peter A. Mayes, PhD, DSc
Comparados con los vegetales, los tejidos animales
tienen una capacidad limitada para desaturar a los ácidos
grasos. Por esto requieren ingerir en los alimentos,
ciertos ácidos grasos poliinsaturados derivados en
última instancia de fuentes vegetales. Tales &cidos
grasos esenciales dan origen a los acidos grasos eicosanoicos (&),de los que dwivan familias de compuestos
conocidos como eicosanoides. Estos constitiiyen las
prostaglandinas, los tromboxanos, los leucotrienos y
las lipoxinas.
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
El contenida de iicidos grasos insaturados en un lipido
natural es un determinante principal de su punto de
fusibn y, por tanto, de su fluidez. De modo similar, los
fosfolipidos de la membrana celular contienen hcidos
grasos insaturados importantes en la conservación de
la fluidez de la misma membrana. Una proporción alta
de ácidos grasos poliinsaturados a Acidos grasos
saturados (proporcibn P:S) en la alimentación es un
factor importante para reducir el colesterol plasmático por
medios dietéticos y se considera benifico en la prevención de la enfermedad coronaria. Las prostaglandinas y tromboxanos son hormonas locales sinteti~adas
con rapidez en el momento en que se necesitan y que
actiian cerca de sus sitios de sintesis. Las principales
actividades fisiol6gicac de las prostaglandinas son
como reguladores de la acci6n de la adenililo ciclasa,
por ejemplo, 1 ) en el control de la agregaclon
plaquetaria y 2) en la inhibicibn del efecto de la hormona antidiuretica en el riR6n. Los antiinflamatorios
no esteroides, como la aspirina, actiian mediante la
inhibición de la síntesis dc prostaglandinas. Por su
parte, los leucotrienos causan contracción mizccular y
tienen propiedades quimiotácticas, que sugieren una
intervencicin importante en las reacciones aldrgicas y
en la inflamacibn. Se ha identificado a la sustancia de
reaccihn lenta de la anafilaxia (SRL-A} como una
mezcla de leucotrienos. Variando las proporciones
dietkticas de los diferentes Bcidos grasos poliinsaturados, es posible influir en el tipo de cicosanoides
sintesiz,ados, lo cual indica que sería posible modifícar
el curso de la enfermedad por medio de la alimentacibn.
LOS MAM~FEROSNO PUEDEN
SINTETIZAR ALGUNOS ÁCIDOS
GRASOS POLIINSATUMDOS
POR LO CUAL SON ESENCIALES
EN LA NUTRICIÓN
En la figura 25-1 se muestran algunos Iicidos grasos
insaturados de cadena larga, de importancia en el
metabolismo de los mamíferos. (Para una revisión de la
nomenclatura de los ácidos p s o s , capitulo 16.)
Otros ácidos grasos polienoicos de C2n, Cz: y Cz4
pueden detectarse en los tejidos. Estos pueden ser
derivados de los ácidos oleico, linoleico y alfa linolénico mediante el alargamiento de las cadenas. Es
de notarse que todos los enlaces dobles presentes en
los ácidos grasos insaturados naturales en los
mamiferos, son de la configuración cis.
Los acidos palmitoleico y oleico no son esenciales en la alimentacidn, debido a que los te.jidos
pueden introducir una doble ligadura en la posicidn
A9 en el Acido graso saturado correspondiente. Los
experimentos con el palmitato marcado han demostrado que la marca penetra libremente al interior
dobles ligaduras en las posiciones A ~ A, ~ A6
, y A'
(contando desde la terminal carboxilo: capítulo 163. pero
nunca más allá de la posición A'. Por el contrario, los
vegetales pueden introducir dobles ligaduras en las
posiciones &'l y A", y de esta manera pueden sintetizar acidos grasos esenciales en la nutrición.
LOS ÁCIDOS GRASOS
MONOlNSATURADOS SE
SINTETIZAN POR UN SISTEMA
DE DESATURASA A'
En cuanto a los ácidos grasos monoinsaturados no
esenciales, se considera que varios tejidos incluyendo
al hígado, se encargan de su forrnacibn a partir de
ácidos grasos saturados. La primera doble ligadura
introducida en un acido graso saturado es siempre en
las cercanias de laposicibn A'. Un sistema enzimAtico,
A9 desaturasa (figura 25-2), en el retículo endoplacEstearoil-COA+ Enzima
COOH
20
*Acido amquidbnico (cii6. 20.4, d5,B,11-14
Estearoil-Enz
Ácido eicosapentaenoico ((03.20:5.A ~ ~ ~f ~ ' . ~ ~ , ~
Figura 25-1. Estructura de algunos ácidos grasos insaturados. Aunque los átomos de carbono en las moléculas ecthn
numerados de manera convencianal, es decir, a partrr del
carboxilo terminal, los números m (porejemplo, w 7 en el Acido
pafmitoleico) se calculan desde el extremo opuesto (del
metila terminal) de las mol8culas. La informacibn entre
paréntesis muestra, por ejemplo, que el acida U-linolénica
contiene dobles ligaduras comenzando en el tercer carbono
desde el metila terminal, su cadena es de 18 carbonos w n
tres dobles ligaduras en los carbonos novena, duodécimo y
decimoquinto desde el carboxilo temlnal ("Clasificado como
"hcido graso esencial".)
de los acidoc pahitolcico y oleico, pero se haya ausente de los ácidos Iinoleico, y alfa linolénico. Estos son
los únicos ácidosgmos conocidosque son esenciales para
lanutricion completa de muchas especies de animales.
incluyendo al ser humano, por lo que deben incluirse
en la dieta; en consecuencia se conocen como Acidos
grasos esenciales en la nutrición.El acida araquidónico
puede formarse a partir del hcido linoleico en la mayoria
de los mamíferos (figura 2 5 4 ) , pero no en los felinos,
donde debe clasificarse como ricido graso esencial. En
la mayoria de 10s animalec, es posible introducir
COA SH
hansferasa
Oleil-COA+ Enzima
Figura 25-2. Sistema de desaturasa rnicrosbmica 3"
Mefabolismo de los Ucidos
mico catalizara la conversi611 de palmitoil-CoA o
estearoil-CoA en palmitoleil<oA y oleiE<aA, respectivamente. El oxigeno, NADPH o el NADH son
necesarios para la reaccibn. Las enzimas parecen ser
las de un sistema típico de monooxigenasa que involucm al citocromo hs (hidroxilasa; capitulo 13).
LA S~NTESISDE ÁCIDOS GRASOS
POLIINSATURADOS IMPLICA A
LOS SISTEMAS ENZIMATICOS
DE DESATURASA Y ELONGASA
Los dobles enlaces adicionales introducidos en los
ácidos grasos monoinsaturados siempre se separan uno
de otro por un grupo metileno (intempcidn metilénica),
excepto en las bacterias. En los animales, los enlaces
dobles adicionales son introducidosentre el enlace doble
existente y el grupo carboxilo, pero en las plantas
pueden tambien ser introducidos entre el enlace doble
existente y el carbono omega (metito terminal). Así,
dado que los animales tienen una A' desaturasa, son
Acido
.r
;18.2
-
20:2
graso.^
iniaturadmy de los eico.~anni&s 28 1
capaces de sintetizar completamente la familia omega
9 (ácido oleico) de ácidos grasos incaturados mediante
una combinación de alargamiento de la cadena y
desaturacion (figura 25-3 ). Sin embargo. puesto que
son incapaces de sintetizar ácidos linoleico (omega6) o
alfa IinolCnico (omega3), al estar ausentes las desaturasas necesarias, estos hcidos necesitan ser surninistrados en la dieta para que se efectúe la síntesis de
los demás miembros de la familia omega6 y omega3
de los ácidos grasos poliinsaturados. El linoleato puede
convertirse en araquidonato (figura 2 5 4 ) . Al principio, la vía es por deshidrogenacibn del éster COA a
aavks de gamma linolenato, seguida por la adición
de una unidad de dos carbonos de la malonil-COA en
el sistema microsiimico de alargamiento de las cadenas
(figura 2 3 4 ) ) ,para producir eicosatrienoato (dihomo
gamma linolenato). Este último forma araquidonato
mediante una deshidrogenacibn ulterior. El sistema
deshidmgenantc es semejante al descrito antes para los
acidos grasos samrados. El requerimiento nutricional
para el araquidonato puede, por tanto, omitirse cuando
hay linoleato en la alimentación.
-*
20:J----+
22:3
m--+-
+ 22-4
la deficiencia
de acidos grasos
esenciales
/@
20.2
E
I
I
I
Ácido a-linolbnico
Figura 2 5 3 . Biosintesis de las series w9,(06 y m3 de Bcidos grasos poliinsaturados.Cada paso es cataltzado por los cisternas
rnicros6rnims de alargamiento de la cadena o sistema desaturasa. Los Bcidos grasos poliinsaturados m 9 sólo se vuelven
cuanttativamente importantes cuando los ácidos Iinoleico y a-linol&nico se restringen en la dieta Esto se debe a que cada
serie compite por los mismos sistemas enzirnátims y las afinidades decrecen desde la familia 0 3 a la 09.
inhibicibn).
(e,
o
II
C-S - C O A
IB
O7
+
NADH
+ H+,,
1
(Maionil-COA,NADPH)
O7
+
NADH
+ Ht-,
DE AiARGAMIEN'TO
1
C-S
-COA
m
Figura 2 5 4 . Converstbn del linolealo en araquidonato. Los gatos no pueden reafizar esta wnversibn ya que no poseen ri6
desaturasa y deben recibir araquidonata en su atimentacibn.
La desaturacibn y el sistema de alargamiento de las
cadenas están muy disminuidos en el estado de ayuno,
en la administración de glucagón y adrenalina y ante
la falta de insulina como en la diabetes sacarina tipo 1.
CUANDO LA DIETA CARECE
DE ÁCIDOS GRASOS ESENCIALES
(AGE), SE PRODUCEN SINTOMAS
DE DEFICIENCIA
En 1928, Evans y Burr notaron que las ratas alimentadas con una dieta purificada libre de lipidos a la cual
se habían afíadido las vitaminas A y D, manifeszaban
reduccibn de lavelocidad de crecimiento y deficiencia
reproductiva. Trabajos posteriores mostraron que el
sindrome de deficiencia se curaba mediante la adicibn
de hcidos linoleico, alfa linolénico y araquidbnico
a la alimentaci6n. Posteriores características diag-
n6sticas del sindrome incluyen piel con escamas, necrocis de la cola y lesiones en el sistema urinario,
aunque el trastorno no es mortal. Estos ácidos grasos
se encuentran en concentraciones altas en diversos
aceites vegetales (cuadro 16-21 y en cantidades pequeiias en los canales de animales.
Las funciones de los ácidos grasos esenciales
parecen ser diversas, aunque no bien definidas,
ademas de la fomaci6n de prostaglandinas y leucotrieno (vease después). Los hcidos grasos esenciales
que se hallan en los lipidos estructurales de la cklula
se relacionan can la integridad estructural de la membrana rnitocondrial.
Las membranas celulares contienen hcido
araquid6nico que constituye entre S y 15% de los hcidos
grasos de fosfolípidos. El ácido docosahexaenoico
(DHA; ornega3,2:6),que se sintetiza a partir de Acido
alfa linolknico o se obtiene de manera directa de aceites
de pescados, existe en concentraciones elevadas en la
Metaboll~mode los ácidos grasos insaturudosy de los eico.~anoides 283
retina,la cortezacerebral, tos testículosy e! esperma El DEIA
se requiere en particular durante el desarrollo cerebral
y es suministrado a través de la placenta y la leche. Los
segmentos exteriores de los bastones de la retina
contienen concentracionesmuy altas de DHA; la mayoria
de los fosfolípidos contiene al menos rnolkculas de
éste. Al parecer la gran fluidez resultante se necesita
para el funcionamiento de la rodopsina, que consiste
en activacion por un fotbn que produce movimientos
laterales y rotatorios dentro de la membrana. En los
pacientes con retinitis pigmentosa se encuentran
valores sanguíneos bajos de DHA. Los recikn nacidos
prematuros tienen una baja actividad de A4 desaturasa,
lo cual reduce su capacidad para sintetizar DHA a
partir de precursores de ácidos grasos n-3.
En muchas de sus funciones estructurales, los
ácidos grasos esenciales se hallan presentes en los fosfolipidos, principalmente en Ea posición 2. En la deficiencia de hcidos grasos esenciaIes, los hcidos
pol ienoicos no esenciales de la serie omega9 reemplazan
a los ácidos grzisos esenciales en los fosfolipídos, otros
Iípidos complejos y membranas, en particular el hcido
A'.*.' '-eicosatrienoico (figura 25-31, Pasa diagnosticar
el grado de deficiencia de los ácidos grasos esenciales
puede usarse la proporción trieno:tetraeno en los lipidos plasmáticos.
LOS EICOSANOIDES SE FORMAN
DE ÁCIBOS GRASOS
BOLllNSATURADOS C20
El araquidonato y algunos otros ácidos grasos Czocon
enlaces interrumpidos por metilenos dan origen a los
eicosanoides, compuestos activos de manera fisiológica
y famacológica, conocidos como prostaglandinas
(PC), trornboxanos (TX) y leucotrienos (LT) y
aipoxinas (LX) (capítulo 16). En el aspecto físiológico,
sc considera que actiian como hormonas locales que
funcionan a travds de receptores enlazados a proteína
G para estimular sus efectos bioquímicoc.
El araquidonato, que habitualmente deriva de la
posición 2 de los fosfolípidos de la membrana plasmhtica, como resultado de la actividad de la focfolipasa
A2 (figura 26-6), es e[ sustrato para la síntesis de los
compuestos PGz, TX2,LT4 y LXs. Sus vías metabólicas
son divergentes, compitiendo la síntesis de las series
PG2 y TX: (prostanoides) con la de LT4 y LX4 por
el sustrato araquidonato. Estas dos vías se conocen
respectivamente como la via de la ciclooxigenasa y
la de la lipoxigenasa (figura 25-5).
Hay tres grupos de eicosanoides (cada una conteniendo PG, TX, LT y posiblemente LX) que con
sintetizados de ácidos eicosanoicos Czoderivados a
partir de los ácidos grasos esenciales, linoleato y alfa
tinolenato, o directamente del araquidonato y eicosapentaenoato en la dieta (figura 2 5 4 ) .
Los ácidos grasos trans pueden
competir con ácidos grasos cis
Se han encontrado pequehas cantidades de ácidos p o s
con insaturación truns en las grasas de los rumiantes,
donde se originan por la accihn de los rnicroorganismos en et turnen; pero la presencia de cantidades
abundantes de ácidos grasos trans-insaturados en los
aceites vegetales parcialmente hidrogenados (por
ejemplo, margarina) plantea la interrogante respecto
a su seguridad como aditivos de alimentos. Sus efectos a largo plam en el ser humano son dificiles de
valorar, aunque han estado en la alirnentaci6n humana
por muchos aííos. Hasta 15% de hcidos grasos tisulares se han hallado en la configuracibn bram durante las
necropsias. Sin embargo, hasta la fecha, ningún efecto
grave ha sido comprobado. Son metabolizados más
como hcidos saturados que como hcidos insaturados
de forma cis. Esto puede deberse a su conformaci6n
semejante de cadena lineal (capitulo 16). A este respecto, tiende a elevar las concentraciones de LDL y
bajar las de HDL y por tanto se contraindican en
relación con el incremento de aterosclerosisy enfermedad
coronaria. Los hcidos grasos trans-poliinsaturados no
poseen actividad de ácido graso esencial por lo que
pueden antagonizar el metabolismo de los hcidos grasos
esenciales y agravar su deficiencia.
LA S~NTESISDE PROSTANOIDES
SE E F E C T ~ APOR LA V ~ A
DE LA CICLOOXIGENASA
La sintesis de prostanoides (figura 25-7) implica el
consumo de dos moléculas de 0 7 catalitadas por la
prostaglandina-endoperbxidosintasa, la cual posee
dos actividades enzimhticas separadas, cidooxigenasa y peroxidasa. El producto de la vía de la
ciclooxigmasa,, un endoperóxido (PGH), es convertido
en las prostaglandinas D, E y F así como en el tromboxano (TXAz) y la prostaciclina (PGI2). Cada tipo
celular produce una sola clase de prostanoide. La
aspirina, la indometacina y el ibuprofeno inhiben a
la ciclooxigenasa.
La actividad de los ácidos grasos
esenciales y la producción de
prostaglandinas está correlacionada
Aunque existe una notable comlaci6n entre Ia actividad de ácido graso esencial en varios hcidos grasos y
su propiedad de convertirse en prostaglandinas, al
parecer los hcidos grasos esenciales no ejercen todos
sus efectos fisiolbgicos a travds de la síntesis de estas
últimas. La fÜnci6.n de los ácidos grasoc esenciales en
Fosfollpldo de la membrana
,
Varios estimulos. oor
ejemplos, angiotensina II.
bradicinina,adrenalina.
trombina
FOSFOLtPhm
o
\
Corticosteroides
antiinflamatorios
Leucotrienos
y llpoxlnas
Brostaglandinas
y tromboxanoc
Aspirina
lndometacina
Ibuprofeno
Figura 2 5 6 . Conversión del Acido araquidbnico en prostaglandinas y tromboxanos por la vía de la ciclooxigenasa y en
leucotrienos y lipoxinas por la vía de la Iipoxigenasa. El esquema indica por q J los esteroides que inhiben la produoción total
de los eicocanoides, son mejores agentes antiinflamatorios que los medicamentos análagos de la aspirina, los cuales sblo
inhiben la via de la ciclooxigenasa. Se piensa que los antiinflamatorios esterordes inhiben la fosfolipasa A2 por ~nduccibnde
una proteína rnhibidora llamada Iipocortina
la fortnacibn de membranas no se relaciona Con la
formacidn de prostaglandinas, las cuales no alivian los
síntomas de deficiencia de los hcidas prasos esenciales
y un sindrome por esta deficiencia no es causado por
inhibicibn crbnica de síntesis de prostaglandinas.
La ciclooxigenasa es una
"enzima suicida"
La "suspensibn" de la síntesis de prostaglandinas se
logra en parte por una propiedad notable de la ci-
clooxigenasa: la de catalizar su propia destt-ucci~n;es
decir, es una "enzima suicida". La inactivacibn de las
prostaglandinas es ripida. La presencia de la enzima
15-hidroxiprostaglandina deshidrogenasa en l a
mayoría de los tejidos de mamíferos es quizh la causa
principal. El bloqueo de la a c c i ~ nde esta enzima con
sulfasalacina o indometacina puede prolongar la vida
media de las prostaglandinas en el cuerpo.
Ieucotrienos. El primero en ser sintetizado es el Ieucotrieno As,que a su vez es metaboli~adoa leucotrieno
R4 o a C4. Este ultimo se forma por la adicibn del
péptido glutation mediante un enlace tioéter. L a eliminación subsecuente del glutamato y la glicina genera
en secuencia a los leucotrienos Ds y L.
Las lipoxinas con una familia de tetraenos conjugados tambKn presentes en los leucocitos. Se forman
por la acciiin combinada de una lipoxigenasa, que
introduce mas oxigeno en la molecuIa. Varias lipoxinas (LXA4 a LXE4) se forman de manera similar a la
descrita antes para los leucotrienos.
ASPECTOS CL~NICOS
El ser humano también muestra
síntomas cuando tiene deficiencia
de ácidos grasos esenciales
En seres humanos cuyas dietas carecen de los ácidos
LOS LEUCoTRIENoS Y LAS LIPOXINAS
SE FORMAN POR LA VIA DE
LA LlPOXlGENASA
Los leucotrienos son una familia de trienos conjugados que se forman a partir de hcidos eicosanoicos
en los leucocitos, cilulas de los rnastocitomas,
plaquetas y macrófagos por la vTa de la Iipoxigenasa
en respuesta a estimulos inmunologicos y no inmunoIógicos (figura 25-31. Tres diferentes lipoxigenasas
(dioxigenasas) insertan oxigeno en las posiciones 5,
12 y 15 del ácido araquidbnico, dando origen a hidroperoxidos (HPETE). Solo la 5-lipoxigenasa forma
grasos esenciales, se-observan síntomas cutheos y
deterioro del transporte de lipidos. En los adultos que
subsisten con alimentacion ordinaria, no se ha informado
de signos de deficiencias de Acidos graos esenciales.
Sin embargo, lactantes a~imentadosconf6rmulas pobres en grasas, desarrollaron defectos cutaneos que se
curaron mediante la administracibn de linoleato. Las
deficiencias atribuibles a falta de ácido5 grasas esenciales. incluyendo ácido alfa Iinolénico, ocurren también
en pacientes que reciben exclusivamente nutricion
intravenosa pobre en lipidos por periodos Iargos. La
deficiencia puede prevenirse mediante la ingestión de
un ticido graso esencial de I a 2% del requerimiento
calórico total.
Metabolismo de los ácidos graaTosinsulzarudo.~
y de los eicosanoides
285
Dieta
1
y-linolenato
kPC
B , l l,l4-Eiwsatrienoato
(dihorno-7-linolenato)
f icosatstraenoato
Eicosatetraenoato
\
Octadecatetraenoato
5,$,11,14,17-
Eiwsapentaenoato
t
Dieta
t
Dieta
Figura 2 5 6 . Los tres grupos de eicosanoides y sus orígenes biasint&ticos. (PG, prostaglandina: PGI, prostaciclina; TX,
trornboxano; LT, leucotriene, U(,lipoxina; @ vía de la ciclooxigenasa; @ via de la Iipoxigenasa.) El subíndice denota el
numero total de dobles ligaduras en la molécula y las series a las cuales pertenece el compuesto.
En varias enfermedades
e! metabolismo de ácidos
grasos esenciales es anormal
Ademb de la deficiencia de icidos grasos esenciales y
de los cambios en los patrones de acidos grasos insatwrados en la desnutrición crónica, se ha observado un
metabolismo anormal de hcidos grasos esenciales, el
cual puede estar conectado con insuficiencia dietktica
en la fibrosis quisrica, acrodermatitis enteropatica,
síndrome hepatorrenal, síndrome de Sjtjgren-Larsson,
degeneracion neurona1 multisistimica, enfermedad de
Crohn, cimsis y alcoholismo y en el síndrome de Reye.
En los cerebros de pacientes con el síndrome de
Zellweger (capítulo 24) se han encontrado concentraciones elevadas de ácidos polienoicos de cadenas muy
largas. Las dietas con una alta proporción P:S (ácidos
grasos pol iinsaturados: saturados) reducen las concentraciones del colesterol sérico. en particular en las
lipoproteinas de baja densidad. Esto se considera
benéfico en vista de la retacion entre la concentración
sbrica de colesterol y la enfermedad coronaria.
t o s prostanoides son potentes
sustancias biológicamente activas
Los tromboxanos se sintetizan en las plaquetas y su
liberación produce vasoconstricción y agregacibn
plaquetaria. Las prostaciclinas (PG12) son producidas por las paredes de los vasos sanguíneos y son
potentes inhibidorec de la agregación plaquetaria. Por
tanto, tromboxanos y prostaciclinas son antagónicos
286 Bioquirnica de Harper
(Capítulo 23)
COOH
Araquidonato
*
-8Aspirina
Indometactna
lbupmfeno
6-ceto PGFl,
COOH
OH
OH
OH
OH
Figura 25-7. Conversibn del heido araquidbnica en prostaglandinas y tromboxanos de la serie 2. (PG, prostaglandina. TX,
tromboxano, PGI, prostaciclina, HHT, hidroxiheptadecatnenoato.)' (Lasdos adivklades se atnbuyen a una enzima, prostaglandina
endoperbxido stntasa. Conversiones semejantes tienen lugar en las prostaglandinas y tromboxanos de la sene 1 y 3).
L,a escasa frecuencia de cardiopatias, la agregacibn
plaquetaria disminuida y los tiempos prolongados de
coagdacibn de los esquimales de Groenlandia se han
atribuido a su elevada ingestion de aceites de pescado que
contienen205 omega 3 (EPA o ácidoeicosapentaenoico),
el cual da origen a la serie 3 de las prostaglandinas
(PG3)y de los tromboxanos TX3 (figura 2 5 4 ) . La PG3
y el TX, inhiben la liberacibn de araquidonatos de los
fosfollpidos y la ~onfomaci6nde PGz y TXz. La PGI,
es tan potente como antiapgador plaquetario como la
PGI2;pera el TXA3 es un agregador más dkbil que eE
TXA2; par tanto, el equilibrio de la actividad est6
desplazada contra la agregacibn. Ademas, las concentraciones plasmhticas de colesterol, triacilglicerol y de
las lipoproteinas de baja densidad y de muy baja
densidad, son todas bajas en los esquimales, en tanto
que las de lipoproteinas de alta densidad esthn elevadas; se considera que todos estos factores operan
contra la aterosclerosis y el infarto del miocardio.
Concentraciones de prostaglandinas tan pequehas
como de 1 ng/mL provocan la contraccibn del músculo
liso en los animales. Los usos terapéuticos potenciales
incluyen la prevencirin de la concepcihn, la induccibn
del parto a tkrmino, la terminación del embarazo, la
prevencibn o alivio de las úlceras gástricas, el control
de la inflamacibn y de Ia presión arteria1 y el alivio del
asma y de la congestión nasal.
Las prostaglandinas aumentan el cAMP en las plaq w , tiroides, cuerpo lúteo, hueso fetal, adenohipófisis
y pulmones, pero lo disminuyen en las dlulas de los
tiibuloc renales y en el tejido adiposo (capítulo 27).
Los leucotrienos y las lipoxinas
son potentes reguladores de muchos
procesos patológicos
La sustancia de reaccibn lenta de la anafilaxia (SRL-A)
es una mezcla de los leucotrienos G, D4y E4. Esta
Merahnlismn de los úcrdos grusos insaiurados y de los eicosunoides
287
COOH
+
COOH
Leucotrieno 8 4
-/
b
Leumtrieno &
Lipoxinas. es decir. LXA4
Giutat'6n
Acido glutamico
Cisteina
Leucntrieno C4
Leucotrieno D4
Leucotrieno E*
Figura 25-8. Conversidn del Acido araquiddnico a leucotrienos y Iipoximas de la serie 4 por la via de la lipoxigenasa Algunas
conversiones similares se presentan en las serres 3 y 5 de los leucotrienos. (HPETE, hidroperoxieicosatetraenoato, HETE,
hidroxieicosatetraenoato) @ peroxidasa,
leucotrieno A4 epdxldo hidrolaca, @ @utatibn S-transferasa; @ y-glutamrRransferasa,@ ~isteinilglicina
dipeptidasa.)
a
mezcla es entre 100 y 1000 veces más potente que la
histamina o las prostaglandinas como constrictor de
la musculatura de las vias respiratorias bronquiales.
Estos leucotrienos junto con el Bd provocan también
la permeabilidad vascular, la atraccibn y activacibn de
los leucocitos y parecen ser reguladores importantes
en numerosos trastornos que invoiucran reacciones
inflamatorias o de hipersensibilidad inmediata como
el asma. Los leucotrienos son vasoactivos y la 5lipoxigenasa se ha encontrado en las paredes arteriales.
Existen pruebas de que las lipoxinas participan
en las funciones vasoactivac e inmunosreguladoras,
por ejemplo, como contrarreguladores (chalonas} de
la respuesta inmunitaria.
RESUMEN
1) La biosintesis de los iicidos grasos insaturados de
cadena larga se logra por medio de la combinación
(Capitulo 25)
288 Bioquim ica de Harper
de enzimas desaturasas, que introducen dobles ligaduras, y enzimas elongasas, que alargan las cadenas acilo existentes en dos carbonos por vez.
2) Los animales estan restringidos a desaturasas A ~ ,
A', A' y A ~ lo
, cual no les permite introducir dobles
ligaduras m i s alla de la posición 9 de los hcidos
grasos. La consecuencia es que no pueden sintetizar ácidos linoleico (o6)y alfa linolénico ( 0 3 ) y
deben recibirlos en la dieta. Estos se conocen como
acidos grasos esenciales.
3) Los acidos g a s o s esenciales dan origen a ácidos
Czo(eicosanoicos) a partir de los cuales se sintetizan grupos muy importantes de compuestos con
actividad fisioIógica y farmacol6gica: los eicosanoides, los que comprenden prostaglandinas,
tromboxanos, leucotrienos y lipoxinas. Los dos
primeros se sintetizan por la vía de la glucooxigenasa (inhibida por la aspirina); tos leucotrienos
y las lipoxinas se sintetizan en la vía de la lipoxi-
genasa.
4) Dado que a partir de los ácidos grasos esenciales
se sintetizan grupos diferentes de eicosanoides, el
equilibrio entre los efectos fisiológicos de los diversos eicosanoides puede ser manipulado cambiando
la composición de acidos grasos de la alimentacihn.
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t o r ~ )Benjamin/Cumrnings,
.
1'185.
Peter A. Mayes, PhD, DSc
Los acilgliceroIcs constituyen la mayoria de los lipidos en el cuerpo. Los triacilgliceroles son tambikn los
lipidos principales locatizados en los depositos de
grasa y en los alimentos. Además, los acilgllceroles, en
particuiar los fosfolipidos, son componentes importantes de la membrana plasmhtica y de otras membranas. Por su parte, los fosfolipidos intervienen en el
metabolismo de muchos lípidos. Los glucoesf3ngolipidos, que contienen esfingosina, residuos de azúcares
y ácidos grasos, forman de 5 a 10% de los lipidos de
la membrana plasrnática.
man parte del glucocáliz de la superficie celular y se
consideran importantes: 1) en la comunicacián intercelular y contacto; 2) como receptores para las toxinas
bacterianas (por ejemplo, la toxina que causa el
cólera). y 3) como sustancias de los grupos sanguíneos
ABO. Se ha descrito aproximadamente una docena de
enfermedades por almacenamiento de glucolipidos (por ejemplo, la enfermedad de Gaucher y la de
Tay-Sachs) que se deben a deficiencias en la enzima
hidrosiiasa de la via que degrada los glucolipidos en
los lisosomas,
EL CATABOLISMO DE LOS
AClLGLlCEROLES NO ES EL PROCESO
INVERSO DE LA BIOS~NTESIS
La función del triacilglicerol en el transporte y almacenaje de los lipidos y en varias enfermedades
como la obesidad, diabetes e hiperlipoproteinemia se
describirá con detalle en los capitulas siguientes. Los
fosfogliceroles, fosfoesfingolípidos y glucoesfíngolipidos, son todos anfipáticos y por tanto, idealmente
adecuados como constituyentes lipidicos principales
de la membranaplacrnatica. Algunos fosfolípidos tienen
funciones especializadas; por ejemplo, la dipalmitoil
lecitina es el componente principal del surfactante
pulmonar, cuya ausencia en los lactantes prematuros
provoca el sindrome de insuficiencia respiratoria del
recien nacido. Los fosfolípidos de inositol actúan
como precursores de los segundas mensajeros de las
hormonas y el .factor activador de plaquetas es un
alquilfosfolipido. Los glucoesfingolIpidos, que se encuentran en la capa externa de la membrana placmhtica
con sus cadenas de oligosaclidos protuberante$, for-
El catabolismo del triacilglicerol
comienza con la hidrólisis
Los aiacilgliceroles deben ser hidrotizados a sus ácidos grasos constituyentes y glicerol por las lipasas
antes de proseguir con su catabolismo. Gran parte de
esta hidrhlisis tiene lugar en el tejido adiposo con la
liberación de acidoc grasos libres en el plasma, donde
se hallan combinados con la albúmina sérica. Esto va
seguido por la absorcibn de ácido graso libre en los
tejidos y la oxidacidn subsiguiente o su reesterificación.
Muchos tejidos (incluyendo hígado, corazbn, rifiiin,
mhsculo, pulmones, testiculos, encéfalo y tejido
adiposo) tienen la capacidad de oxidar a los Acidos
grasos d e cadena larga aunque el encéfalo no puede
extraerlos fAcilmente de la sangre. La utilización del
glicerol depende de la posesion por parte de dichos
290
Rioquimica de ffuvper
(Capítulo 26)
tejidos de la enzima activante glicerol cinasa. ],a
enzima ha sido hallada en cantidad significativa en el
higado, el riiihn. el intestino, el tejido adiposo pardo
y la glhndiila mamaria en lactancia.
LOS TRIACILGLICEROLES Y
FOSFOGLICEROLES SE FORMAN
POR ACILACIÓN DE FOSFATOS
DE TRIOSAS
En la figura 26-1 se delinean las vías principales de
la biosíntesis de triacilgliceroles y fosfogliceroles. A
partir del glicerol 3-fosfato se forman numerosas
sustancias importantes que desempeñan funciones vitales en el metabolismo celular. Estos compuestos van
de reservas importantes de triacilgticerol a derivados
fosfatidilos de colina, etanolamina, inositol y cardiolipina, un constituyente de las membranas rnitocondriales.
Hay dos puntos de ramificacihn importantes en los
pasos intermedios de fosfatidato y diacilglicerol. Del
fosfato d e dihidroxiacetona derivan fosfogliceroles
que contienen un enlace kter ( 2 - 0 4 - 1 ,
de los
cuales los mejor conocidos son los plasmal6genos y
el factor activador de plaquetas (PAF, del inglks,
plo~eletaclivafing
factor). Debe hacerse notar que el
glicerol 3-fosfato o fosfato de dihldroacetona deriva,
o es un miembro. de la via de la glucólisis, lo cual
sefiala una conexibn muy importante entre los carbohidrato~y el metabolismo de los lípidos.
El fosfatidato es el precursor común
en la biosíntesis de triacilgliceroles
muchos fosfociliceroles
Y cardiolipinas
Aunque las reacciones en las que interviene la
hidrdlisis de los triaciIgliceroles por la lipasa pueden
Glicerol 3-fosfato
ser invertidas en el laboratorio, éste no es el mecanismo por el cual se sintetizan los acilgliceroles en los
tejidos. 'ramo el glicerol como los k i d o s grasos deben
ser activados por el ATP antes de incorporarse a los
aci~glíceroles.La glicerol cinasa catalizará la activación de glicerol a sn-glicerol 3-fosfato. Si esta
enzima se halla ausente, o esti baja en actividad como
ocurre en el músculo o en el tejido adiposo, la mayor
parre del glicerol 3-fosfato debe derivarse de un intermediario del sistema glucolítico, el fosfato de dihidroxiacetona, que forma glicerol 3-fosfato
mediante reducción con NADH catalizada por la
gliccrol3-fosfato deshidsogenasa (figura 26-2).
A. Biosintesis de triacilgliceroles
Los ácidos grasos son activados a a c i l 4 o A por la
enzima acil-CoA sintetasa, utilizando ATP y COA
(capitulo 24). Dos moléculas de acil-COA se combinan
con glicerol 3-fosfato para formar fosfatidato (1,2diacilglicerol fosfato). Esto se Ileva a cabo en dos
etapas mediante la vía del lisofosfatidato, catalizada
primero por glicerol 3-fosfato-aciltranskrasa y
luego por la l~cilglicerol-3-fosfato~ciltransferasa.
E1 fosfatidato es transformado por la fosfatidato fosfohidrolasa a 1 ,S-diaciIglicerol. Una nueva rnoldcula
de acil-COA se esterifica con diacilglicerol para formar
un triacilglicerol, catatizada por diaciIgliceml aciltransferasa. En la mucosa intestinal, existe una via
del monoacilglicerol, mediante la cual este es convcrtldo en 1,24iacilglicerol como resultado de la
presencia de monoacilglicerolaciltraneferacia. La mayor
parte de la actividad de estas enzimas reside en el
retículo endoplásrnico celular, pero parte se encuentra
tambikn en las mitocondrias, por ejemplo. la glicerol3-fosfato aciltransferasa. La actividad de la fosfatidato fosfohidrolasa s e encuentra principalmente en la
fraccidn sobrenadante libre de partículas pero tambien
est8 iinida a la membrana.
T
Fosfato de
Fosfatidato
~iac~lgliCer~l
1
Fosfatidiluilina.
fosfatidiletanolamina
plasmalbgenos
Fosfatidilinositol
1
Triacilglicerol
dihidroxiacetona
PAF
Cardiolipina
\
4,5-Bisfosfato de
fosfatidilinositol
Figura 26-2. Panorámica de la biosíntesic del acilgltcerol y fosfoglicerol (PAF, factor activador de ptaquetas )
\
ATP
H?p-OH
\ ),
NAD'
ADP
),,
H.?-0:
HO-C-H
NADW t Ht
;,y-OH
HO-C-H
I
H~C-OH
C=O
I
~ G L ~ C E R OCL~ N A S A ~
Glicerol
I
E_
H~C-O-B
3-fosfato
sn-Glicerol
3-íosfato
--
* GIucbI~sis
H,C-O-@
n~Fosfatod e ~
dlhidroxiacetona
dah'drOgenasa
Aul-COA (pnncipalmeniesaturada)
H2C-O-C-R,
I
m3-CH
n,c -OH
I
&-a-@
I
&-C-0-C-H
II
1-Acilglicerol
3-hfata
(Ilsoíosfaiidam)
m
g(h
e
lrF
;-e
F
;e
n
!t
I
H~C-OH
O
2-Monoaolgliceml
insaturada\
7-Act@licemr
a~ittransbm
AUI-COA
acl~ansfwesa
H,C-O-C-R1
Cn A
R2-C-O-C-H
O
I
I
II
n,c-O-@
1,2-DiaciiglicerolCdina
CTP
Fosfwolina
HIC-O-C-R,
HPC-O-C-R,
I
I
&-C-O-C-H
H
I
O
H.WH
R,-C-O-C-H
II
I
a
H,C-O-@-@
1.2-Diacilgliceml
I
INOStTOL
CMP
H?C-O-C-R,
I
II
I
&-c-o-c-H
~~-c-a-c-n
O
H2C-O-C-R,
I
'i
HIC-O-@
O
1
1
Colina
Triaalglwml
Fosfatdilcolina
Fosratdiletanolarnln.
o
II
H,C-O-C-n3
Il
HIC-O-C-R,
R,-C-O-C-H
II
O
H,C-O-C-R1
I
R,-C-O-C-H
I
H,C-O-@
I
Inositol
I
I
Lb
o
~~C-~-e)-l~~~it~l-@i
4-Fosfato de fosf&tidilrnositol
Fosfa~ilinositol
4DP
Fosfatdrkenne
H~C-O-C-A,
I
&-C-O-C-H
II
O
I
-
H ~ C O-
@- fnasifol- @
I
@
4,5=Bisfosfatode loslatidilinosiiol
0
Figura 26-2. Biocintesisdel triacilglicerol y f m b l í p i d o s
Vía del monoaulglicerol.
V í a del glicerol focfato. La fosfa tidiletanolam i n a puede formarse a partir de la e t a n o l a m i n a por una via srmilar a la mostrada p a r a formación de focfatidilcolina a partir de
colina
(Capitulo 26j
B. Biosintesis de fosfogliceroles
!:$tos festblipidos son sinteti7;idos a partir de fosfatidato: por ejemplo. el fosfatidilinositol, o a partir del
1,2-diacilglicerol como la fosfatidilcolina y la fosfatidiletanolamina. En la sintesis de fosfaiidilinositul,
tsifosfato de citidina (CTP, del ingles, cytidine
friphosphate) un fosfato de alta energía, formado a
partir de ATP (capítulo 12) reacciona con fosfatidato
para formar citidina4ifosfato4iacilgiicerol (CDPdiacilglicerol). Finalmente, este compuesto reacciona
con hositol, cataliziida la reaccibn por Ia enzima
CDP-diacllglicerol inositol transferasa para formar
fosfatidilinositol (figura 26-2). Por fosforilaciones
sucesivas, el fosfatidilinositol es iransformado
primero a fosfatidilinositol4-fosfato y despuds a fosfatidilinositol 4,5-bis~osfato. Este ultimo es desdoblado en diacilglicerol y trifosfato de inositol por
las hormonas quc incrementan [Ca"], por ejemplo,
vasopresina. Estos dos productos actúan como segundos
mensajeros en la acción hormonal (capítulo 44).
En la biosintesis de )a fosfatidilcolina y la fosfatidiletanolarnina (lecitinas y cefalinas), la colina o la
etanolamina deben primero convertirse a "colinaactiva", o a "etanolamina activa", respectivamente. Este
es un proceso en dos etapas, que implica primero, una
reaccibn con ATP para formar el monofosfato correspondiente, seguida de una reacción con el CTP para
formar citidina difosfocolina ( C D P ~ o l i n a o) citidina
difosfoetanolmina (C&P+tanolamina). En esta forma,
cualquiera de ellas reacciona con el 1,24iacilglicerol
de manera que una base fosforilada (ya sea fosfocolina
o fosfoetanolamina) es transferida al diacilglicerol para
formar fosfatidilcolina o fosfatidiletanolamina, respectivamentc. La citidina transferasa parece ser la enzima
que regula la vía de la fosfatidilcolina.
Se forma fosfatidilserina a partir de la fosfatidiletanolamina directamente por reaccibn con la serina
(figum 26-2). La fosfatidilserina puede volver a formar
fosfatidiletanolamina mediante descarboxilacibn. En
el higado, una vía alterna permite a la fosfatidiletanolamina dar lugar directamente a rosfatidilcolina, mediante
la metilación progresiva de residuo de etanolamina
utilizando la S-adenosilmetionina como donador de
metilo. A su vez, el grupo metilo de la metionina puede derivar de mefil-Ha fo'Iato(figura 52-1 5). A pesar de
estas fuentes de colina, se considera un nutriente
esencial en muchas especies de mamíferos, pero esto
no se ha establecido en el ser humano.
Un fosfolipido presente en las rnitocoridrias es la
cardiolipina (difosfa~idilglicerol;figura 16-1 0). Se
forma de fosfatidilglicerol, el cual a su vez se ha
sintetizado de CDP-diacilg!icerol (figura 26-21 y
glicerol 3-fosfato de acuerdo al esquema mostrado en
la figura 26-3. La cardiolipina, ubicada en la membrana interior de la mitocondria, se requiere de manera
específica para el funcionamiento del transportador de
fosfazo y para la actividad de la citocromooxidasa.
C. Biosíntesis de fosfolipidos
de glicerol éter
Al parecer esta via se encuentra ubicada de manera
exclusiva en los peroxisomas. El fosfato de dihidroxiacetons es el precursor del residuo fosfolípidos
de glicerol &ter(figura 264). Este compuesto se combina
con la acil-CoA para dar 1-acil4ihidroxiacetona
fosfato. Se lleva a cabo una reacción de intercambio
entre el grupo acilo y un alcohol de cadena larga para
dar I -alquildihidroxiacetonafosfato(que contiene el
enlace éter), el ciral en presencia de NA DPH se convierte a 1 -alquil-glicerol-3-focfato. Despues de
acilacion ulterior en la posición 2, el 1 -alquil-2-acilglicerol-3-fosfato resultante (anhlogo al fosfatidato
en la figura 26-2) es hidrolizado para dar el derivado
del glicerol libre. Los p l a s m a lbgenos se forman por
desaturación del derivado analogo 3-fosfoetanolamina (figura 2 6 4 ) . Gran parte de los fosfolipidos
de las mitocondrias con plasmalbgenos. El factor de
activacibn plaquetaria (PAF) se sintetiza a partir del
derivado 3-fosfocolina correspondiente y ha sido
identificado como 1-alquil-2-acetil-.~n-g1icerol-3fosfocolina. Los sintetizan muchas de las ctlulas y
otros tejidos y causa agregación plaquetaria a concentraciones tan bajas de hasta lo-'' rnolk. También tiene
propiedades hipotensoras y ulcerogenicas.e interviene
en diversas respuesta biológicas incluyendo quimiotaxis y fosforilación de proteinas.
Las fosfolipasas permiten la
degradación y remodelación
de fosfogliceroles
La degradación de muchas moléculas complejas en
los tejidos es completa, por ejemplo, de proteínas a
Fosfatidilglicerofosfato
I
Fosfatidilglicerol
CMP
Cardiolipina
(difosfatidilgliceroi}
Figura 263. Biosintesic de la cardiolipina.
O
H,COH
Acyi-COA
I
II
HIC-O-C-R,
Al-ECHIIi- OH
NADPH +H'
NADP'
HiC-O-ICHiIl-R>
H,C-O-ICH~I~-R
I
HO-C-H
---
HCIOr-R
O
bI
H,C -O- ICH,I,
I
- R,
C-O-C-H
&o-@
-a+cH2-NI
,-~p
1-Alquilgiiceroi 3-fosfatc
Fosfata de
Fosfato de
1-acildihidroxiaceton6
Fosfato de
dihidroxiacetona
1-alqurldihidroxiacetona
Acil-COA
ACILTRANS.~
G
CDP-Etanolamina?
O
H
R,-C -O-C-H
H,C-O-rCH,I,-R,
I
RS-C-O -C-H
r
FOSFOHlbROMSA
H;C-OH
1
H?&-O
-@
1-Alquil. 2-acilgliceml 3-fosfato
FOSFOCOLIND~AC~LGLICEROL
Alquil. d~acilgiiceroies
TRANSFERASA
1-Alquil, 2-acilglicerol
3-fosfocolina
Colina
Acetil-C*
\
1- ~ ~ q u i2-fisogltcerol
f.
3-fosíom~ina
Coiina
1-Alquil. 2-acetilglkerol 3-fosfomlina
PAF
Figura 2 6 4 . Biosíntesis de éteres lipídicoc, plasmalogenos y del factor activador de plaquetac (PAF). En la vía de novo para
sintesis de PAF, aoettl-COA se incorpora en la etapa", evitando los dos ultimos pasos de la vía que se muestra aqul.
aminoscidos. Por tanto, puede determinarse un
tiempo de recambio para dicha rnolecula. Aunque los
fosfolipidos son degradados activamente, cada porción de la molécula se recambia a una velocidad
distinta; por ejemplo, el tiempo de recambio del grupo
fosfato es diferente del tiempo de recambio del grupo l-acilo. Esto se debe a la presencia de enzimas que
permiten la degradación parcial seguida por nueva
slntesis (figura 26-5). La fosfolipasa A2 cataliza la
hidrblisis del enlace dster en ta posicibn 2 de los
glicerofosfolípid~spara formar un hcido graso libre y
un Iisofosfolipido, los cuales pueden ser reacilados
por Ia acil-COA en presencia de una aciltransferasa.
De manera alterna, el lisofosfolípido (como [a
lisolecitina) es atacado por la lisofosfolipasa (fosfolipasa B), eliminando el grupo 1-acilo residual y
formando la base glicerilfosforilo correspondiente, la
cuat a su vez puede ser fragmentado poruna bidrolasa,
liberando glicerol 3-fosfato mas una base. La fosfolipasa Ai ataca el enlace éster en la posicion 1 mientras
que la fosfolipasa Az ataca el enlace en la posición 2
de los fosfolipidos (figura 2 6 4 ) . La fosfolipasa C
ataca el enlace éster en la posición 3, liberando 1,2diacilglicerol miis una base fosforilo. Es una de la
principales toxinas secretadas por bacterias. La iosfolipasa D es una enzima descrita principalmente en
los vegetales, que hidroliza la base nitrogenada de los
fosfolipidos.
La IisoIecitina puede formarse mediante una vla
alterna que involucra a la Lecitin:colesterol aciltransfcrasa (LCAT, del ingles, 1ecitin:cholestesol
ucyltran.$era,~e). Esta enzima, que se: encuentra en el
plasma y es sintetizada en el hígado, cataliza la trmsferencia de un residuo de Acido graso de la posición 2
de la lecitina al colesterol para formar éster de
colesterilo y se considera la causa de gran parte del
&ter de colesterilo de las lipoproteinas del plasma.
Idas consecuencias de la deficiencia de LCAT se
describen en el cuadro 28-1.
LEClflN:
COLESTEROL
ACILTRANSFERASA
ACII-CQA
H,; - O
-@-
Lecitina + Colesterol P
colina
Lisolecitina + Éster de colesterilo
Lisofusfatidilcolina (lisolecitina)
H,$-OH
HO - C- H
4
H,C
-0 -L@-
Colina
Glicerilfoslocolina
t
H,C
1
- OH
HO-C-H
I
H,C
-0-e,
+
Se encuentran icidosgrasos saturados de cadena larga
predominantemente en la posición 1 de los fosfoliptdos, mientras que los acidos poliinsaturados (por
ejemplo, los precursores de las prostaglandinas) se
incorporan mis en la posicitrn 2. La incorporacibn de
los Bcidos grasoc a la lecitina tiene lugar por Ia sintesis
completa del fosfolipido, mediante la transacilacion
entre el ester colesterilo y la lisolecitina, y por
acilacidn directa de lisolecitina por la acil-CoA. Por
tanto, es posible un intercambio continuo de los Qcidos
grasos, particularmente en relación con la introducciiin de hcidos grasos esenciales al interior de las
molécuIas de fosfolípidos.
Colma
sn-Glicerol 3-fosfate
Figura 26-5. Metabolismo de la fosfatidilcolina (lecitina).
LTO
FOSFOLIPASA A i
1 FOSFOLIPACA A ~ A
Figura 26-6, Sitios de la actividad hidrotitica de las fosfolipasas sobre un sustrato fosfolipido.
TODOS LOS ESF~NGOL~P~DOS
SE FORMAN DE CERAMIDA
La ceramida (figura 26-7), se sintetiza en el retículo
endoplásmico. Primero, el aminohcido serina se activa
mediante cornbinacibn con fosfato de piridoxal, se
combina con palmitoil-COA para formar 3-cetoesfingonina. A su vez, este se convierte en dihidroesfingosina en un paso reductor que utiliza NADPH. Por una
combinación con acil-COA, se forma dihidroceramida,
seguida por desaturacihn para originar ceramida. Hay
evidencia de que la cerarnida puede actuar como un
mediador lipido (segundo mensajero), mediante la
activacibn de una proteina cinasa y. por oposicihn, a
algunas de las acciones del diacilglicerol (capítulo
44). El grupo acilo se presenta con frecuencia por
cadenas largas saturadas o ficidos monoenoicos.
Las esfingomielinas san fosfolípidos (figura 16-1 7)
y se forman cuando la ceramida reacciona con fosfatidi!
colina para formar esfingomielina más diacilglicerol
(figura 26-8). Esto se !leva a cabo principalmente en
el aparato de Golgi y en menor grado en la membrana
plásrnica. En los organelos que participan en los
procesos secretorios y endociticos, la esfingomielina
está restringida a la región luminal.
Metabolismo de acilgliceroles y esfingolípidos 0 293
II
-
CH3-(CH,),,-C
S -COA
Palmitoil-COA
i_
I
W O C - CH - CH,Serina
2
Fosfato de piridoxal, ~
n ~ '
NHj
3-Cstcesfinganina
NADPH + Ht
3-CETOESFINGANINA
NADP+
OH
NW;
I Dihidmesfingosina(esfinganina)
A~yl-COA
COA SH
CH3-/CH,),,-CH2-CH,-
CH-CH
I
l
OH
-CH,-OH
NH-CO-R
Dihidroceramida
Figura 26-7. Bioslntesis de la ceramida.
OH
Los glucoesfingolípidos son una
combinación de ceramida con uno
o mas residuos de azúcar
Es típico que los hcidos grasos de muchos glucoesfingolípidos sean C24,en particular en el cerebro (ácidos
lignocérico, cerebrbnicoy nervhnico). El Bcido lignt>cérico
(C23H47COOH)
es sintetizado completamente a partir
de acetil-COA. Por su parte, eE hcido cerebrónico, que
es el derivado Z-hidroxi de! Bcido lignodrico, se
forma a partir de &te. Por Último, el ácido nervhnico
(C23H45COOH)run Iicido monoinsaturado, se sintetiza por alargamiento del ácido oleico.
Los glucoesfingolipidos mas sencillos (cerebrásidos) son galactosilceramida (GalCer) y glucosilceramida (GIcCer). La GlcCer es un llpido
importante de la mielina, en tanto que GlcCer es el
glucoesfingol ipido principal de los tejidos extraneurales
y un precursor de la mayoría de los glucoesfingolipidos
más complejos. La difosfato de uridina y galactosa
epimerasa (figura 26-9) utiliza la difosfato de glucosa de uridina (UDPGlc) como sustrato y epimeriza la
fiacci6n de gtucosa en galactosa, formando asi difosfato de galactosa de uridina [UDPGal). La reacción en
el cerebro es semejante a la descrita cn la figura 22-6
para el higado y la glándula mamaria. La galactosilceramida es sintetiada en una reacción entre ceramida
y UDPGal. La sulfogalactosilceramida se formadesp d s de reaccionar con e1 31-fosfoadenosina-51-fosfosulfato (PAPS; "sulfato activo"). El PAPS interviene
tambikn en la biosintesis de otros sulfolipidos, es
decir, los sulfo(galacto)gtuccrolipidos y los sulfatos
de esteroides.
Los gangliúsidos son sintetizados a partir de la
ceramida por la adicibn escalonada de azúcares activados (por ejemplo, UDPGlc y UDPGal) y un Acido
sihlico, por 10 general el iicido N-mcetilneliramlnico
(figura 26-10). Puede formarse un gran número de
ganglibsidos de peso mdecular creciente. La mayoría
de las enzirnas que transfieren los anjcares desde los
nucledtidos (gIucosil transferasas) se encuentran en el
aparato de Golgi.
UDPGlc
11-
Cerada
Esiingornielina
UDPGal
Ceramida
Fosfatidilcolina
UDP
PAPs
Sulfogalactosil
ceramida
(sulfatido)
Diacilglicerol
Figura 26-8. Bioslntesis de esfingomielina.
Figura 26-9. Biocíntesic de galactosilceramida y su sulfo
derivado (PAPS, "cuifato activo", focfoadenosina-5'-fosfosulfato.)
UDPGlc
Ceramida
UDP
\ /"
< f,
UDPGal
GIUCOSII
ceramida
(Cer-Glc)
UDP
CMP-NeuAc
Cer-GIc-Gal
\
CMP
)
, =
Cer-Glc-Gal
I
NeuAc
UDP-N acetil
galadosamina
(D;
Gangliósidos superiores(disiaio y trisialogangliósidos)
Cer-Glc-Gal-C~INAGG~I
I
NeuAc
(GM~)
7Ga1
"Dp
4
Cet-Glc-GaCGaiiu~c
I
NeuAC
(GMZ)
Figura 26-10. Biosíntesis de ganglibsidos (NeuAc, ácido N-acetilneurárnico.)
Los glucoesfingolipidos son constituyentes de la
capa exterior de la membrana plasmática, y pueden
ser importantes en la comunicación y el contacto
intercelufar. Algunos son antigenos, por ejemplo, el
anzígeno de Forssman y las sustancias de los grupos
sanguineos ABO. Cadenas semejantes de oligosacáridos son constituyentes de las glucoproteinas de la
membrana plasmática. Ciertos ganglibsidos actúan
como receptores de toxinas bacterianas (por ejemplo,
para la toxina del cblera, la cual de manera subsecuente activa a la adenilato ciclaca).
La deficiencia de surfactante pulmonar
causa el síndrome de insuficiencia
respiratoria
El surfactante pulmonar es una secrecion con
propiedades notables de tensoactivo, que se compone
en gran parte de lipidos con cantidades pequeñas de
proteinas y carbohidratos, el cual evita el colapso de los
alveolos. La actividad del surfactante se atribuye principalmente a la presencia de un fosfolípido, la digalmitoilfosfittidilcolina, cuya síntesis comienza
poco después del nacimiento en los lactante5 a tdrmino. La deficiencia pulmonar de surfactante en los
pulmones de recién nacidos prematuros da origen al
sindrorne de insuficiencia respiratoria. La administración de surfactante natural o artificial tiene beneficios
terap6uticos.
Los fosfolipidos y los
esfingolípidos contribuyen
a la esclerosis múltiple
y a la lipidosis
Ciertas enfermedades se caracterizan por cantidades
anormales de estos lipidos en los tejidos, a menudo en
e! sistema nervioso. Pueden clasificarse en dos gmpos: 1) enfermedades desmiclinizantes verdaderas, 2)
esfingolipidosis.
En la esclerosis múltiple, que es una enfermedad
desmiel inizante, hay pérdida de fosfol ipidoc (en particutar det plasmalbgeno etanolamina) y de esfingolipidos de la sustancia blanca, al grado que su composición
se asemeja a la de la sustancia gris. Se pueden enconh-ar
dsteres de colesterilo en la sustancia blanca, aunque
por lo común es& ausentes. El liquido cefalorraquideo
muestra elevadas cifras de fosfolipidos.
La esfingolipidosis constituye un grupo de enfermedades hereditarias, que a menudo se manifiestan en
la niAez. Estos padecimientos son parte de un grupo
mayor de trastornos de los lisosomas.
Las enfermedades por almacenamiento de lipidos
muestran diversas características constantes: 1) En
varios tejidos, hay una acumulación de lipidos cemplejos que tienen una porción de su estmctura en
comijn, una ceramida. 2) La velocidad de síntesis del
lipido almacenado es comparable a la de las personas
normales. 3 ) EE defecto enzimático en cada una de
estas enfermedades es una deficiencia ~pecfficade una
enzima lkodmica hidrolitica necesaria para degradar
al lipido. 4) El grado en que se encuentra disminuida
Metabolismo de aciiglicerolesy ~sfingolipidos 29 7
la actividad de la enzima afectada, es semejante en
todos los tejidos de la persona enferma. Como resultado
de estas consideraciones básicas unificadoras, se han
creado procedimientos para ei diagnóstico de pacientes con estos padecimientos. Asimismo. ahora es posible
descubrir a los portadores heterocigotos de las anormaIidades geneticas quc producen estos padecimientos, al igual que detectar en el feto la presencia de
esfingolipodistrofia. Durante muchos afios se ha intentado la terapéutica de restituciiin de enzimas con
escaso éxito; sin embargo, en época reciente, se han
logrado tratamientos exitosos con enzimas cuya
estructura química se han modificado para asegurar
su fijacibn a los receptores de las células blanco, antes
de endocitosis mediada por el receptor, por ejemplo,
a los macrdfagos en el higado para entregar beta
glucocidasa (glucocerebrocidasa) en el tratamiento de
la enfermedad de Gaucher. En la actualidad la terapiutica
génica para los trastornos lisos6micos se encuentra en
investigacibn. En el cuadro 26-1 se muestra un resumen de las lipidosis más importantes.
La deficiencia multiplc dc sulfatasa conduce a
la acumulaci6n de sulf~galactosflceramida,
los sulfaros
de esteroides y peptidoglricanos, debido a una deficiencia combinada de las arilsulfatasas A, 3 y C y de
esteroides sulfatasa (cuadro 5 7 4 ) .
RESUMEN
1) Los triacilgliceroles son los principales encargados
del almacenaje de lipidos, en tanto que los fosfogliceroles, esfingomielina y glucoesfingolipidos
son anfipáticos y cubren numerosas actividades,
que van desde funciones estructurales en las membranas celulares a acciones especializadas; por
ejernplo, precursores de segundos mensajeros para
hormonas, surfactante pulnionar y factor activador
de plaquetas (PAF).
2) Los triacilgficeroles y algunos fosfogliceroles se
sintetizan por acilación progresiva de glicerol 3fosfato. La vía se bifurca a fosfatidato, que forma
Cuadro 2!6-1- Eje1mplos de esfingoliliidosis
..-
-
- .-----
.
zima deficientc
Enfer
. . . --
- -. -
.
Lipidii acumula
-A-
- .
-
:r4ilc4aINAc4al-Fuc
ticidad mu:icular, piel gruesa
j 1Retraqo niental. crecimiento
Gai
generaiizac
nglihsido
-:eTay-Sacl2s
Hexosamidinase
WJ~cIngliósido
~
4
1
~
4
obósido m
I
Variante d e enlerme
Tay-Sachs de Sandho
: 1irn6tirn
.-,-..--, deformación
' I
tRetraso m
esque-
ental, cegilera debi-
lidad rnmusciilar
Enfermedad de Fabry
-m,-
Cei-amida lact
nida lactc
:r-Glc4al
Ceramida Iacthsidc
..
-Iinidmi<
Daao ccrcbral progre';ivo, creci, miento del hígado y brazn--
Cei
mida
e Krabbc
Jalactosid;iea
Enfermeaaa ae ciaucner
1
~r
elina casi
neta-Glucosidas;
ie les hur:sos largo S, retraso
nentaI en 1:actantes
Enfermedad de NiemannP;,.L
e Farher
ina
lazo crecidos: retraso
:1
,:,
&*I*l
osina
a
L~~~~~
ubi
:A---
A-
1-
aermariris, deformabJqueleto, retraso men---
NeuAc = Ácido :Ir-acetilneuraminico: Cer = cernida; Glc = glucosa, Cid = galactosa; Fuc, 1
..A-,
"
.
Sitio de reaccibn enzrmática deficiente.
fosfolipidos de inositol y cardiolipina por un lado
y triacilglicerol, colina y fosfolipidos de etanolamina, por otro.
3) Los plasmalhgenos y el PAF son éteres de fosfolípidos formados por acilación y alquilacion del
fosfato de dihidroxiacetona.
4) Todos los esfingolípidos se forman de ceramida
(N-acilesfingosina). La esfingomielina es un fosfolipido que se encuentra de manera típica en las
membranas de los organelos que se ocupan de los procesos secre~orios(por ejemplo, aparato de Golgi). Los
glucoesfingo~ipidosmás simples son una combinación de ceramída más un residuo anicar (por
ejemplo, GalCer en la rnielina). Los gangliósidos
son glucoesfingollpidos rnbs complejos que contienen un número mayor de residuos azúcar más
ácido siálico. Se encuentran en la capa externa de la
membrana plasmatica, donde contribuyen al glucochliz y son importantes como antígenos y receptores celulares.
S) Los fosfolipidos y esfingolipidos intervienen en
varios procesos patol&gicos,incluyendo el sindrome
de insuficiencia respiratoria (carencia de surfactante
pulmonar), a esclerosis múltiple (desmielinización)
y la esfingolipidosis(incapacidad para degradar esfingolipidos en los lisosornas debido a alteraciones
hereditarias de enzirnas hidrolasas). I
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Transporte y aIrnacenamiento
de Iipidos
Peter A. Mayes, PhD, DSc
Las grasas absorbidas a partir de la alimentación y 10s
lipidos sintetizados por el hígado y el tejido adiposo
deben ser transportados a los diversos tejidos y organos para su utilizacién y almacenamiento. Dado
que los lípidos son insolubles en el agua, es un
problemael transporte en unmedio acuosocomo el plasma sangnineo. La solucibn consiste en asociar lípidos
no polares (triacilglicerol y esteres de colesterilo) con
lipidos anfipáticos (fosfolipidos y colesterol) y protefnas, para formar lipoproteinas rniscibles en agua.
AGL y la subutilizacilin de quilomicrones y VLDL lo
cual provoca hipertriacilglicerolemia. La mayor
parte de tos demás trastornos patoIbgicos que afectan
al transporte lipidico, se deben de manera primaria a
defectos hereditarios en la sintesis de la porcion apoproteinica de la lipoproteina, de las enzimas clave o
de [os receptores de lipoproteinas. Algunos de estos
defectos causan hipercolesterolemia y aterosclerosis
prematura. Los depbsitos excesivos de grasa producen
la obesidad. En particular, la obesidad abdominal es
un factor de riesgo para aumentos en la mortalidad.
hipertensibn, diabetes sacarina n o insulinodependiente (DSNID), hiperlipidemia, hiperglucemia y
varias disfunciones endocrinas.
IMPORTANCIA BIOMEDICA
En un ornnivoro consumidor de carne como el ser
humano, se ingieren catorias en exceso en la fase
anabólica del ciclo alimentario, seguido por un periodo
de equilibrio calórico negativa en que el organismo
utiliza sus reservas de carbohidrato5 y grasas. Las
lipoproteinas median este ciclo transportando a los Iípidos del intestino como quilomicroncs y a los hephticos
como lipoproteinas de muy baja densidad (VLDL},
para su oxidacibn en gran parte de los tejidos y al tejido
adiposo para su almacenamiento. Los lipidos son movilizados de este último tejido como ácidos grasos libres
(AGL) fi-jadosa la albúmina sérica. Las anormalidadesdel
metabolicino de los lipidos se presentan en los sitios
de producción o en los deutilización de las lipoproteinas,
causando varios tipos de hipo e hiperlipoproteinemias.
La más común es la diabetes sacarina, donde la
deficiencia de insulina causa la movilízacibn excesiva de
LOS L~PIDOSSON TRANSPORTADOS
EN EL PLASMA COMO LIPOPROTE~NAS
Existen cuatro grupos principales
de Iípidos en las lipoproteinas
La extraccion de los Iípidos del plasma con un solvente adecuado para lipidos y la subsiguiente
separación del extracto en diversas clases de lipidos,
muestra la presencia de triacilgliceroles, fasfollpidos, colesterol y &eres de colesterilo, además de
una muy pequeiía fraccibn de ricidoc grasos de cadena
larga no esterificados (acidos grasos libres} que cuman menos de 5% del total de ácidos grasos presentes
en el plasma (cuadro 27-11. Se sabe ahora que esta
última fracción, los hcidos grasos libres (AGL), son los
Iipidos plasmaticos más activos en el metabolismo.
Se han identificado cuatro grupos
principales de lipoproteínas
plasmáticas
Cuadro 27-1. Llpidos del plasma sanguíneo
[meu'uF
Triacilglicerol
Total de fosfolipidoc*
-
Tot
:erol
irc (no este1
C
-
~ c i a o grasos
s
libres (no estcrifi- O
cados)
0.2 a O.ht
I
-
El total de acidos grasos.45% son
fnsfolipidos. 1 Soh Esteres de colesterilo y menos de 3% de
ácidos graso5 libres. Est os limites pueden ex
1
sit~iacionesansormales o 1~atolhgicas
)
* Analizado como fhqtoro lir1A;rn
' Varia con el estado niitricii
La grasa pura es menos densa que el agua; de esto se
deduce que cuanda la proporción de lipidos a proteina
aumenta en las lipoproteínas, Ia densidad disminuye
(cuadro 27-2). Esta propiedad se utiliza para separar
a las diversas Iipoproteinas plasmhticas mediante ultracentrifugacibn. La composición de las diversas
fracciones lipoproteinicas obtenidas por ultmcentrifugación se muestra en el cuadro 27-2. Se ha observado
que concurren varias clases de compuestos químicos
en cantidades diferentes en la mayoria de las fracciones
lipoproteinicac. Dado que las fracciones representan
las entidades fisiologicac presentes en el plasma, el
anhlisis químico simple de los lípidos plasmtiticos (sin
incluir los AGL) aporta escasa informacibn sobre su
función fisiológica.
Sin contar los AGL, se han identificado cuavo
grupos mayores de lipoproteinas fisiológicamente importantes y Útiles en el diagnostico clínico. Estos son:
1) q u ilom icrones, derivados de la absorción intestinal
Cuadro 27-2. Composicibn de las lipoproteinas en el niasma human
-
=====e--
Y-
,,, .
...
imposición
..
m
:I total de Ilipidos
1 UlZll
foli-
Qu i lomicroncs Intestinc
L ~ioproteina
F
s Hígado
dr* co-
0.95
a l.OOh 2
ae muy naja (intestinr
3
.
densidad
(VI,DL)
Lipoproteínas
de densidad
intermedia
je'alta der
sidad
VLDL kli-1
lornicroines
Al1juminaAGL
-
* Una unidad Sf (Svedberg) es igud a 1Ux"
ACiL. kidos
t
-
crn/seg!dina/g a 16 'C
libres. VHDL (lipoproteinasj
:muy alta dewidad) es una fritccihn mnor que se encuenh a una densidad de enbe 1.21 y 1.25.
de triacilgEiceroles; 2) lipoproteinas d e muy baja
densidad (VLDL o prebetalipoproteínas), derivadas del
hígado para exportar los triacilgliceroles; 3) lipoproteínas de baja densidad (LDL, o betalipoproteínac). que
representan una etapa final en el catabolismo de
VLDL; y 4) lipoproteínas de alta densidad ([HDL] o
alfa lipoproteínas), que intervienen en el metaboSismo
de las VLDL y los quilomicrones y tambitn en el
transporte del colesterol. El triacilglicerol es el lipido
predominante en !os quilomicrones y en las VLDL,.cn
tanto que el colesterol y los fosfolipidos predominan
en las LDL y HDL, respectivamente (cuadro 27-2).
A d e m b del uso de técnicas que dependen de su
densidad, las lipoproteinas pueden separarse por sus
propiedades electraforkticas en alfa, beta y prebetalipoproteinas (figura 27-1) y se identifican con
mayor precisión por medio de inmunoelectroforesis.
Los Iípidos anfipáticos son
componentes esenciales
de las lipoproteinas
Una Iipoprotelna tlpica - c o m o quilomicrones o
VLDL- consiste en un nUcleo Iipidico formado en gm
parte de triaciIglicero1no polar y Éster de colesterilo
rodeado por una sola capa superficial de moléculas
de fosfolípido anfipatico y colesterol. Estas se orientan de modo que sus grupos polares se enfrentan al
medio acuoso, como en la membrana celular(capitu1o 16).
La fraccidn proteinica de las tipoproteinas se
conoce como una apolipoproteina o apoprotelna y
constituye casi 60% de algunas HDL y sólo 1% de los
quilomicrones. Algunas apoproteinas son integrales y
no pueden ser removidas, en tanto que otras pueden
ser transferidas con libertad a otras lipoproteinas
(figura 27-2).
Densidad
Figura 27-1. Ceparacibn de Iipopmteínas del plasma por
ekctroforesis en gel de agarosa.
Aproproteina periférim
(por ejemplo, apo C)
Iipidos no polares
principalmente
qzj:si
Apoproteína
lipidos anfipaticos
principalmente
Fígura 2 7 3 . Estructura generalizada de una lipoproteína
plasm8tica. Se notan las semejanzas con la estructura de la
membrana plasmhtica. Una pequefia cantidad de éster de
colesterilo y tnacilglicerof, se encuentran en la capa cuperficial y algo del colesterol libre se ubica en el núcleo.
La distribución de apolipoproteinas
caracteriza a la lipoproteína
En cada lipoproteina hay una o mhs apolipoproteínas
(proteínas o polipéptidoc). De acuerdo a la nomenclatura ABC, la apolipoproteina mayor de HDL (alfa
lipoproteina) se designa A. La apoIipoproteina principal de LDL (beta lipoproteina) se designa B y también
se encuentra en VLDL y quilomicrones. Sin embargo,
Ia apo R de los quilomicrones ( B 4 g ) es m8s pequ&a
que la apo B-l O0 de LDL o VLDL. La B 4 8 es sintetizñda en el intestino y B-l M) en el hígado. (Al parecer, en
el higado de rata se f m a B-48 además de B-100.)
La apo E-1 00 es 1a cadena polipeptidica sencilla
más larga que se conoce, pues tiene 4536 arninoácidos. La apo B-48 (con 48% de la longitud de B-100) se
sintetiza del mismo mRNA como apo E-100. Aparentemente, en el intestino, un codbn de detencibn que
no está presente en el DNA genómico, se introduce
por un mecanismo editor del RNA que detiene la
traslación en el residuo aminoacidico~2153para liberar la apo B 4 O . Las apolipoproteinas C-1, C-II y
C-111 son los polipkptidos más pequefios que se transfieren libremente entre varias lipoproteínas diferentes
(cuadro 27-3). La apo B tiene un contenido aproximado
de 5% de carbohidratosque incluyen manosa, galactosa,
fucosa, glucosa, glucosarnina y ácido sialico. Por
tanto, algunas lipoproteinas son también gliicoproteínas. En las lipoproteínas plasrnhticac se han cncon-
302
(Capítulo 27)
Bioquímica de Hurper
Cuadro 27-3. Apoproteinas de las lipoproteinas del
plasma hurnan. - -- -- .--. .- .
.
--
Lipo proteína
polipopro
.
[
--
-.
. .-
.-----
s adiciona les
(Da)
ctiva~~ora
ae
11,. quilom icrnnes
Apo A-
- .-
.-.
-
FMasa mole
la ~ecitin:co~cstero~
aclltransrasa fl,CA'r).Ligandc1 para cirer:eptor
HI31,
p
.
L
.
A
-
.
ra Ia fornTan dos n?onómeros
énticos uinidos por un puente disul ruro.
-h:L:,l*~
V
Apo B-1
1
Sei:retado ccIn
Pel.o
,.
1 C' A T'I
sociado co n la forma civn de tri acilglicero
:o en lipolprotcinas. I'uncilin di:scnnocida
quilami
sc transfiere a I,IDL
n+at;"nA..
IILc.LIL.UUU
rinr
en el higr
IDL
1
nl ;nt,.r1
LII~V~J~I~O
- - .CI
-
ao para e1
1,
Apa B 4
,,,,,,,,,,
,,.
.uLk,nnnicrones
nanentcs
Apo C-
iLCAT
mes
Apo C-1
.DL, HDL, q u i i v i i r r - i ,
ctivadnrn de Ia lipoproteinn lipa,
Apa C-1
,DL, HDL,
ariac. form;is polimórlTeas dcpendiendo del
intenido dr:ácidos sialicos
ucde actuar como proteina ae transferencia
Apo D
le HDL
:
Iípidas
-
Apo E
.DL: HDZ
ilomicrnne
- . -
trado otras apolipoprotelnas. Una es la apolipoproteina E, rica en arginina, aislada de las VLDL y HDL;
su contenido en arginina ec hasta de 10% del total de
aminoacidoc y representa de 5 a 10% de las apolipoproteinas VLDL totales en personas normales, aunque
existe en exceso en el espectro de las beta VLDL de
pacientes con hiperlipoproteinemia tipo 111.
Las apolipoproteinac tienen varias acciones: 1) Son
cofactores de enzimas; por ejemplo, C-11 para lipoproteina lipasa, A-1 para lecitin:colesterol aciftrancferasa. 2) Pueden actuar como Iípidos para transferir
proteinas. 3 ) Sirven como ligandos para interaccionar
con receptores de lipoproteinas en los tejidos, por ejemplo, apo B-100, apo E para el receptor LDL, apo E
para el receptor remanente y apo A-1 para el receptor
de HDL.
LOS ÁCIDOS GRASOS LIBRES SE
METABOLIZAN CON SUMA RAPIDEZ
Los ácidos grasoc libres (AGL, hcidos grasos no
esterificados, Bcidos grasos inesterificados) aparecen
(1-VLDI
1
inemia tipc
.-,-,.A.e animales con hiperc~
iia inducid:3.
nr de rema
3r la dicta. Ligando 1:
do y para e 1
rntcs de qii ilomicrtine
.-..
1 receptor de LUL
resente en t
s con hipt
is
en el plasma a partir de la lipblisis de los triacilgliceroles en el tejido adiposo o como resultado de la
accibn de la lipoproteina lipasa durante la incorporación en los tejidos de los triacilgliceroles plasmaticos. Se encuenzran combinados con la albúmina del
suera en concentraciones variables entre 0.1 y 2 pEq/mL
del plasma y comprenden a los hcidos grasos de
cadena larga que se encuentran en el tejido adiposo,
es decir, acidos palrnitico, estclirico, oleico, palmitoleico, Iinoleico, otros Acidos poliinsaturados y cantidades mas pequeiías de otros Acidoc grasos de cadena
larga. Se han descrito sitios de unión sobre la albúmina, de afinidad variable para los ácidos grasos.
Se registran valores bajos de hcidos grasos libres en el
plasma en estado de alimentacidn completa, elevándose a cerca de 0.5 pEqlmL en la posabsorción y entre
0.7 y 0.8 pEqlmL en el ayuno total. En la diabetes
sacarina no controlada, la cifra puede elevarse a 2
pEqlmL. El valor cae inmediatamente después de
comer y sube otra vez antes de la siguiente comida;
mientras que en los que se alimentan de manera continua como los rumiantes, en donde hay constante
afluencia de nutrientes a partir del intestino, los ácidos
grasos libres permanecen eszables en un valor ba,jo.
Transuorfe y almacenamiento de linido,~ 303
La velocidad de eliminación de ácidos grasos
libres de la sangre es muy rápida. Parte de la captacihn
se oxida y suministra alrededor de 25 a 50% de los
requerimientos energéticos durante el ayuno. El resto
de la incorporación es esterificada. En la inanición, se
oxida una cantidad de grasa considerablemente mayor
de la que puede ser atribuida a la oxidacion de los
acidos grasos libres. Esta diferencia se puede explicar
por la oxidación de kipidos esterificados circulantes o
de !os presentes en los tejidos. Se cree que Eo último e n
particular se presenta en el corazón y el músculo
esquelCtico, donde se encuentran depósitos considerables de lipidos en las células musculares.
El recambio de ácidos grasos libres está directamente relacionado con su concentraci6n. Así, la
velocidad de producción de ácidos &rasos libres en el
tejido adiposo controla su concentraci6n en e[ plasma,
la cual a su vez determina su captación por otros
tejidos. El estado de nutriciiin no parece tener un gran
efecto sobre la incorporacibn Fraccionada de los hcidos
grasos libres por tos tejidos. Sin embargo, altera la
proporción de la cantidad que es oxidada comparada con
la fraccién que es esterificada, siendo mayor la oxidaci6n en el estado de ayuno que en el de nutrición.
DesputSs de la disociacion del complejo Iicido grasoalbúmina en la membrana plasmiitica, tos ácidos gmsos
se unen a una proteina membrana1 fijadora de
Acidas grasos que actúa como un comansportador
transrnembrana con Na'. Al entrar al citosol, los acidos
grasos libres son retenidos por una proteína fijadora
de Bcidos grasos o proteína Z. Se piensa que la
función de ksta en el transporte intracelular es semejante
al de la albúmina serica en el transporte extracelular
de los ácidos grasos de cadena larga.
LOS TRIACILGLICEROLES SE
TRANSPORTAN DESDE EL INTESTINO
EN QUILOMICRONES Y DESDE EL
H~GADOEN LIPOPROTE~NAS
DE MUY BAJA DENSIDAD
Por definición, los quilomicrones se encuentran en el
quilo formado sólo por el sistema linfatico que drena
el intestino. Se ocupan del transporte de todos los
Iipidos diet6ticos en la circulaci6n. Hay partículas m&
pequefias y m& densas que tienen características de la
VLDL que tarnbikn se encuentran en el quilo. Se
forman incluso en estado de ayuno, sus Iípidos derivan
principalmente de las secreciones biliares e intestinales. Por otro.lado, la formacibn de quilomicrones
aumenta con la carga de triacilglicerol absorbida. La
mayoría de las VLDL plasmaticas es de origen
hephtico. Ellas son el vehículo de transporte del
triacilglicerol desde el hígado hasta los tejidos ex-
nales y el de las VLDL con las células del parénquima
hepático (figura 27-3). La apolipoproteína B es sintetizada por los ribosomas en el retículo endopl~smico
rugoso y ES incorporada a las lipoproteínas en el
retículo endoplasmico liso, que es el principal sitio de
sintesis de triacilglicerol. Las lipoproteínas atraviesan
el aparato de Golgi donde más lipidoc y residuos de
carbohidratos se agregan a la lipoproteina. Se liberan
los qiiilomicrones y las VLDL ya sea de la célula
intestinal o dc la hephfica por medio de la fusión de la
vacuola secretora con la membrana celular {pinocitosis inversa). Los quilomicrones pasan a los espacios
entre las células intestinales, abriéndose camino fínalmente hacia el sistema linfático (quiliferos) que drena
el intestino. Las VLDL son secretadas por las células
del parénquima hepático dentro del espacio de Disse y
luego en los sinusoides hepaticos a través de las
venranas del revestimiento endotelial. Las similitudes
entre los dos procesos y los mecanismos anatómicos son
sorprendentes porque, aparte de la glándula marnaria,
los tejidos intestinal y hepatico son los únicos desde
donde se excretan lipidos particulados. La incapacidad
de un lipido particulado del tamafio de los quilomicrones y de las VLDL para pasar a través de las células
endoteliales de los capilares sin una hidrolisis previa
es probablemente la razbn por la que las grasas de los
alimentos entran a la circulación a travks de los linfhticos (conducto torácico) y no por el sistema portal
hepático.
Aunque tanto los quilomicrones como las VLDL
aisladas de la sangre tienen apolipoproteínas C y E, las
Iipoproteinac recien secretadas o "nacientes" contienen poca o nada de ella, y pareceria que el cornplemento de polipéptidos de la apoproteina C y E es
tomado por transferencia desde l& HDL una vezque los
quiIomicrones y las VLDL han entrado en la circulación (figuras 2 7 4 y 27-5). Una descripcidn mas
detallada de los factores que controlan la secreción
hepática de VLDL se da despds.
La apo B es indispensable para la formación de
quilomicrones y VLDL. En la abetalipoproteinemia
(una enfermedad poco frecuente), la apoB es incapaz
de funcionar a causa de un defecto en una proteina
transferidora de triacilglicerot que evita la carga de la
apo B con lipidos; por tanto, no se forman las lipoproteinas que la contienen y las gotitas de lipidos se
acumulan en el intestino y el higado.
LOS QUILOMICRONES Y LAS
LIPOPROTE~NASDE MUY BAJA
DENSIDAD SON CATABOLIZADAS
RÁPIDAMENTE
trahephticos.
Hay muchas semejanzas entre el mecanismo de
La depuracibn de la sangre de los quilomicrones marcados es rápida, pues su tiempo medio de desapariciones
fomaci6n de los quilomicrones con las cdlulas intesti-
del orden de minutos en los animales pequefios (como
3 04
A
* Bioauímica de Haraer
(Cmítulo 2 7)
Luz intestinal
B
Capilar
sanguineo
Vasos Iinfaticos
hacia el mndLicto
torAcico
E
Luz del sinusoide sangulneo
Figura 27-3. Forrnacibn y secrecibn de (A) quilomicrones por una célula intestinal y (B) lipoproteinas de muy baja densidad
por una dlula hep8tica. (RER, reticule endoplBsmiw rugoso, REL, reticulo endopl~smicoliso, G, aparato de Golgi: N, núcleo,
Q , quilomicrones, VLDL, Iipoproteinac de muy baja densidad; E, endotelio, DE, espacio de Disee, que contiene plasma
sanguíneo.) El esquema es una representacióndiagramática de sucesos que pueden observarse con microsmpio electrbniw.
Figura 2 7 4 . Destino rnetabdlimde los quilomicrones. (A, apolipoprofeina A; 8-48, apolipoproteina B d 8 ; 0,apolipoproteína
C; E, apolipoproteina E; HDL, Iipoproteínasde alta densidad;TG, triaeilglicerol; C, colesterol y éster de colestetilo; P, fosfolípido:
LH, Iipasa hephtica.) Se muestran $610 los Ilpidos más importantes
Transporte y alrnaceriamiento de lípidos
305
Figura 2 7 6 . Destino rnetabólico de las Iipoproteinas de muy baja densidad (VLDL) y producción de Iipoprotelnas de baja
densidad (LDL) (A, apolipoproteina A: B-100, apolipoproteina B?00; Q, apolipoproteina C; E, apolipoproteina E: HDL,
lipoproteina de alta densidad; TG, triacilglicerot; SDL, lipoproteína de densidad rntermedia; C, colesterol y ester de colesterilo:
P, fosfolípidos ) Solamente se presentan los Iipidos mas importantes. Es posible que una parte de IDL sea metabolizada por
la via del receptor para el remanente de quilomicrbn (apo E).
las ratas), aunque es mas largo en los animales grandes
(como en el ser humano), en quienes todavía es menor
de una hora. Las particu las más grandes se catabolizan
más rapidamente que las mas pequefias. Cuando se
administran, por la vía venosa, quilomicrones marcados en los acidos grasos del triacilglicerol, casi 80%
de la marca se encuentra en el tejido adiposo, corazón y
músculo, y aproximadamente 20% en el hígado.
Como los experimentos con organo irrigado han demostrado que el hígado no mesaboliza de manera
significativa los quilomicrones o las YLDL locales
la marca en el higado debe ser un resultado secundario
de su metabolismo en los tejidos extrahepáticos.
Los triacilglicerol de los quilomicrones
y las V L D t se hidrolizan por acción
de la lipoproteina lipasa
Hay una corretacion significativa entre la capacidad
de un tejido para incorporar ácidos graso5 de los
triacilgliceroles de la lipoproteinas y la actividad de
la enzima lipoprotefna lipasa. Se loca!iza en las
paredes de los capilares sanguíneos, anclada por ca-
denas de peptidoglucano de sulfato de heparhn y se ha
encontrado en extractos de corazhn, tejido adiposo,
bazo, pulmdn, meduIa renal, aorta, diafragma, glhndula mamaria en lactancia y en el hígado del recien
nacido; no es activa en el del adulto. La sangre noma1
no contiene cantidades apreciables de la enzima; sin
embargo, después de una inyeccibn de heparina se
libera la lipoproteina lipasa de su enlace al sulfato de
heparán y entra en la circulacibn acompañada de la
desaparicihn de la lipemia. Tmtiikn del higado se
libera una lipasa, la lipasa hephtica, cuando hay grandes
cantidades de heparina, pero esta enzima tiene
propiedades diferentes de las de la lipoproteina Iipaca y
no reacciona facilmente con los quilomicrones. Se
encuentraen las células endotelialesdel hígado y se vincula con el quilomicrón remanente y el metabolismo de
las HDL.
Tanto los fosfolipidas como Ia apolipoproteina
C-II se requieren como cofactores para la actividad
de la lipoproteína lipasa. La apo C-Fl contiene un sitio
específico de fijación de fosfolipido n través del cual
se adhiere a la Iipoproteína. Por consiguiente, los
quilomicranes y las VLDL proporcionan la enzima
para su metabolismo con su sustrato y sus cofactores.
(Capitulo 27)
La hidrdlisis tiene lugar mientras las lipoproteinas
esthn adheridas a la enzima en el endotelio. El triacilglicerol es hidrolizado de modo progresivo a travb de un
diacilglicerol a iin monoacilglicer~lque finalmente se
hidroliza a hcido graso libre y glicerol. Algunos de los
Acidos grasos liberados regresan a la circi~lacion,unidos a la albúmina, pero el volumen mayor es transportado al tejido (figuras 2 7 4 y 27-5). La lipoproteína
lipasa cardiaca tiene una Kmbaja para el triacilglicerol
en tanto que la ICTl de la enzima en el tejido adiposo es
10 veces mayor. Conforme la concentraci~ndel triacilglicerol plasmlitico decrece en la transicion del
estado de nutrición al de ayuno. las enzirnas cardiacas
permanecen saturadas con sustrato, pero la saturación
de la enzima disminuye en el tejido adiposo, con lo
cual la captación se redirige del tejido adiposo hacia
el corazbn. Un encausamiento semejante se produce
d~iranteSa lactancia, en la cual la actividad del te-jido
adiposo disminuye y Ia de la glándiila mamarla
aumenta, permitiendo la captacibn de triacilglicerol
can hcidos grasos de cadena larga, de las lipoprotelnas, para la sintesis de los lipidos lácteos.
En tejido adiposo, la insulina incrementa la sintesis de lipoproteína lipasa y su traslado a la superficie
luminal del endotelio capilar.
La acción de la lipoproteína lipasa forma
lipoproteinas remanentes
La reacción con la lipoproteína lipasa conduce a la
pérdida de aproximadamente 90% del triacilglicerol
de los quilomicrones y a la pérdida de apo C (la cual
regresa a HDL) pero no la apo E (la cual es retenida).
La IBpoproteina resultante o quilomicr6n remanente
tiene un diámetro aproximado de la mitad del quilomimbn precursor y, en tkrrninos de porcentaje, su composicion se enriquece relativamente en colesterol y en
Csteres de colesterilo por la perdida de triacilglicerol
(figura 2 7 4 ) . Cambios semejantes tienen lugar en las
VLDL con la formación de VLDL remanentes o IDL
(lipoproteinas d e densidad intermedia; figura 27-5).
El hígado capta las lipoproteínas
remanentes
Los quilomicrones remanentes son captados por el
higado a través de endocitosis mediada por receptor y
los Csteres de colesterilo y los triacjlgliceroles son
hidrolizados y rnetabolizados. Al parecer, la captacidn
es mediada por un receptor específico para apo E
(figura 2 7 4 ) . La infomacion actual sugiere que tanto
el receptor de LDL (apo B-100, E) y el receptor
remanente específico para apo E participan en la captación del remanente. La lipasa hepática tienc una
funcion doble: 1) actuar como ligando para la lipoproteina y 2) hidrolizar sus triacilgliceroles y fosfolipidos.
Idos estudios que utilizan VLDL con apo B-100
mascada, han demostrado que las VLDL son precursoras
de las IDL y que estas Últimas lo son de las LDL.
Solamente una de la apo R-100 esta presente en cada
particula de esta lipoproteína y se conserva durante las
rransformaciones. Cada pariiculia de LDL deriva de
una sola partícula de VLDL (figura 27-5). Dos destinos posibles esperan a IDL. Pueden ser captados de
manera directa por el higado a través del receptor para
LDL Capo 8-1 00, E) o convertirse en LDL. En la rata,
la mayoria de las IDL se captan por cl higado, en tanto
que en Ios seres humanos una proporcibn mucho
mayor forma LDL, y participa así en la mayor concentración de LDL en éstos en comparación con la rata
(y muchos otros marniferos).
LA LDL ES METABOLIZADA POR
INTERACCIQN CON SU RECEPTOR
A1 parecer, la mayoria de las LDL se forman a partir
de las VLDL como se describió, pero existen evidencias de alguna producción efectuadadirectamente por e[
higado. El tiempo promedio de desaparición de la
circulación de la apoproteína 0-1 00 en las LDL es d e
alrededor de dos días.
Los estudios en cultivos de fibroblastos humanos,
linfocitos y celulas de músculo liso arteria1 han demostrado la existencia de sitios especiiicos de enlace
o receptores para las LDL, los receptores (B-100. E).
Se designa asi debido a que es específico para apo
B-100, pero no para apo R-48 y bajo ciertas circunstancias captará lipoproteinas ricas en apo E. La Apo
E 4 8 carece del dominio carboxilo terminal de B-100
que contiene el ligando para el receptor de LDL. Estos
receptores son deficientes en la hipercolesterolemia
familiar. Aproximadamente 30% de LDL es degradada
en los tejidos extrahepáticos y 70% en el hígado.
Existe una correlación positiva entre la frecuencia de
la aterosclerosis coronaria y la concentracibn plasmática de LDL. Para descripcibn adicional de la regulación del receptor para LDL, véase capitulo 28.
LAS HDL INTERVIENEN
EN EL METABOLISMO
DE LOS TR1ACILGLICEROLES
Y DEL COLESTEROL
Las HDL son sintetizadas y secretadas tanto en el
hígado como en el intestina (figura 2 7 4 ) . Sin embargo. las HDL nacientes (recitn secretndas) del intestino no contienen apolipoproteina C o E, solo
apolipoproteína A. Así. la apolipoproteina C parece
ser sintetizada en el hígado y transferida a las IlDL
Transporte y alrnacenumlento de 1i;aidos* 307
Figura 2 7 4 . Metabolismo de las lipoproteinas de alta densidad (HDL) (LCAT, lecitin:mlesterolaciltransferasa; C, colesterol,
EC, Bster de colesterila, PL, fosfolípido; AGL, ácidos grasos libres; A-1, aproproteina A-l.) La figura muestra el papel de las
tres enzimas lipasa hep8tica LCAT y LPL en el ciclo de las HDL postulado para el transporte del colesterol desde los tejidos
al hígado HD4, HDL3, cuadro 27-2 Además de triacilgliceroles, la lipasa hepática hidroliza fosfolípidos de la superficie de
HDL2, liberando colecterol para captación hepatita, lo que permite la formación de HDL3 más pequeños y más densos La
actividad de lipasa hepAtica es incrementada por andrbgenos y disminuye por estrógenos, lo cual puede explicar los valores
plasmáticos más elevados de HDL2 en mujeres.
intestinales cuando esths entran al plasma. Una funci6n importante de las HDL es actuar como reservorio
de las apoproteinas C y E que son requeridas en el
metabolismo de quilomicrones y VLDL (figuras 2 7 4
y 27-5).
Las HDL nacientes consisten en dobles capas
discoides de fosfolipidos que contienen apoproteinas
y colesterol libre. Estas lipoproteinas son similares a
las partículas encontradas en el plasma de pacientes
can deficiencia de la enzima lecitin:colesterol~ciltransderasa (LCAT) y en el plasma de pacientes con
ictericia obstructiva. La LCAT y la apolipoproteina
activadora A-1 de dla, se unen al disco. La catllisis
por la LCAT convierte el fosfoIipido superficial y el
colesterol libre en ésteres de colesterilo y en
licolecitina. Los ésteres de coleszerilo no polares penetran en el interior hidrófobo de la doble capa, en tanto
que la licolecitina es transferida a la albúmina del
plasma. La reacción continúa generando un nucleo no
polar que empuja a Ea doble capa hasta que se forma
una HDL esferica seudomicélica, cubierta por una
película superficial de lipidos y apolipoprotcinas polates. De este modo, el sistema de la LCAT interviene
en la eliminación del CXGeSO de colesterol no esterificado de tas lipoproteinas y de las tejidos. El higado es
el sitio final de degradacilin de los esteres de coleste-
rilo HDL. No se sabe con precisibn si en la endocitosis
de HDL interviene un receptor verdadero para HDL O
apo A-P. N o parece que el hígado capte las HDL que
contienen apo A-1, de modo significativo. Las apo
A-l son disociadas y eliminadas por el riirbn.
Se ha propuesto un ciclo de las 1-IDLpara explicar
el transporte del colesterol de los tejidos al hígado, un
proceso conocido como transporte inverso de
colesterol (figura 2 3 4 ) . El ciclo considera captaci~n
y esterificación de colesterol mediante HDL,, que a
su vez se toma menos densa formando aci HDL?. La
lipasa hepática hidroliza fosfolípido HDL y triacilglicerol, permitiendo que la partícula libere su carga
(colesteril Csrer hacia el hígado, donde la particula se
condensa más, volvit5ndose a fonnar HDL, que asi se reincorpora al ciclo. Los valores de HDL varían reciprocamente con las concentraciones plasmaticas de
triacilglicerol y de manera directa con la actividad de la
lipoproteina lipasa. Esto se puede deber a los elementos de superficie, por ejemplo, fosfolipidos y apo A-1
liberados durante la hidrólisis de quilomicrones y que
contribuye a la formacibn de HDL naciente. Las concenmiones de HDL p L 2 ) tienen relación inversa con
la frecuencia de la aterosclerosis coronaria, posiblemente debido a que reflejan la eficiencia de la
depuración del colesterol de los tejidos. La HDL,
(HDL,) se encuentra en la sangre de los animales con
hipercolestesolemia causada por la dieta. Es rica en
colesterol y su Unica apolipoproteina es apo E. Es
captada por el hígado por medio del receptor para la
apo E remanente, pero también por los receptores para
LDL. Es por esta razón que estos hltimos se designan
en ocasiones receptores apo B-100.
Parece que todas las lipoprotefnas plasrnáticas
son componentes interrelacionados de uno o más ciclos
metabolicoc que juntos son responsables del complejo
proceso del transporte de los lipidos plasmAticos.
EL H~GADOTIENE UNA FUNC~ÓN
PRINCIPAL EN EL TRANSPORTE
Y METABOLISMO DE LOS L~PIDOS
Al principio se pens6 que mucho del metabolismo de
los lipidos del cuerpo era prerrogativa del higado. E!
descubrimiento de que muchos tejidos tienen la facultad de oxidar completamente los acidos grasos y el
conocimiento acumulado que demuestra que el tejido
adiposo es metabólicamente activo en extremo, han
tendido a modificar el Cnfasis anterior sobre la funci6n del
hígado. Sin embargo, el concepto de una funcion
central y única para el hígado en el metabolismo de
los lipidos es todavía importante. Este brgano lleva a
cabo las siguientes funciones principales en el metabolismo de los lípidos: l} Facilita su absorcion y
digestión mediante la produccibn de bilis, que contiene colesterol y sales biliares sintetizados en el
propio higado de novo o de la captación del colesterol
de las lipoproteinas (capítulo 28). 2) Tiene sistemas
enzimliticos activos para la formacihn y oxidación de
los Bcidos grasos (capítulos 23 y 24) y para sintetizar
triacilgliceroles, fosfolípidos (capítulo 26). 3 ) Convierte los ácidos grasos en cuerpos cetonicos (cetoghnesis) (capitulo 24). 4) Desempefia una parte
integral en el metabolismo de las lipoproteínas plasrnhticas (en este capítulo).
La secreción de VLDL hepaticas
se relaciona con el estado nutricional
y hormonal
Ya se describieron las acciones celulares que intervíenen en la formación y secrecion de VLDL. Los triacilgliceroles hepáticos son precursores inmediatos de
sus homblogoc contenidos en las VLDL plasmfiticas
(figura 27-7). La sintesis de triacilglicerol proporciona
el estímulo inmediato para la creación y secrecibn de
VLDL. Los ácidos grasos usados en la síntesis de h a cilgliceroles hepáticos se derivan de dos fuentes posibles:
1) sintesis dentro del hígado a partir de ta acetil-CoA
derivada principalmente de los carbohidratos (quizls
no sea inlportante en los seres humanos) y 2) captación de bcidos grasos libres desde la circulacibn. La
primera fuente predomina en estado de buena alimentacibn, cuando la síntesis de hcidos grasos es alta y el
valor de acidos grasos libres circulantes es bajo. Como
los triacilgliceroles no se acumulan normalmente en
el hígado en este estado, se debe inferir que son
transportados del hígado en las VLDL tan rápidamente
como son sintetizados y que la sintesis de apo B- 100
no es limitante de la velocidad. Por otro lado, durante el
ayuno, en las dietas ricas en -as oen la diabetessacarina,
se eleva la cifra de hcidos grasos libres circulantes y
mAs de ellos son captados por el hígado. En estas
condiciones, la lipogenesis se inhibe y !os Qcidos
graos libres son la fuente principal de ácidos gasos de
los triacilgliceroles en el hígado y en las VLDL. Los
mecanismos enzimáticos encargados de la síntesis de
triacilgliceroles y fosfolipidos han sido descritos en el
capitulo 26. Los factores que aumentan tanto la sintesis de triacilgliceroles como la secrecibn de VLDL
por e! higado incluyen: 1 ) estado de nutrición
adecuada más que ayuno; 2 ) la alimentación con
dietas abundantes en carbohidratos (particularmente
si contienen sacarosa o fmcrosa), que conduce a velocidades elevadas de lipogknesis y de esterificación de
ticidos grasos; 3 ) altos valores de hcidos grasos libres
circulantes; 4) la ingestibn de etanol; y 5) la presencia
de concentraciones altas de insulina y bajas de glucagón, que incrementan la sintesis y esterificación de
hcidos grasos e inhiben su oxidación.
Transporte y alrnucenamren~ode lipido.7
309
Figura 27-7. Sintesis de lipoproteinasde muy baja densidad (VLDL) y los posibles sitios de accibn de los factores que causan
acumulacibn de triacilglicerolese hígado graso. (AGE, ácidas grasos esenciales, AGL, Sicidos rasos libres; HDL, lipoprotelnac
de alta densidad;A p o apolipoproteina,MTP proteína microsomalde transferencia d e b l a s v i a s indicadasforman
la base para los fenbmenos que se muestran en la figura 27-38. La reserva principal de triacilglicerot en el higado na está en fa
via directa de sintesis de VLDL a partir de acil-COA.Por tanto, AGL, insulina y glucagbn benen efectos inmediatos sobre
la secreción de VLDL ya que su concentracibn afecta directamente al depósito precursor pequeiio de triacilglicerol En el
estado de alimentación total, se sintetiza apo 8-100 en exceso a los requerimientos de secrecibn para VLDL, y el exceso se
destruye por vía hepática
(Capítulo 2 7)
El desequilibrio en la velocidad de
formación y exportación de
triacilglicerol causa la acumulación
de grasa en el hígado
Por muchas razones, los Iípidos, principalmente como
triacilglicerolcs, se pueden acumular en el higado
(figura 27-7). La acumulación extensa es considerada
coma patolbgica. Cuando se hace crhnica, se producen
cambios fibrsticos en las c&lulas, los que progresan
hasta lacirrosis y el deterioro de las funciones hepáticas.
La acumulaciún de grasaen el hígado se cla~ificaen
dos categorías principales. La primera está relacionada
con valores elevados de Acidos grasos libres plasmátkos qiie resultan de la movilizaciiin de kas grasas
del tejido adiposo, dc la hidriilisis de triacilgliceroles de
las lipoproteínas o de los triacilgliceroles de los
quilomicrones por la acción de la lipoproteína lipasa
en los tejidos extrahepiiticos. El higado incorpora
cantidades crecientes de ácidos grasos libres y los
esterifica. La producción de VLDL no va pareja con
la afluencia de dcidos grasos libres, permitiendo que
se acumulen los triacilgliceroles y dé por resultado un
hígado graso. La cantidad de triacilglicerol que se
encuentra en el higado aumenta de modo significativo
durante la inanición y en la alimentacibn con dietas
ricas en grasas. En muchos casos (por ejemplo, en
inanicion), la capacidad de secretar VLDL también está
deteriorada. Las causas pueden ser concentración baja
de insulina y alteración en la sintesis de proteinas. En
la diabetes sacarina no controlada, en la toxemia del
embarazo de las ovejas y en la cetosis del ganado, la
infiltración de grasa es suficientemente gravc para
causar palidez visible (apariencia grasa) e hipertrofia del
hígado, con posible disfuncion hepática.
El segundo tipo de acumulación de grasa en el
higado se debe generalmente a un bloqueo metabólico
en la produccion de lipoproteinas plasrniticas lo
cual ocasiona que se acumulen los triacilgliceroles.
Tebricamente, la lesión se puede deber a: 1) un bloqueo en la sintesis de apolipoproteinas, 2) a un bloqueo
en la síntesis de lipoproteína a partir de los lipidos y
las apolipoproteinas, 3 ) a una falla en la provisibn de
fosfolípidos que se encuentran en las lipoproteínac, o
4) a una falla en el propio mecanismo secretor.
Un tipo de hígado graso que ha sido estudiado
extensamente en las ratas se debe a una deficiencia de
colina, la que por esto ha sido llamada factor
lipotrdpico. Como la colina puede ser sintetizada
usando grupos metílo Iábiles, donados por ta metionina
en el proceso de transrnetiZacibn (capítulos 32 y 33),
la deficiencia se debe básicamente a la escasez de ese
grupo metilo. Se han sugerido varios mecanismos
para explicar la funcihn de la colina como agente
Iipotrópim, incluyendo su ausencia, que cama alteraciones
en la síntesis de los fosfolípidos lipoproteínicos.
El antibibtico puromicina inhibe la sintesis proteinica y provoca la aparición de hígado graso y una
marcada reducción en la concentracibn de VLDL en
las ratas. Otras sustancias aue actúan en forma similar
incluyen a la etionina (&ido alfa-amino-garnmnmercaptobutlrico), tetracloruro d e carbono, cloroformo, fosforo, plomo y arsénico. La colina no protege
al organismo contra esos agentes pero parece que
ayuda en la recuperación. Es muy verosimil que el
íetracloruro de carbono afecte tambikn al mecanismo
secretor mismo o a la conjugación del lípido con la
apoprotcina de la lipoproteina. Su efecto no es directo.
sino que m8s bien depende de la transfomacibn ulterior
de la mol~cula,Esto probablemente implique ta formacicín de radicales libres que pueden desintegrar a
las membranas 3ipidas en el reticulo endoplásmico
mediante la formación de peróxidos de Ilpidos. La
alimentacibn enriquecida con vitamina E proporciona
cierta protección contra la peroxidacibn de los lipidos
inducida por el tetracloruro de carbono. Se cree que la
acción de la etionina es causada por una reduccidn en
la disponibilidad del ATP. Esto resulta cuando la
etionina, que reemplaza a la metionina en la S-adenosilmetionina, atrapa adenina disponible y así evita
la síntesis de ATP. El icido orolico también causa la
acumulaci6n de grasas en el higado; conforme se
acumulan VLDL en el aparato de GoEgi, se considera
que el ácido or6tico bloquea la glucosilacibn de Sa
lipoproteína, inhibiendo, por tanto, su Iiberacibn y
explicando la disminución notoria de las lipoproteinas
plasrnáticas que contienen apo B.
Una deficiencia de vitamina E aumenta la necrosis hepatica en el hígado graso por deficiencia de
colina. La administración de vitamina E o una fuente
de selenio tiene un efecto protector al combatir la
peroxidación del lípidos. Además de la deficiencia
proteinica, Eas deficiencias de Acidos grasos esenciales
y vitaminas (por ejemplo, ácido linoleico, piridoxina y
ácido pantoténico) pueden causar infiltracion grasa en
el higado. Se cree que la deficiencia de ácidos grasos
esenciales deprime la síntesis de fosfolípidos; por
consiguiente, otras sustancias, como el colesterol, que
compiten por los Acjdos grasos esenciales disponibles
para"laesterificacihn, pueden también causar acumulación de grasas en el higado.
El etanol tambien causa acumulación
de grasas en el hígado
El atcoholismo tarnbien provoca la acumulaci6n de
grasas en el higado, hiperlipidemja y, en ultima instancia, cirrosis. El mecanismo exacto de la acción del
alcohol a largo pla7o es todavía desconocido. N o estB
Transportey almacenamiento de lbidos
claro si la movilización adicional de acidos grasos
libres interviene en la acumulación de grasas, pero
varios estudios han demostrado valores elevados de
ácidos grasos libres en la rata despues de la adrninistración de una sola dosis intoxicante de etanol. Sin
embargo, el consumo de alcohol por periodos [argos
conduce a la acumulación de ácidos graso5 en el hígado
los cuales derivan de la síntesis endógena m8s que del
tejido adiposo. Después de la ingestibn de etanol no
hay al~eraciánde la síntesis proteinica en el hígado.
Existen evidencias de un incremento en la sintesis
hepatica de triacilglicerol, disminucihn de la oxidaci6n de Acidos grasos libres y reducción d e la actividad del ciclo del ácido cítrico, causada por la
oxidacihn del etanol en el citosol de las células hepaticas
por la acción de la alcohol deshidrogenasa que conduce a la producción excesiva de NADH.
3I I
inhibe t a m b i h el metabolismo de algunos fatmacos,
por ejemplo, barbituratos, al competir con las enzimas
dependientes de citocromo P45O (capitulo 61).
C H z - C H 2 4 H + NADPH + H" + 0 2
Etanol
CHj-CHO + NADP' + 2HzQ
kcetaldehido
La alcohol deshidrogenasa se encuentra tarnbien en la
mucosa gástrica, pero su actividad es 60% menor en
mujeres que en varones. La elevada disponibilidad de
etanol causada por esa escasa utilizacibn gástrica
puede explicar por qué las mujeres son más susceptibles a los efectos del consumo de alcohol. DespuCs
de La ingestión de etanol, algunas poblaciones asiaticas y de indios americanos muestran predisposiciiin a
un incremento en las reacciones adversas a acetaldehido debido a un defecto genético de la aldehido
deshidrogenasa mitocondrial.
!
ALCOHOL
DESHIDROGENASA
CH3-CHz4H p
C
H
3
Ebnol
NAD' NAOH + H'
2
H
0
Acetaldehido
El NADH generado compite con los equivalentes
reductores de otros sustratos por la cadena resplratoria, inhibiendo su oxidacibn. El aumento de la proporción [NADH]I[NAD"] origina un desplazamiento a la
izquierda en el equilibrio rnaIato = oxalacetato, que
puede reducir la actividad del ciclo del ácido citrico.
EE efecto total de inhibir la oxidacibn de los Acidos
grasos es provocar mayor esterificacidn de los mismos en el triacilglicerol, lo cual parece ser la causa de
la acumulación de grasa en el hígado. La oxidacion
del etanol conduce a la fomación de acetnldehido, el
cual e5 oxidado por la aldehído deshidrogenasa en
las mitocondrias, y el acetato es el producto final.
O t o s efectos del alcohol pueden incluir aumento de la
lipogénesis y de la síntesis de colesterol a partir de
acetilXoA. El mayor cociente de [NADH]/[NAD']
provoca también un mayor cociente de [lactato]/[pinivatoj que produce hiperlactiacidemia, la que a su vez
disminuye la capacidad del rifibn para excretar acido
úrico.Al parecer, esto último es la causa del agmvamiento
de la gota por la ingestion alcohblica. Aunque la
principal ruta del metabolismo del etanol es a través
de la via de la atcoho! deshidrogenasa, algo del rnetabolismo se lleva a cabo mediante el sistema oxidante
de etanol de los microsomas (MEOS, del inglds rnicrosomal ethanoi' oxidizing sistem) dependiente del
citocromo P45O que involucrael NADPI-Iy al Oz.Este
sistema aumenta su actividad en el alcoholismo crónico
y explicaría la depuración metabblica acelerada en
este trastorno, como lo indican las altas concentraciones sanguineas de acetaldehido y acetato. El etanol
EL TEJIDO ADIPOSO ES EL
PRINCIPAL SITIO DE ALMACENAJE
DE TR\AC\LGL\CEROLEN EL CUERPO
Los depisitos de tríacilglicerole~en el tejido adiposo
estan continuamente experimentando lipólisis
(hidrblisis) y reesterificaciiin (figura 27-8). Estos dos
procesos no son las fases en ambos sentidos de la
misma reoccibn. MAS bien con vEas enteramente diferentes en las que intervienen reactivos y enzimas
distintos. Muchos de los factores nutritivos, rnetabólicos y hormonales que regulan el metabolismo del
tejido adiposo acnian ya sea cobre los procesos de
esterificacibn o en la lipblisis. La resultante de estos
dos procesos determina la magnitud del depósito de
ácidos grasos libres en el tejido adiposo, que a su vez
es la fuente y determinante de la cantidad de ácidos
grasos libres que circulan en el plasma. Debido a que
la cifra plasmaticade acidos grasos libres tiene efectos
m& profundos sobre el metabolismo de otros tejidos,
particularmente el hepático y muscular, los factores
que operan en el tejido adiposo y regulan la salida de
ácidos grasos libres qiercen una influencia más alla
del zejido mismo.
La provisión de glicerol 3-fosfato
regula la esterifícación: la Iipóllsis es
controlada por una lipasa sensible
a hormona
En el tejido adiposo, el triacilglicerol es sinteti~adoa
partir de la acil-CoA y del glicerol 3-fosfato. segun
312
Bioquimicade Hurper
(Capítulo 2 7)
Glrceml3-fosfato
TEJIDO ADIPOSO
Figura 27-8. Metabolismo del tejido adiposo. La lipasa sensible a hormonas es activada por la ACTH, la TSH, el glucagbn,
la adrenalina. la noradrenalina y la vasopresina, e inhibida por la insulina, la pmctaglandina Ei y el lcrdo nicotínico. Los detalles
de la forrnacibn d e glicerol 3-fosfato a partir d e intermediariosd e la gluCblisis se muestran en la frgura 26-2. (VPF, vía de la
pentosa fosfato; TG, triacilglicerol,AGL, ácidos grasoc I~bres;VLDL, Iipoproteínas d e muy baja densidad.)
el mecanismo que se muestra en la figura 26-2. Debido rt la baja actividad de la enzima glicerol cinasa
en el tejido adiposo, el glicerol no puede ser utilizado
de manera amplia en la esterificación de acil-CoA. Para.
la pmvisibn de glicerol 3-fosfato, el tejido depende
de la gluc6lisis y de un suministro de glucosa.
El triacilglicerol es cometido a hidrotisis por la
tipasa sensible a hormona para formar ácidos grasos
libres y glicerol. Esta lipasa es distinta de la lipoprotcina lipasa que cataliza la hidrólisis de los triacilgliceroles lipoproteinicos antes de su captacibn por los
tejidos extrahepáticos (vCace antes). Puesto que este
tejido no puede aprovechar con facilidad al glicerol,
este se difunde al plasma, desde donde ya puede ser
utilizado por tejidos como el higado y el rifírjn, los
cuales poseen una glicerocinasa activa. Los acidos
grasos libres obtenidos en la lipdlisis pueden volver a
ser convertidos dentro de1 tejido adiposo en acil<oA
por la a c i l z o h sintetasa y reesterificados con
glicerol 3-fosfato para formar triacilglicerol. Por
tanto, hay un ciclo continua de Iip6lisis y reesterificacibn dentro del tejido. Sin embargo, cuando la
velocidad de reesterificacibn no es suficiente para
igualar la velocidad de la lipblisis, 30s Acidos grasos
Transporte y almacenutnien~ode lbidos
libres se acumulan y difunden hacia el plasma, en
donde se combinan con la albúmina y elevan laconcentracion de ácidos grasos libres plasmaticos. Estos
son una fuente importante de energía para muchos
tejidos.
Un metabolismo acelerado de glucosa
reduce la salida de ácidos gracoc libres
Cuando aumenta la utilizacibn de glucosa por el tejido
adiposo, la salida de ácidos grasas libres disminuye. Sin
embargo, la liberacion de glicerol continúa demostrando que el efecto de la glucosa no es mediado
por la reduccion de la velocidad de lipólisis. Se cree
que el efecto se debe a la provisión de glicerol 3-fosfato, e1 cual mejora la estesificacion de Lcidos grasos
libres por la vía de la acil-CoA.
La glucosa puede tomar varias rutas en el tejido
adiposo, incluyendo la oxidacihn a COI por la vía del
ciclo del ácido citrico, la oxidación en la vía de la
pentosa fosfato, converci6n en ácidos grasos de cadena larga y formación de acilglicerol por la via del
glicerol 3-fosfato. Cuando la utilizacihn de la glucosa
es elevada, una mayor proporcion del consumo es
oxidada a COI y convertida en ácidos grasos. Sin
embargo, a medida que disminuye la utilización total
de glucosa, es más grande la praporcibn de la misma
que se dirige a la formacihn de glicerol 3-fosfato y
para la esterificacibn de acil-CoA, los cuales ayudan
a minimizar la salida de ácidos grasos libres.
Los ácidos grasos libres son
captados debido a la actividad
de la Fipoproteína lipasa
Existe mm8s de un depbsito de AGL dentro del tejido
adiposo. Se ha demostrado que el depósito de ácidos
grasos libres (figura 27-8, depósito 1) formado por
lipdlisis de triacilglicerol es el mismo que surte los
kidos grasos para la reesterificacidn; también los libera
hacia el medio externo (plasma). Los hcidos grasos
captados del entorno como resultado de la accibn de la
lipoproteina Eipasa sobre el triacilglicerol de quilomicrones y VLDL, no marcan al depbsito 1 antes de ser
incorporados al triacilglicerol, pero viajan a travks de
un pequeflo depbsito 2 de recambio rhpido.
LAS HORMONAS REGULAN
LA MOVILIZACIÓNDE LIPIDOS
La insulina reduce la salida de
grasos libres
La velocidad de liberación de los hcidos grasos libres
desde el tejido adiposo es afectada por numerosas
3 13
hormonas que influyen tanto en el indice de esterificacion como en el de lip6lisis. La insulina inhibe la
liberacidn de acidos grasos del tejido adiposo, lo cual
va seguido por una disminución de 6cidos grasos
libres en el plasma circulante. El efecto es un incrementa de la lipogdnesis, de la síntesis de acilglicerol
y de la oxidaciún de la glucosa a CO: por la vía de
la pentosa fosfato. Todos estos efectos dependen de la
presencia de la glucosa y pueden explicarse en gran
parte con base en la capacidad de la insulina para
acelerar la captacihn de glucosa por las células del
tejido adiposo. Esro lo efectúa la insulina causando la
traslocación de los transportadores de glucosa del
aparato de Golgi a la membrana plasmhtica (figura
5 1-91. También se ha demostrado que la insulina
incrementa la actividad de la piruvato deshidrogenasa, acetil-CoA carboxilasa y glicerofosfato
aciltransferasa, que reforzaría los efectos que surgen
del incremento en Ea captaciiin de glucosa sobre la
amplificación de la síntesis de iicido graso y acilglicerol. Se sabe ahora. que estas tres enzimas san
reguladoras par una rnodificacibn covalente, esto es,
por mecanismos de fosforilaci6n-desfos€orilacion.
Una acción principal de la insulina en el tejido
adiposo es la de inhibir la actividad de la lipasa
sensible a hormona, lo que reduce la liberación no
sólo de Bcidos grasos libres sino tambibn la de
glicerol. El tejido adiposo es mucho más sensible a la
insulina qire otros muchos tejidos, lo cual sefíata al
tejido adiposo como un sitio principal de la acción
insulinica in vivo.
Un gran número de hormonas
estimulan la fipolisis
Otras honnonas aceleran la likracion de acidos gasos
libres del tejido adiposo y elevan el valor plasmático
de kidos grasos libres aumentando la velocidad de
lipólisis en los depósitos de t~iacilglicerol(figura 27-9).
&m incluyen la adrenalina, la noradrenalina, el glucagbn, la hormona adrenocorticotr6pica (ACTH, del
inglds, adrenocorticotropic hormone), hormonas alfa
y beta estimulantes de los melanocitos (MSH, del
inglks alfa y k t a - m e l a n ~ t e 1 ~ t i m u l a t i nhormones),
g
hormona estimulante de la tiroides (TSH), hormona
del crecimiento (GH} y vasopresina. Muchas de éstas
activan a la lipasa sensible a hormona. Para un efecto
óptimo, la mayoría de estos procesos ljpoliticos requieren la presencia de glucocorticoides y hormonas
tiroideas. Por si mismas, estas hormonas particulares
noaumentan la lipólisis notablemente, pero actúan
como facilitadoras o permisivas con respecto a otros
factores endocrinos lipofíticos.
Las hormonas que actúan rápidamente en la activncibn de la lipblisis, es decir, las catecolaminas, lo
Insulina, prostaglandina Eñ,
Adrenalina,
noradrelina
Bloqueadores
gluwgdn
,Bcrdo nicotinico
'@d * ,
1
p-adrenergtcos
S
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
L
-
_
-
-
-
_
-
-
-
_
-
.
. -7
1
1
1
Tria~ilglicero~
lipasa b
sen51ble a hormonas
Inhibidores de
sintests proteinica
,
'
Adenosina
Glucocorticoides
'nhibidore$de la
sintesis proteinica
Figura 27-9. Control de la lipblisis en el tejido adiposo (TSH, hormona estimulante de la tiroides; AGP, $cidos gracos libres )
Nbtese la secuencia en cascada de las reacciones que permiten la amplificacibn en cada paso. El estimulo lipolitico es
"desconectado" por la eliminación de la hormona estimulante; la accidn de la Iipasa fosfatasa; la inhibición de la Iipasa y la
adenilato uctasa por mncentraciones altas de AGL, la inhibtaón de la adenilil ucbsa por la densidad. y la depuraubn del dVMP por
acción de la fosfodiesterasa La ACTH, TSH y glucagon no pueden activar a la adenilato ciclasa in viw dado que la concentrauon que se requiere in wtmde cada una de ectas homlonas es mucho mayor que la que se enaientra en la circulacibn. Los
&dos reguladoresposrtivo @) y negatrvo
están representados por líneas punteadas y el sustrato Ruye por las llneas gtuesas.
{e)
logran estimulando la actividad de la adenilil ciclasa
que es la enzima que convierte el ATP en cAMP. El
mecanismo es anhlogo al que se ocupa de la estimulacibn hormonal de la glucogenólisis (capitulo 20).
Al parecer, el cAMP, mediante la estimulación de la
proteína cinasa que depende de cAMP, convierte
la triacilglicerol lipasa inactiva sensible a hormona, en
Iipasa activa. La lipólisis en gran parte es controlada
por la cantidad de cAMP presente en el tejido. Se
deduce que los procesos que destruyen o preservan el
cAMP tienen efecto sobre la lip6lisis. El cAMP es
degradado a 5'-AMP por la enzima 3', S'-nucle6tido
fosfodiesterasa cíctica. Esta enzima es inhibida por
las rnetilxantinas como la cafeina y la teofilina. Es
significativo que el tomar café, que contiene cafeina,
produzca una elevación marcada y prolongada de
acidos graso5 libres en el plasma humano.
La insulina antagoniza la acci6n de las hormonas
lipoliticas. En la actualidad, se considera que la lipólisis puede ser m6s sensible a los cambios en la
concentraci6n de insulina que lo que son la utilizacion
de la glucosa y la esterifícación. Los efectos antilipoliticos d e insulina. acido nicotinico y prostaglandina El pueden explicarse por la inhibicion de
la síntesis de cAMP en el sitio de la adenilil ciclasa,
actuando a travds de una proteina Gi. Tambiin la
insulina estimula a la fosfodiesterasa y a la lipasafocfatasa que inactiva a la lipasa sensible a hormona. Los
mecanismos posibles para la accilin de las hormonas
tiroideas incluyen un aumento en la concentracion de
cAMP mediante la facilitacibn del paso del estímulo
desde el sitio receptor en el exterior de la membrana
celular al sitio de fa adenilil ciclasa en el lado interno
de la membrana y una inhibición de la actividad de la
fosfodiesterasa. El efecto de la hormona del crecimiento
en la promocibn de la lipdlisis, es lento. Depende de
la síntesis de las proteínas que intervienen en la formación del cAMP. Los glucocorticoides favorecen la
lipólisis por medio de la síntesis de nueva proteina
lipasa pero por una via independiente del cAMP. Este
hallazgo tambitn ayuda a explicar la hnci6n de la
Transporte y almacenamrenfode lbidos
hipbfisis y de la corteza suprarrenal en el incremento
de la movilización de lípidos.
El sistema nervioso simphtico, a traves de la
liberación de noradrenalina en el tejido adiposo, tiene
una funciiin central en la movilización de ácidos grasos libres, al ejercer una influencia tónica aun cuando
la actividad nerviosa no aumenta. Así, la lipolisis
elevada, causada por muchos de los factores descritos
previamente, se puede reducir o abolir por la desnervación del tejido adiposo, el bloqueo ganglionar con
hexarnetonio o el agotamiento dc los depósitos de
noradrenalina con reserpina.
Han evolucionado una variedad de
mecanismos para el control fino del
metabolismo en el tejido adiposo
Es posible que el tejido adiposo humano no sea un
sitio importante de lipogenesis. Esto se sehala por la
observaci6n de que no hay una incorporaci6n significativa de radiactividad en los ácidos grasos de cadena
larga, procedente de glucosa o de piruvato marcados
y que a[ parecer no estri presente la ATP-citratoliasa,
enzima clave en la lipogénesis, y tiene una actividad
extremadamente baja en el higado. Otras enzimas,
GOmO la glucosad-fosfato deshidrogenasa y Ia
enzima málica, que en la rata experimentan cambios
adaptativos coincidentes con un incremento en la
Iipogenesis, no sufren cambios semejantes en el tejido
adiposo humano. De hecho, se ha sugerido que en e1
ser humano hay un "síndrome de exceso de carbohidrato~"debido a una lirnitacion única en la capacidad
para desechar por medio de la lipogénesis. En las aves,
la lipoginesis esta confinada al hígado, donde tiene
importancia particular en el suministro de lipidos para
la f o m a c i b n del huevo, estimulado por los estrbgenos.
El tejido adiposo humano no es sensible a la
mayoria de las hormonas lipoliticas, excepto a las
cateco2aminac. De mayor interés es la ausencia de
respuesta lipolitica a la adrenalina en el conejo, cobayo, cerdo y pollo; el efecto lipolitico pronunciado
del glucag6n en las aves, junto con la ausencia de
efecto antilipolitico de la insulina y la carencia de sintesis de glicerol como aciIglicerol a partir de la glucosa
en el pichbn.
Al considerar e3 profundo desarreglo del metabolismo en la diabetes sacarina (que se debe en lo
principal al incremento en la liberacidn de ácidos
grasos libres de los depdsitos) y el hecho de que la
insulina corrige esta situacibn en gran medida, se debe
concluir que la insulina desernpefia una función
prominente en la regulación del metabolismo en el
tejido adiposo.
315
EL TEJIDO ADIPOSO PARDO
FAVORECE LA TERMOGENESIS
EI tejido adiposo pardo interviene en el metabolismo,
en partici~laren los momentos en que es necesaria la
generación de calor. Así, el tejido es extremadamente
activo en algunas especies al despertar de la hibernación, en animales expuestos al frío (temogCnesis
sin escalofríos) y en la producción de calor en el
animal recitn nacido. Aunque no es un tejido importante
en el ser humano, recientemente se ha demostrado que
es activo en los individuos normales, donde parece ser
la causa de la "termogénesis inducida por los alimentos", que podría explicar ta causa de i u e algunas
penonas puedan "comer y no engordar". Es conveniente hacer notar que en las personas obesas el tejido
adiposo pardo es escaso o rio existe. Ademis, este
tejido se caracteriza por disponer de un suministro
sanguíneo bien desarrollado y un contenido elevado
de mitocondrias y citocromos, pero poca actividad de
ATP sintatasa. El enfasis metahblico está en la oxidacion
tanto de la glucosa como de los Bcidos grasos.
La noradrenalina liberada dc las terminaciones
nerviosas simphticas es importante en el incremento
de la lipdlisis tisular. La oxidacilin y la fosforilación
no esthn acopladas en la mitocondrias de este teiido,
puesto que el dinitrofenol no ejerce efecto alguno y
no hay control respiratorio por el ADP. La fosforilación es a nivel del sustrato; es decir, en el paso de
la succinato tiocinasa y en la gluc6lisis. Por tanto, la
oxidación produce mucho calor y un poco de encrgia
libre se atrapa como ATP. En teminos de la teoría
quimiosrnótica (capitulo 141, podria parecer que el
gradiente de protones normalmente presente a travh
de la membrana mitocondrial interna de las rnitocondrias acopladas, es disipado de modo continuo en e[
tejido adiposo pardo por una proteina temogdnica, la
termogenina, que actúa como una vía de conduccibn
de protones a través de la membrana. Esto explicaría
la aparente carencia de efecto de los desacopladores
(figura 27-1 0).
RESUMEN
1) Dado que son insolubles en agua, los lipidos no
polares, como las lipoproteínas, deben combinarse
con lipidos y proteínas anfipaticos para volverlos
miscibles en agua para su transporte a los tejidos
en el plasma sanguineo acuoso.
2) Se reconocen cuatro grupos principales de lipoproteínas; quilomicrones que transportan Iipidos que
provienen de la digestión y absorcidn. Las lipoproteínas de muy bajadensidad (VLDL) que imnsportan
triacilglicerol desde el hígado. Lipoproteinas de
316
+
Bioquímica de Hurper
EXTERIOR
hormonas
1
(
MEMBRANA
M ~ T O C O N D R ~ ~ ~ ( INTERIOR
INTERNA
1
r'
W
:.u
'
,
,,..\*
"
A
,,,-
",
\
&l.
Cadena
respiratoria
Triacil-
1
Figura 27-10. Termogénesis en el tejido adiposo pardo. La
adividad de la eadena respiratoria produee calor adem6s de
la traslocacibn de protones (capítulo 14). Estos protones
disipan más calor por medio de la termogenina cuando
regresan al compartimiento mitocondrial interno en lugar de
generar ATP, como ocurre cuando regresan por medio de la
Fi ATP sintasa. El paso da H* por medio de la termogenina
es fnhibido por las nuclebtidos d e purina cuando el tejido
adiposo parda no es estimulado. Bajo la influencia de la noradrenalina, la inhibicibn desaparece por el estimulo de la
producci6n de dcidos grasos libres (AGL) y acil-COA. Ndtese
el papel doble de la acil-COA en facilitar tanto la accibn de la
termogenrna, como el suministro de equivalentes reductores para la cadena respiratoria. Efectos reguladores positivos (O)o negativos (O).
baja densidad (LDL), que son ricas en colesterol y
provienen del metabolismo de las VLDL y lipoproteínas de alta densidad (HDL), que tambitin son
ricas en colesterol, pero cuya actividad consiste en
remover el colesterol de los tejidos y participar en el
metabolismo de otras lipoproteinas.
3) Los quilamicrones y VLDL son metabolizados
primero por hidrblisis catalizada por la proteina
lipasa en tejidos extrahepáticos. Se remueve la
mayor parte de triacilgliceroles y en la circulacidn
queda un remanente de lipoproteina. Estos remanentes son captados por el hígado por endocitosis
mediada por receptor, pero algunos remanentes
(IDL) generados de VLDL forman LDL y por
último son retirados de la circulacibn por el higado
y otros tejidos mediante el receptor para LDL.
4) La fraccibn proteínica de las lipoproteinas recibe
el nombre de apolipoproteina. Actiia como activador enzimitico (por ejemplo, apo C-II y apo
A-1) o como ligando para receptores celulares (pos
ejemplo, apo A-1, apo E y apo B-100).
S) El desequilibrio en la velocidad desintesjshepatica
de triacilglicerol y en la secrecibn de VLDL causa
la acumulacibn de grasa en el hígado. Este efecto
tiene importancia clínica ya que se presenta en el
alcoholísrno donde prosigue a cirrosis y disfunción
hepática.
6 ) El rriacilglicerol es el lipido de almacenaje principal en el tejido adiposo. Despuds de la hidrdlisis
por acci6n de una lipasa sensible a hormonas, es
eliminado a la ci~ulacibnen forma de Acidos grasos libres y glicerol. Los ácidos grasos libres se
unen a la albúmina sCrica para su transporte a los
tejidos, donde se utilizan como una importante
fuente energktica. La lipasa sensible a hormona es
estimulada por la adrenalina y la noradrenalina e
inhibida por la insulina.
7) El tejido adiposo pardo es el sitio de "Eemogdnesis
sin escalofríos". Se encuentra en animales en hibernacibn y recjkn nacidos y en cantidades
pequefias en el ser humano, donde parece ser la
causa de la 'Yermogénesis inducida por los alimentos". La termogtnesis se debe a una protelna, la
terrnogenina, que actúa como una vía conductora
de protones a travks de la membrana interna mitocondrial, que desacopla la oxidación de la fosforilacibn.
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energetics. (Simposium). Proc Nutr Soc 1989;41: 165.
Síntesis, transporte y excreción
de! coIesteroI
Peter A. Mayes, PhD, DSc
INTRODUCCIÓN
El colesterol se encuentra en los tejidos y en las
lipoproteínas plasmáticas como colesterol libre o,
combinado con un Acido graso de cadena larga, como
&ter de colesterilo. Es sintetizado en numerosas tejidos a partir de acetil<oA y finalmente eliminado del
cuerpo en la bilis, como cotesterol o como sales biliares. Es el precursor de todos los dernls esteroides del
organismo. como los corticosteroides, las hormonas
sexuales, los ácidos biliwes y la vitamina D. Además,
es un producto
del metabolismo animal, por lo
cual existe en los alimentos de este origen, Como la
yema del huevo, carne, hígado y cerebro.
IMPORTANCIA BIOMEDICA
El colesterol, como lipido anfiphtico, es un componente estructural esencial de membranas de la capa
exterior de las lipoproteínas plasmAticas. AdemBs, 1%
lipoproteínas transportan en la circulación colesterol
libre, donde fitcilmente se equilibra con el de otras
lipoproteínas y de las membranas. El ester de colesterilo es una forma de almacenamiento de colesterol que
se encuentra en la mayor parte de los tejidos. Es transportado como cargamento en el centro hidrofobo de
las lipoproteinas. La LDL es mediadora de la captación
del colesterol y del &ter de colesterilo en muchos
tejidos. El colesterol libre es removido de los tejidos por
las HDL y transportado al hígado para su conversión
en ácidos biliares en el proceso conocido como transporte inverso del colesterol. Es un importante constituyente de los cAlculos biIiares. Sin embargo, su
principal función en los procesos patolbgicos es como
factor de la gknesis de la aterosclerosis de arterias
vitales, causando enfermedad cerebrovascular,
coronaria y vascular pesiférica. La aterosclerosis coronaria se correlaciona Con un alta proporcibn plasmhtica
LDL:HDL colesterol.
EL COLESTEROL DERIVA DE LA
ALIMENTACI~Ny LA BIQS~NTESIS
POR PARTES IGUALES
Un POCO mhs de la mitad del colesterol del organismo
Se origina de su síntesis (cerca de 700 mddia) y el
resto es proporcionado por una alimentacibn promedio. El higado sintetiza rnhs o menos 10% del total
en los seres-humanos y los intestinos cerca de 10
por ciento.
Prácticamente todos los tejidos que contienen
cklulas nucleadas son capaces de sintetizar colesterol.
La fracciiin microcómica (retículo endopl8smico) y el
citosol se ocupan del proceso.
La a c e t i l 4 o A proporciona todos
los átomos de carbono para el colesterol
La biosintesis del colesterol puede dividirse en cinco
etapas: 1) Se sintetiza mevalonato, un compuesto de
seis c a h n o s , a partir de acetil-CoA (figura 28-11.2) Se
forman unidades isoprenoides por pdrdida de C 0 2del
mevalonato (figura 28-2). 3) Se condensan seis unidades isoprenoides para formar el intermediario, escualeno. 4) EI escualeno se c i e m en forma cíclica para
dar origen al esteroide precursor, lanosterol. 5) El
colesterol se forma de lanosterol después de varios
pasos ulteriores, incluyendo la perdida de tres grupos
metilo (figura 28-3).
320
Bioquimica de Harper
Audo biliar miesterol
(Capítulo 28)
2NADPH + 2H*
Mevastatina,
lovastatina,
etdtera
2NADPt + COA SH
(3
Mevalonato
O
6~~
.
" l .
O
-006-CH,-C-GH2-GH2-OH
II
OH
Mevalonato
Figura 28-1. Biosíntesisdel mevalonato.(HMG, 3-hidroxi-3rnetilglutaril.)La sintesic de HMG-COAfedudasa es inhibida
por los metabolitos rnicéticos mevastatina (cornpactina),
lovastatina (rnevinolina},provastatina y simvastatina.
Paso 1. La acetilXoA forma HMG-COA y
mevalonato: La via a travds de HMGXoA (3hidraxi-3-metilglutaril~oA)sigue la misma secuencia de reacciones que se describen en el capitulo 24
para la síntesis de los cuerpos cetónicos en las mitocondrias. No obstante, dado que la sintesis del
colesterol es extrarnitocondrid, las dos vías son distintas. inicialmente, se condensan dos moléculas de acetilCOApara formar acetoacetil-COAcatalindas por una
enzima citosólica, la tiolasa. Como altemativñ en el
higado, el acetoacetato formado en el interior de la
mitocondria en la via de cetogdnesis (capitulo 24) se
difunde al citosol y puede ser activado a acetoacilCOApor la acetoacil-COA sintasa, que requiere ATP
y COA. La ncetoacil-COA se condensa con otra
moldcula de acetil-COA, reaccibn catalizada por la
HMG-COA sintssa para formar HMG-COA.
Este ultimo es convertido a mevalonato en una
reducción de dos etapas por NADPH, catalizada por
la HMG-COA reductasa, enzima micros6mica considerada como la que cataliza el paso limitante de la
velocidad en la vía del colesterol y es el sitio de a c c i ~ n
de la clase más efectiva de farrnacos reductores del
colecterol, esto es, los inhibidores de la HMG-COA
reductasa, estatinas (figura 28-1).
Paso 2. El mevalonato forma unidades isoprenoides activas: El mevalonato es fosforilado por
el ATP para formar varios intermediarios activos
(figura 28-2). Por medio de una descarboxilación, se
obtiene la unidad isoprenoide activa, el isopentenil
pirofosfato.
Pasa 3. Seis unidades isoprenoides forman escualeno: Esta etapa comprende Ea condensación de
tres mol~culasde isopentenil pirofosfato para formar
farnesil pirofosfato. Esto sucede por la isomerización del isopentenil pirofosfato con desplazamiento
de la doble ligadura que origina dimetilalil pirofosfato, seguido por la condensación con otra molkcula de
isopentenil pirofosfato para formar el intermediario
de 10 carbonos, geranil pirofosfato (figura 28-2). La
condensacibn ulterior con isopentenil pirofosfato produce farnesil pirofosfato. Dos mol4culas de este
ultimo se condensan en el extremo pirofosfato en una
reacción que comprenden primer lugar, la elim inacion
del pirofosfato para formar pre-escualenpirofosfato,
seguida por una reduccidn con NADPH para eliminar
el radical pirofosfato remanente. E: compuesto resultante
es el escualeno. Puede haber una vía alterna conocida
como "la desivacibn tr~ns-metilglutaconato",la cual
elimina una proporcibn significativa (5% en higados
nutridos, que se eleva a 33% en higados sin nutrientes)
del dimetilalil pirofosfato y lo regresa, por la vía de la
trans-3-metilglutaconato4oA, a HMGqoA. Esta
vía puede tener potencial regulador respecto a la velocidad global de la sintesis del colesterol.
Paso 4. El escualeno se convierte en lanosterol:
El escualeno tiene una estructura muy semejante a la
del niicleo de los estemides (figura 28-3). Antes de que
el anillo se cierre, el escualeno en el reticulo endoplismico se transforma en 2,3dxido de escualeno por una
oxidacibn de función mixta, la escualeno epo-xidasa.
El grupometilo del Cides transferido al C i 3 yel del CB
al Ci4cuandotiene lugar la ciclizacibn, catalizada por
la oxidoescualeno: lanosterol ciclasa.
Paso 5. El lanosterol se convierte en colesterol:
En esta última etapa (figura 28-3), la formacih del
colesterol a partir del lanosterol, tiene lugar en las
membranacdel retfculo endoplásmico e implica cambios
en el nlicleo esteroide y en la cadena lateral. EI grupo
metilo del C14 es oxidado aCOz para formar 144esmetil
lanosterol. De igual modo, se remueven otros dos
grupos rnetilo del C d para producir zimosterol. A partir
de este iiltirno se forma A7h24-colestadienol
por la doble
ligadura situada entre CS y C9 que se mueve a la
posicibn entre CSy CI.En este punto se forma desmosterol por un desplazamiento ulterior de la doble
ligaduraen el anillo B, para quedar entre Cs y C6 como
Sinlesis, Ircsnsporre y excreción del colesterol
ATP
ADP
CH,
- OOC
- OOC
CH,
3.71
OH
' t '
CH,
Mevalonato
Mevalonato 5-fosfato
ADP
CH,
CH?
O-@-@
Mevalonato-3-fosfo-5pimfosfato
1
ADP
ATP
IzÑzq
- OOC
CH,
CH?
O-@@
Mevalonato-5pimfocfato
h4 EVACONATO
Denvacibn
i
I
del trans-rnetiigluta- t - - C
CH,
/Y
,
/\
mnato
CH,
CH
3pJ-Dimet~laiii
irofosfalo
lsopentenil
pirofosfato
,
I t
lsopentenil tRMA
TRANSFERACA
Protelnas
prenilatadas
Geranil pirofosfato
'FRANSFERASA
Cadena
lateral de la
\
ubiquinona
-
Doticol
Famesri pirofosfato
Hem a
Escualeno
Figura 28-2. Biosintesis del escualeno, ubiquinona, dolicol y otros derivados de polisopreno. (HMG, 3 hidroxi-metifglutaril; &,
citocinina. En el hem a d e citocromo oxidaca hay un residuo d e farnesilo. El carbono con asterisco* se wnviette en C i i o C12
en el escualeno. La eccuareno sintetaca es una enzima miuosbmica, todas las otras enzimas indicadas son proteínas
citosblicac solubles.
322
(Capitulo 28)
Bioquimica de Harper
0
II
CH3-
OC
- S -COA+
o .
EH~
CH3
0 1 .
0
O
1
OH
Acetii-COA
1
.
O
CHJ-C=CH-CH2-
-0OC-CHz-C-CH1-CH20H
O
Unidad
isoprenotde
HzO
CO,
Mevalonato
\
12
*CH
Epdxido de
it
escualeno
,
I
1 .
1
1
CH3
CH
CH
FA D
CH,
Eswaleno
LANOSTERQL-
HO
14-~esmetiC
lanosterol
'-27
1s
Zimosterol
NADPH
NADPH
7
HO
510
Trlparanol
Coiesteml
Desmosterol
(24-deshidrocoksterol)
~~,~~-~oiestadienol
Figura 28-3. Biosíntesis del colesterol. Las posicFones numeradas son las del núcleo esteroide mientras que les circulos
claros y oscuros indican el destino de cada carbono en la porción acetil de la cetil-COA Se refiere al marcale, del escualeno
en la tigura 28-2
Síntesis, transporte y excreciún del colesterol
en el colesterol. Finalmente, se obtiene el colesterot,
mediante la reducción de la doble ligadura de la cadena
lateral, aunque ésta puede presentarse en cualquier
etapa de la conversión global. No se conoce con
certeza el orden exacto en que se presentan los pasos
descritos.
Es probable que los intermediarios desde el escualeno al colesterol. estén adheridos a una proteina
portadora especial conocida como proteína portadora
de escualeno y esteroles, la cual se une a los esteroks
y a otros Iípidos insolubles, pemitikndoles reaccionar
en la fase acuosa de la célula. Además, es probable
que sea en la forma colesterol-proteína transportadora
de esteroles que el colesterot reaccione para convert i s e en hormonas ecteroides y hcidos biliares y participe
en la fomacion de membranas y Iipoproteinas.
323
LDt-co!esterol captado por medio de los receptores
para LDL (receptores apo B-100, E). Tanto en Easintesis
del colesterol como en la actividad de la reductasa se
manifiesta una vnriaciún diurna. Sin embargo, hay
efectos mhs rápidos sobre la actividad de la reductasa.
que los que pueden explicarse únicamente por los
cambios en la velocidad de la síntesis de proteinas. La
administracibn de insulina o de hormona tiroidea
incrementa la actividad de la FIMGXoA reductasa, en
tanto que la de glucaghn o glucocorticoides la reduce.
La enzima en las dos formas, activa e inactiva, pueden
ser modificadas dc manera reversi ble por mecanismos
de fosforilacion, algunos de los cuales pueden depender de cAMP y por tanto ser sensibles al glucagdn
El farnesil pirofosfato es el punto de bifirscacilin para
la sintesis de los otros poliisoprenoides, dolicol y
ubiquinona. El aIcohol poliisoprenil dolicol (figura
16-26 y capítulo 56) se forma por adición ulterior de
hasta 16 residuos de isopentenil pirofosfato, en tanto
que la cadena lateral de la ubiquinona (figura 14-5)
se origina por la adición posterior de 3 a 7 unidades
isoprenoides. Algunas de las proteinas fijadoras de
GTP de la meinhrana celular pueden experimentar
prenilacibn por combinación con residuos geranilo y
famesilo. De este modo puede facilitarse el anclaje de
proteínas prenilada en las membranas lipoides.
(figura28-4).
El efecto de las variaciones de la cantidad de
colesterol en la dieta sobre la de su producción
endógena se ha estudiado en ratas. Cuando sólo había
0.05% de colecterol en los alimentos, entre 70 y 80%
del colesterol dentro del organismo era sintetizado en
el higado, intestino delgado y glándulas suprarrenales,
en tanto que si la dieta contenía 2% de colesterol, se
reducía la producción endbgena. Al parecer, sólo la
síntesis hepática es inhibida. Los experimentos con
hígado irrigado han demostrado que los quilornicrones
remanentes ricos en colesterol, que son captados por
el higado (capítulo 27), inhiben la sintesis de esterol.
Los intentos para reducir el colesterol plasrnhti co
en el ser humano mediante la ingestión dietetjca baja
producen resultados variables. En general, una disrninucibn de 100 rng en el colesterol de los alimentos
causa una reduccidn aproximada de 0.13 mmol/L en
el suero.
LA REGULACIÓN DE LA HMG-COA
REDUCTASA CONTROLA LA S~NTESIS
DEL COhESf EROL
NUMEROSOS FACTORES INFLUYEN
EN EL EQUILIBRIO TISULAR
DEL COLESTEROL
La segulaci6n de la cintesis del colesterol se ejerce casi
al principio de la via, en el paso de H M G X o A
reductasa. En los animales en ayuno hay una notable
declinacion de la actividad de la HMG-COA reductasa, que explica la reducción de la slntesic del
colesterol en esa condición. Hay un mecanismo de
retroalimentacibn, por el cual, la HMG-COA reductasa
es inhibida en el hígado por el mevalonato, el producto inmediato, y por el colesterol, el producto principal de la vía. Puesto que no se ha demostrado una
inhibici6n directa de la enzima por el colesterol, es
posible que éste (o un metabolito como el esterol
oxigenado) actúe por represión de la sintesis de reductasa nueva o por inducción de síntesis de enzimas que
degraden a la reductasa existente. La sintesis del
colesterol es inhibida tambiin por eI combinado
Se considera que, a nivel tisular, los siguientes
procesos gobiernan eE equilibrio del colesterol celular
(figura 28-5).
El incremento se debe a: 1) captacion por los
receptores de lipoproteinas que contienen colesterol,
por ejemplo, el receptor LDL o por el receptor de
limpieza; 2) captacibn de lipoproteinas que contienen
colesterol por una viano mediada por receptores; 3) cap1aci6n de colesterol libre a partir del lipoproteinas
ricas en colesterol, pasa la membrana celular; 4) sintesis de colesterol; y 5) hidrhlisis de Csteres de
colesterilo por la enzima éster d e colesterilo hidrolasa.
La reducción se debe a: 1) efusión de colecterol
de la membrana a las lipoproteinas pobres en
colesterol, en particular a HDL, o HDL naciente,
promovida por LCAT (lecitin:colesterol aciltrans-
El farsenil pirofosfato origina otros
compuestos isoprenoides
importantes
324 * Bioquim ica de Harper
(Capiiulo 28)
ATP
REOUCTASB
CINASA
(inactiva)
PI
REDUCTASA
ClNASA
CTNASA
FOSFATASAS
I
REDUCTASA
AOP
CINASA
le
I
H20
1
I
(activa)
Giucagbn
I
I
ADP
ATP
Inhibidor-1
fosfato'
HME-COA
1
3
REDUCTASA
I
(inadiva)
I
HMG-COA
LDL coiesterol
HMECQA
REDUCTAS4
(aaiva)
*N
@
P
I
H20
I
I
1
S
Pl
I
I
PROTEIN-
SIntesis
Figura 28-4. Mecanismos posibles de la regulacibn de la síntesis del colesterol por la HMG-COAreductasa. La insulina tiene
una funcibn dominante comparada con glucagdn.Véase figura 206.
ferasa}; 2) esterificación del colesterol por ACAT
(aciI-Cok:colesterol aciltransferasa); y 3) utilizaci6n
del colesterol para la síntesis de otros esteroides, como
hormonas o ácidos biliares en el higado.
El receptor para LDL tiene
una regulación estricta
Los receptores para LDL (apo B-100, E) se encuentran en la superficie celular en hendiduras del lado
citosólico de la membrana plasmhtica con una proteína llamada clatrina. El receptor es una glticoproteina
que se expande a travts de ia membrana, eskndo la
regiiin fijadora B-100 en el extremo m i n o terminal
expuesto. Despu&sde fijarse al receptor, la LDL es
captada intacta por endocitosis. En los lisosomas es d e
gradada por hidrólisis de la apoproteína y del éster de
colesterilo, seguida por traslocacibn del colesterol
dentro de la ciula. LOS receptores no son destruidos
sino que retornan a la superficie celular. Esta entrada
del colesterol inhibe a la HMG-CoA reductasa y la
sintesis de colesterol, estimulando la actividad de
ACAT. El nitmero de receptores para LDL en la
superficie celular es regulado por el requerimiento de
colesterol para membranas y para síntesis de hormonas esteroides y de Iicido biliar. Por tanto, la salida
de colesterol regula a la baja el número de receptores
LDL (figura 28-51,
El receptor para apo B-100 E es un receptor LDL
de "elevada afinidad" que puede saturarse bajo diversas
circunstancias. Al parecer, existen tambikn otros receptores de "baja afinidad" para LDL, adernls de la
vía no mediada por receptor o "vía de limpieza", que
no es regulada.
EL COLESTEROL SE TRANSPORTA
ENTRE LOS TEJIDOS DENTRO
DE LAS LIPOPROTE~NAS
PLASMÁTICAS
(Figura 284)
En los seres humanos cuya subsistencia se basa en
dietas de tipo occidental, el colesterol plasmático total
es aproximadamente 5.2 mmollL y se eleva con la
edad, aunque hay variaciones amplias entre los indi-
Sínresis, transportey excreción del colesterol
325
MEMBRANA CELULAR
Figura 28-5. Factores que afectan el equilibrio del colesterol a nivel celular La inversibn del transporte de colecterol puede
ser inicrada por la fijaubn de HDL a su receptor (apo A-l), el cual por medio de la proteína cinaca C (capitulo 44) estimula la
traslocacibn del colesterol a la membrana plasrnática. (C, colesterol, CE, ester de colesterlo, ACAT, acil-CoA:colesterol
aciltransferasa; LCAT, lecitina:wlesterol aciltransferasa; A-1, apoproteína A-1, LDL, lipoprotelnas de baja densidad; VLDL,
lipoproteínas de muy baja densidad.) Las LDL y HDL no se muestran a escala.
viduos. En su mayor parte esta esterificado, es transportado en las lipoproteinas del plasma y su mayor
proporcion se encuentra en las LDL. Sin embargo,
bajo ciertas situaciones en que predominan cuantitativamente las VLDL, aumenta la cantidad d e
colesterol pla~m8tícoque reside en esta fracción.
El colesterol dietetico tarda varios días en equilibrarse con el colesterol del plasma y algunas semanas
para equilibrarse con el de los tejidos. Su recambio en
el hlgado es relativamente rápido comparado con la
vida media del colesterol corporal total. El calesterol
libre plasmático y hepatico se equilibra en algunas
horas, dado que se intercambia y transfiere con facilidad
entre las membranas celulares, lipoproteinas plasmhticas y membranas eritrocitarias.
El &ter de colesterilode los alimentos es hidrolizado
en colesterol libre, que se mezcla con el colesterol
libre dietdtico y biliar, antes de su absorcion desde el
intestino junto con otros lipidos. Se mezcla cun el wlest m l sintetizado en el intestino para incorporarse a los
quilomicrones. Entre 80 y 90% del colesterol absor-
bido es esterificado con ácidos grasos de cadena larga
en la mucosa intestinal. Los ecteroles vegetales (sitosteroles) apenas se absorben. Cuando los quilomicrones reaccionan can la lipoproteína lipasa para
formar quilomicrones remanentes s61o se pierde 5%
de los ksteres de colesterilo, el resto es captado por el
hígado cuando los remanentes reaccionan con el receptor apo E o LDL y son hidrolizados a colesterol
libre. Las VLDL formadas en el higado transportan
colesterol al plasma. La mayor parte del colesterol de
las VLDL es retenido en tos remanentes de estas
lipoproteinas (IDL)que con captadas por el higado o
convertidas en LDL,las que a su vez son captadas por
los receptores para LDL, de los hepatocitos y a [os
tejidos extrahepáticos.
LCAT se ocupa de la mayoría de los
esteres de cotesterilo plasmáticos
La actividad de la LCAT en el plasma se encarga
virtualmente de todo el &ter de colesterilo plasrnhtico
326
Biaquímica de Harpcr
en el ser hurnano. (No es asi en otras especies como
la rata, donde hay actividad apreciable de ACAT en
el hígado, permitiendo que se exporte un2 cantidad
significativa de cster de colesterilo en las VLDL nacGntes.) La actividad de la LCAT ce relaciona con una
especie de HDL que contiene apo A-1. Cuando el
colesterol de la HDL se esterifica, crea un gradiente de concentración y extrae colesterol de los tejidos y
de otras lipoproteínas (figuras 28-5 y 28-61, Se vuelve
menos denso y forma HULi, de la cual se piensa que se
ocupa de entregar el colesterol al hígado. Por consiguiente, las características de la HDL destacan el
transporte inverso dcl colesterol, proceso en el que
se lleva el colesterol tis~ilaral higado.
(Capitulo 28)
La riroteína de transferencia de esteres
colecterilo facilita el movimiento de
éstos de las HDL a otras lipoproteínas
Esta proteína, que se encuentra en el plasma humano,
pero no en el de rata, se relaciona tambien con la H UL.
Facilita la transferencia del éster de colesterilo de HDL
a VI,DL, lDL, LDL y, en menor extensibn, a los quilomicrones, lo cual permite al triacilglicerol desplazarse en
direccihn opuesta. Por tanto, releva de la inhibicion
por producto a la actividad de LCA'T en Eas HDL. Así,
en el ser tiurnano. mucho del éster de colesterilo
formado por LCAT en IlDL encuentra su camino al
Figura 284. Transporte del colesterol entre los tejidos en los humanos. (C,colesterol libre; CE. éster de colesterila; TG,
triacilglicerol; VLDL. lipoproteina de muy baja densidad, IDL, Iipoproteina de densidad intermedia; LDL, lipoproteina de bala
densidad. HDL, lipoproteína de alta densidad; ACAT, acil-CoA.colesterol aciltransferasa: LCAT, lecitin:colesterol aciltransferasa: A-1, apoproteína A-1, CETP, ester de colesterilo que transfiere proteínas, LPL, lipoproteina lipasa; LH, Itpasa hepatita.)
hígado por medio de los remanentes de VLDL (IDL)
o de LDL (figura 2 8 6 ) . De manera simultanea,
HDL;, que se ha enriquecido con triacilgliceroles. se
descarga de este en el hígado desp~iksde reaccionar
con la lipasa hephtica y se recicla como HDLj.
POR ÚLTIMO, TODO EL COLESTEROL
DEBE ENTRAR AL H~GADOY
EXCRETARSE EN LA BILIS,
COMO COLESTEROL O COMO
ÁCIDOS BlLlARES (SALES)
Aproximadamente el cuerpo elimina 1 g de colesterol
por dia. Cerca de la mitad es excretado en las heces
después de su conversión en acidos biIiares. El resto
se excreta Como colesterol. Gran parte de1 coiesterol
secretado en la bilis es resorbido y se cree que por lo
menos un poco del que sirve como precursor para los
esteroles fecales deriva de la mucosa intestinal. El
coprostanol es el estero1 principal en 1s heces; se
forma del colesterol en la parte inferior del intestino
por acci6n de la flora bacteriana que ahí reside. Una
gran proporcibn de la excreción de sales biliares es
absorbida a la circulación portal, captada por el higado
y excretada de nuevo a la bilis. Este ciclo se conoce
como circulacibn enternhepitica. L a sales biliares
no resorbidas o sus derivados, se excretan en las heces.
El colesterol forma ácidos biliares
Los hcidos biliares primarias son sintetiyados en el
higado a partir del colesterol. El acido cólico, el ácido
biliar más abundante en la bilis, junto con el ácido
quenndesoxicólico, s e forman d e un precursor
común, derivado a su vez del colesterol (figura 28-7).
La 7 atfa hidroxilación del colesterol es el primer
paso obligado en la biosintesis de 5cidos biliares y es la
reaccibn limitante de la velocidad en la vía. La reacción
es catalizada por la 7 alfa hidroxilasa, una enzima
microsbrnica. Requiere oxígeno, NADPH y citocrnmo
P450 y al parecer es una monooxigenasa típica; los
pasos subsiguientes de la hidroxilaciiin tambikn son
catalizados por monooxigenasa. La deficiencia de
vitamina C interfiere en la formacibn de los hcidos
biliares en el paso de la 3 alfa hidroxilacion y causa
acumulaci6n de colesterol y aterosclesosis en los CObayos escorbúticos.
La víade la biosíntesis de ácidos biliares se divide
pronto en iina derivacibn que conduce s colil COA
caracterizado por un grupo alfa OH extra en la posicidn
12 mientras que la otra derivación conduce a
quenodesoxicolil COA.Sin contar esta diferencia, las
dos vías comprenden reacciones de hidroxilacjón semejantes y el acortamiento de la cadena lateral (figura
28-7) para dar las estructuras típicas de los hcidos
biliares con núcleo esferoide totalmente sanirado y
gmpos alfa-OH en las posiciones 3 y 7. Estos Bcidoc
biliares primarios entran a la bilis como conjugados
de gllclna o de taurina. En el ser humano, la proporción de los conjugados de glicina a los conjugados de
taurina es normalmente 3 :1. Puesto que la bilis contiene caiitidades importantes de sodio y potasio y su
p H es alcalino, se presume que los acidos biliares y
sus con.juugados están en realidad en r o m a de sales, de
aqui el termino "sales biliares".
Una proporción de los acidos biiiares primarios
en el intestino esth wjeta a ciertos cambios ulteriores
por la actividad de las bacterias intestinales. Éstos
incluyen la desconjugacibn y la 7 alfa deshidroxilación, que producen los ácidos hiliares secundarios, acido desoxicólico del ácido chlico y acido
litocólico dcl Acido quenodesoxiciilico (figura 28-71,
Casi la totalidad de ácidos biliiares
retornan al hígado en la circulacíon
enterohepática
Aunqiie los productos de digestión de las grasas,
inc!uyendo el colesterol, son absorbidos en los
primeros 100 cm del intestino delgado, los ácidos
biliares primarios y secundarios se absorben casi exclusivamente en el íleon, retornando al higado por la
circulación portal cerca de 98 a 99% de los hcidos
biliares secretados al intestino. Esto es conocido como
la circulaciíin enterohcphtica. Sin embargo, el Bcido
litociilico, por su insolubilidad, no es resorbido en
cantidad apreciable.
Una fracción pequeña de los ácidos biliares,
quizh s610 400 mgtdía, escapa a la absorcihn por lo
cual es eliminada en las heces. Aunque es una cantidad
muy pequeña, no obstante representa una vía mayor
para la eliminacibn dei colesterol. La circulacibn enterohepática de las sales biliares es tan eficiente que
cada día el depósito relativamente pequelio de acidos
biliarec (aproximadamente de 3 a 5 g) puede circular a
través del intestino de 6 a 10 veces con sblo una pequefía
pkrdida en las heces; es decir, de 1 a 2% por cada paso
a través de la circulaci6n enterohepática. No obstante,
cada dia, una cantidad de acidos biliares equivalcrite a
la que se pierde en las heces es sintetirada a partir del
colesterol en el higado, de modo que se mantiene constante e3 deposito de ácidos biliares. El proceso utiliza
un sistema de control por retroalimentación.
La síntesis de acidos biliares se
en
regula
paco de 7 alfa hidroxilasa
El principal paso limitante de la velocidad en la
biosintesis de los ácidos biliares es la reacción de la 7
al fa hidroxilasa y en la biosintesis del colesterol es el
328
{Capitulo 28)
Bioquimica de Hmper
Vitamina C
7a-Hidroxicolesteml
Acidos
biliares
Deficiencka
2 COA SH
unna
(Vanos
pasos)
NADPH + H*
2 COA SH
/++A LA
n
Acido tal.broc61ico
(Acido biliar primario)
Giic
(&cidosbiliares
primarios)
1
Deswnjugacibn
+ 7a-deshidroxilacibn
m
Acido gluc6lico
@cid0biliar
primario)
DesconjugaUbn
+ 7a-deshidroxilacion
Y
?
HO"
Acioo desoxicblico
(ácido biliar secundario)
Acido lito&!ico
($cid0 biliar secundario)
Figura 28-7. Biosintesis y degradaci6n de los hcidos biliares. Tatalizada por enzirnas microbianac.
paso de la HMG-COA reductasa (figura 28-1). Las
actividades de estas dos enzimas a menudo cambian
en paralelo, por lo que es dificil averiguar si la inhibicidn de la síntesis de los ácidas biliarec tiene lugar
primariamente en el paso de la HMG-CoA reductasa
o en la reacción de la 3 alfa hidroxilasa. Las dos enzimas
experimentan una semejante variaciún diurna en su
actividad. Se ha demostrado la induccibn del gen para
la 7 alfa hidroxilasa mediante el colesterol dietético y
Ea supresjbn por medio de los acidos biliares. A este
respecto, el retorno de las sales biliares al hígado por
la circulacion enterohepática es un control importante
que, si es interrumpido, conduce a la activación de la
7 aIfa hidoxilasa. Tanto esta enzima como la HMGCOA reductasa, pueden ser controladas por fosforilaci6n4esfosforilación covalente. En contraste con
la HMG-Coh reductasa, es la forma fosforilada la que
incrementa la actividad de la 7 alfa hidroxilasa.
Síntesi~,transporte y excreciún del colesteral
ASPECTOS CL~NICOS
El colesterol sérico se correlaciona
con la incidencia de aterosclerosis
y coronariopatias
De [os lipidos séricos, el colesterol es el que más a
menudo ha sido sefíalado como el principal agente
comprometido en esta relación. Sin embargo, otros
parámetros, como la concentración de triacilglicesol
en el suero, muestran correlaciones semejantes. Los
pacientes con enfermedad arterial pueden tener
cualquiera de las siguientes anormalidades: 1) concentraciones elevadas de VLDL, con concent~aciones
normales de LDL; 2) LDL elevadas con VLDL normales; o 3) elevacion de ambas fracciones lipoproteínicas. Hay tarnbikn una relacihn inversa entre las
concentraciones de HDL (HDL?) y la enfermedad
coronaria y algunos consideran que la relacibn más
predecible es la proporción CDL:HDL colesterol.
Esta relación es explicable en terminos de funciones
propuestas de las LDL en el transporte del colesterol
a los tejidos y de las HDL que actuan como limpiadores del colesterol en e[ transporte inverso del
compuesto.
La aterosclerosis se caracteriza por la acumulacibn de colesterol y de ésteres de colesterilo y de
lipoproteínas que contiene apo 8-100 en el tejido conjuntivo de las paredes artenales. Las enfermedades en
las cuales se producen prolongadas concentraciones
sanguineas elevadas de VLDL, IDL y remanentes de
quilomicrón, o LDL (por ejemplo, diabetes sacarina,
nefrosis lipidica, hipotiroidismo y otros padecimientos
hiperlipidernicos) e s t h a menudo acompafiadas por
aterosclerosis prematura o más grave.
Los experimentos con inducción de aterosclerosis
en los animales indican una amplia variación de
susceptibilidad en las especies. El conejo, el cerdo, el
mono y el ser humano son especies en las cuales la
aterosclerosis puede ser inducida por alimentación
con colesterol, mientras que la rata, el perro y el gato
son resistentes. La tiroidectornia o el tratamiento con
fármacos de tiouracilo permiten la indriccibn de
aterosclerosis en el perro y en la rata. El colesterol sanguíneo bajo es una característica de hipertiroidisrno.
Los cambios en la alimentación tienen
una función importante en la reducción
del colesterol sérico
Aunque los factores hereditarios tienen una fuerte
ingerencia en la determinacián de las concentraciones
sanguineas individuales de colesterol, las dietas y los
factores ambientales que reducen el colesterol sanguíneo, la sustituci6n en los alimentos de hcidos
* 329
grasos monoinsaturados y poliinsaturados por algunos ácidos grasos saturados es muy benéfica. Los
aceites naturales que contierien una proporci6n alta de
ácidos grasos poliinsaturados incluyen aceites de girasol. semilla de algodhn, maíz, soya; el aceite de
olivo contiene proporción elevada de ácidos grasos
monoinsaturados. Pos otra parte, la mantequilla, la
grasa de res y el aceite de coco contienen una proporción elevada de acidos grasos saturados. La sacarosa
y la fmclosa tienen un efecto mayor en la elevación
de los lípidoc sanguíneos, en particular tsiacilgliceroles, que otros carbohídratos.
La razón del efecto decreciente de los ácidos
grasos poliinsaturados sobre el colesterol na está clara
todavia. Sin embargo, se han emitido varias hipbtesic
para explicar el efecto, incluyendo la estimulacibn de
la excreción del colesterol en el intestino y la estirnulación de la oxidacibn del colesterol en Bcidos biIiares.
Las dietas ricas en palmitato inhiben la conversión del
colesterol en hcidos biliarec. Hay otra prueba de que
el efecto se debe en gran parte a un desplazamiento en
la distribucion del colesterol del plasma hacia los
tejidos, debido a un incremento en el índice catabólico
en las LDL, a la regulación en alta del receptor para
LDL por ácidos grasos poli y rnonoinsaturados y a
regulación en baja por ácidos grasos saturados. Los
acidos grasos saturados inducen la formación de
partículas mhs pequefías de VLDL que contienen
relativamente mlis colesterol y son utilizadas por los
tejidos exhahepáticos a una velocidad más lenta que
las particulas más grandes, tendencias que pueden ser
consideradas como aterógenas.
El estilo de vida afecta la concentración
sérica de colesterol
Los factores adicionales que contribuyen en la enfermedad coronaria incluyen la hipertensión arterial, el
tabaquismo, pertenecer al sexo masculino, la obesidad, la falta de ejercicio y la ingestibn de agua blanda
en lugar de dura. La elevacibn de los ácidos grasos
libres plasmhticos lleva tambikn a una secreción
aumentada de VLDL por el hfgado, lo cual implica
salida extra de triacilgliceroles y colesterol hacia la
circulacihn. Los factores que conducen a concentraciones más altas o fluctuantes de hcidos grasos libres
incluyen la tensibn emocional, la nicotina proveniente
de los cigarrillos, el café y la distribución de pocas
comidas abundantes en lugar de una alimentacidn más
continua. Las mujeres premenopáusicas parecen estar
protegidas contra muchos de los factores datiinos,
posiblemente porque tienen concentraciones mayores
de HDL que los varones y las mujeres posmenopáusicas. Es interesante que los estudios demuestren una
correlación entre el consumo moderado de alcohol y
una incidencia menor de enfermedad coronaria. Esto
se puede deber al aumento de las concentraciones de
HDL, pero se manifiesta que el vino tinto es en par-
ticular benefico, quizi por su contenido deantioxidantes.
Cuando los cambios de dieta fallan,
los medicamentos hipolipidernicos
reducirán el colesterol sérico y los
triacilgliceroles
L,a hipercolesterolemia puede ser tratada mediante
intempcion de la circulación enterohepatica de acidos
biliares. Es posible lograr una reducción significativa
de colestcrol piasrnatico con el uso de la resina colestiramina o por vía quirúrgica mediante exclusión ileal.
Los dos procedimientos bloquean la resorción de los
ácidos biliares. Luzgo. debido a la ausencia de la
regulacion por retroalimentación, ejercida normalmente
por los ácidos biliares. la conversión de colesterol en
estos últimos aumenta de modo notable, en un esfuerzo por conservar el dephcito de Acidos biliares. En
consecuencia, los receptores para LDL en el hígado
son regulados en alta, lo ciral aumenta la captación de
LDL con la subsecuente reducción del colesterol plasmático. El sitosterol es un fármaco hipocolesteroIémico
que actíia bloqueando la absorción de: colesterol en las
vías gastrointcstinales.
Se conocen varios medicamentos que bloquean
la formación de colesterol en varias etapas de la ruta
biosintética. Los inhibidores misílticos de la IIMGXoA
reductasa, mevastatina y lovastatina, reducen [as
concentraciones de colesterol LDL mediante la regulación en alta de los receptores para LDL. El clofihrato
y el gernfibrocilejercen parte de su efecto hipolipidémico
(principalmente en los triacilgliceroles) al desviar el
movimiento de ácidos grasos libres en el hígado de las
vias de esterificación hasta las de oxidación, reduciendo ~i la secreción hephtica de triacilglicerol y
colesterol en forma de VLDL. Adernhs, facilitan la
hidrólisisde lostriacilglicerolesde las VLD1, por laacción
de la lipoproteina lipasa. A1 parecer, el prohricol incrementa el catabolismo de LDL por vtas independientes
del receptor, pero sus propiedades antioxidantes
pueden tener m& importancia en la prevencibn del
depiisito de LDL oxidado en las paredes arteriales. LaLDL
oxidada puede ser una causa primaria de aterosclerosis.
El ftcida nicotínico disminuye el flujo d e AGL por
inhibición de la lipblisis en el tejido adiposo y, por tanto,
la produccibn de VLDL en el hígado.
Los trastornos primarios de las
lipoproteínas plasmáticas
(dislipoproteinemias) son hereditarios
Algunas personas en la poblacidn muestran defectos
hereditarios en sus iipoprateinas que llevan a la con-
dición primaria ya sea de hipo o hipcrlipoproteinemia
(cuadro 28-1). Muchos otros con enfermedades como
la diabetes sacarina, el hipotiroidismo y aterosclerosis.
muestran patrones secundarios anormales de lipoproteinas que son muy semejantes a una u otra de las
condiciones hereditarias primarias. Prácticamente todas
estas enfermedades se deben a un defecto en una o en
otra etapa en el curso de la forrnacibn, transporte o
catal?olismo de las lipoproteinas (figuras 2 7 4 , 28-5 y
2 8 4 ) . No todas las anormalidades snn nocivas.
RESUMEN
1) El colesterol es precufior de todos los demh esteroides
corporales, por ejemplo, corticostcroides, hormonas sexuales, ácidosbiliares y vitamina D. Tarnbihn
es un lipido anfipático importante, que tiene una
función en las membranas celulares y en la capa
externa de lipoproteinas.
2) Et colesterol es sintetizado por entero en el cuerpo
a partir de a c e t i l 4 o A por u n a vía compleja. Tres
moléculas de acetil-CoA forman mcvalonato en una
reacción limitantc de la velocidad de la vía, catalizada por HMG-CoA reductasa. Del mevalonato se
forma una unidad isoprenoide de cinco carbonos,
y seis de estas unidades icoprenoides se condensan
para formar escuaIeno. E1 escualeno experimenta
ciclizacilin para formar ct esteroide precursor,
lanosterol que, despues de perder tres grupos
metilo, forma colesterol.
3) La sintesis hepatica de colesterol es regulada de
manera parcial por el flujo de colesterol dietetico
transportado por remanentes de quilomicrbn ricos
en colesterol. En general, en 10s tejidos se mantiene
el equilibrio del colesterol entre los factores que
causan ganancia de este compuesto (por ejempio,
síntesis, captación por medio de LDL o receptores
de limpieza, hidrrjlisis de ésteres de colesterilo) y
tos factores que causan pérdida de coIester01 (por
ejemplo, síntesis de esteroides, formaci0n de
ésteres de colesterilo e i n v e ~ i h ndel transporte de GOlesterol por HDL). La actividad del receptor para
LDL es regulada en baja por una concentracion
celular elevada de colesterol y es regulada en alta
cuando el colesterol se agota.
4) En el transporte Inverso del colesterol, HDL se adhiere al receptor apo A-1, haciendo que el colesterol
experimente tsaslocaci6n a la membrana celular,
donde es captado por HDL. Mediante la actividad de
LCAT se conserva un gradiente de concentracibn,
de modo que el colesterol es esterificadey depositado
en el núcleo de la HDL. El ester de colesterilo en
HDL es captado por el hlgado, ya sea en forma
directa o después de Ia transferencia a VLDL, IDL
-
Cuadro 28-1. Trastornos primarias
de las lipoproteinas plasrnáticas (dislipoprriteinemias)*
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hay formacliiin de quilornicrones, \fLDL Pow
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Defecto
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I
1
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1 Sin deterioro cri la formasi on de quilomicrones 0
ateina
sino una banda
V I .T )L: no hay k.t a lipopr
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.
.
beta1 aticha en la elcctroloresis con rtgaroso.
'l'cndencia a la hipertriacilglicerolemia como
resu lado de la aiisencia de apo C-Il, la cual activa
la L ipoproteina lipasa. Valoreq bajos de LDI..
A ,n s c l m i s en e1 anciano
uracion Ieiota dc quillomicrones y VLDI..
ires bajos dte LDL y H DL. Sr bala mediante
iccihn de gr:IW. e..increinentci
.. . de cornplejos de
I carblohrdratos en la dietir. bin nesgo dc aumentar
las t::nfemcdades coronarií
Hiperlipopreteinemias
9) 1)eficiencia de LFL, o h) pmducci
Deficiencia 1de lipoprottina li- I.PI ,anormal, o c) deficiencia de apo
paqa fami liar (tipo 1)
n
I
-
t
1::
( L ~ ~ I aUl /
E
--
- .
niliar 1 Tip
sos o Vclricidad reducida de del
: L l ) t que
nI b u L L i l ~a~ talores
* l.;,.,."+..j mulrocivii =,,
Ilf;UIIIIV
e
elevadún
IIIiJC.ILVIUO.
lesterolemia. resultando en atcrosclerosis y
olXb:tendetiicia para que alimenten 1:I.nT, cmnariopatia
-,
1
n*..,
LLh,iJIL
--
,,
-
\i
YL
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[enfcr- Deliciencia de Pster
. de..col
. esteriln hidid a s a : Velocidad redu cida cn la
medadpordepusitede ester 1 en los Iisosomas d e cclulas como 10s fihro- 1 consecuenciai como ias an
de colestc
;tos que normalmente r
de LDL y
.-
nento en IiI densidad < 1.019 en quilomiHiperiipoproileinemia fa1
deficiencia en la depuracicin del i
tip u1 (cnfe&
te por e l higado se debe a la anomi
ies y VLDI-, que apariece a la elc:ctroforesis
bei
---r n-rriu- I rii apa E la ciial por 10 w m u,.-n sc- CiiLuerim
.- .
_J_
L
II
,,, n r Ocasiona
nlia. e n f m-c-,1-1
udu w
~ u i zuiiu tai u
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aiiuia i r l c . r i YLUL).
;¡&del re,manen&,diskta- 1 pre:xnie en tnrs isofonnas. E2, E3 y E¿i.t o s ' hipc
mas y ater
lipoproteinemia familiar)
icnres s61u tienen 1 2 rque no reac c i m a en a
rinarias
el receptor E. Existeter1 eipccies ;
~rnpietas
--
m
Hipettnrtcilglicremlemia fz
(tipo rV)
-C"'
" U
.-A^
..L-..
- -
Idos valores de colestrrol se elevan con la
conwntracihn de VLDt. Las LDL y NDI, tienden
a ser subnomales Este tipo dc patriin se relaciona
por lo común con coronariopatia, diabetes
sacarina tipo 11 no insu!inodependiente, obesidad,
alcoholismo y adminishcirin de progestágenos
irepmduccihn de YLDL a menudo relacioilada con la iiitolcmncia a la glucosa e
. hipiirinsulinemia, que puede deberse a la
l -..L K D C O ~ ~ I C C ~ ~ I I
-
---C-
1
. -.-
-
iiipri~poproteinemiatamiiiar 1 ~ausadesconocidaque conduce aerevacih 1 IipertriaciIglicerolcmia e hipercolesterolemia
LDI. y HDL bajas. Ricsgo elevado de coronatipo V
les y VLDL
alía en algunos pacientes
--
-
I- Iiperalfalipoproteinem
tniliar
:S
-
elevadas de HDL
icficiencia de esta enzima puede ori
rnulacibn de mucho? rcrnanenti
L y VI.DL ricos en triacilglicerole
Deficiencia de !a lipasa
tica
I
1:ieficlencia iiecitin:cole.sterol La deficiencia de LCAT conduce a un
aciltransf erasa (LCA,'Y) fa- blotque0 en el bansporte inverso de colcstemiliar
m\. La HDL permanece como discos
nacientes en empalizadas o pilas, incapmde
sumir y esterificar el colesieroI
1
--
-"
""
*tornopoco frecucnte. en riparienc
nara la saltid v lon~evidad
gacientcs ti men xantoi
iariopatias
1 Las conoenrraciones plasmaticas
de Csteres de
colecten10 j lisolecitinason bajas Se encuentra una
fraccibn anormal de LDL, lipoproleina X que
también se encuentran en pacicntes concolcstasis.
VLDL es anormal (Lieia VI
xmatura p
a) consiste en un mol dc LDL adherido ' Enfcrrnedad ci
por inhibic
molde apo(a). Laapo(a)rnanifi~horno- clerosis, mhs I
as esúucturales con el plasniinhgeno
fibrinblisis
* Hay una correlacibn entre los pcientis que poscen el alero de Ia apo E4 y la incidencia dc enfermedad de Alzheimer. Al parecer, la apo
E4 se enlaza con más avidez a los k t a amiloides quc se 1oc;ilizan en las placas neiirales.
Exceso familiar de
teínas
lir
_
(Capítulo 28)
o LDL por acción de la proteina de transferencia
de dsteres de celesterilo.
S) El exceso de celesterol es excretado desde el
higado en Ea bilis sin cambio o como sales biliares.
Una gran proporción de las sales biliares se resorben a la circulaci6n portal y regresan al higado
como parte de la circulaci6n enterohepática.
6) Las concentracionec altas de colesterol en VLDL, TDL
o LDL se relacionan con aterosclerosis, en tanto que
los valores elevados de HDL tienen un efecto protector.
7) En la población, unos cuantos individuos tienen
defectos hereditarios en el metabolismo de las lipoproteínas que los conduce a un trastorno primario
de hipolipoproteinemia o hiperlipoproteinernia.
Muchos otros que padecen enfermedades como
diabetes sacarina, hipotiroidismo, renopatia y
aterosclerosis muestran patrones secundarios anormales de lipoproteínas que son semejantes a una u
otra de las situaciones primarias.
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i.nteqración de! metabolismo
v el! suminisitro de eneraéticos
%
a
m+
Peter A. Mayes, PhD, DSc
Aunque los carbohidratos y lipidos desempeiían numerosas actividades estructurales y metabólicas, su
fwncihn como proveedores de una gran proporción de
las calorías dietktices es la que tiene el impacto mayor
sobre el metabolismo y la salud. La regulaci6n de esta
entrada de energkticos y la manera en que se integran
con otros combustibles tisulares son de interés capital,
dado que afectan a muchos otros procesos metabólicos e intervienen en el desarrollo de la enfermedad
metabólica.
IMPORTANCIA BIOMEDICA
En condiciones de equilibrio calbrico positivo, una
proporcibn significativa de la ingestibn calbrica
dietdica se almacena corno glucógeno o gasas. Si la dieta
es sobre todo de carbohidratos, la glucosa será el
principal combustible de los tejidos. Sin embargo, en
muchos tejidos, inclusive en condiciones de nutrición
suficiente, los acidos grasos se oxidan de preferencia
a glucosa, en particular en estados de ddficit caldrico
o inanicidn. El propasito es ahorrar glucosa para
aquellos tejidos (por ejemplo, el cerebro y los eritroc i t o ~ )que lo requieren en todas las circunstancias.
Así, los mecanismos reguladores, a menudo mediados
por hormonas,, aseguran un suministro energético
adecuado para todos los tejidos en todo momento,
desde el estado de nutricibn completa hasta la
inanicibntotal. La desorganimcionde estos mecanismos
se debe a decequilibno hormonal (como la deficiencia
de insulina en diabetes sacarina}, a desequilibrio
metabdlicopor lactancia excesiva (es el caso de la cetosis
del ganado) o a demandas metabólicas altas en el embaram (por ejemplo, la toxemia gravidica en ovejas).
Todas éstas son aberraciones patologicas del síndrome
de inanicibn que es una cornplicaci6n de muchas
situaciones médicas cuando el apetito disminuye.
NO TOPOS LOS ALIMENTOS SON
INTERCONVERTIBLES (Figura 29-1)
El hecho de que los animales puedan ser engordados
con alimentacion que predominantemente contiene
carbohidratos, demuestra la facilidad de su conversibn a
grasas. Sin embargo, como ya se ha sehalado, el ser
humano puede estar limitado en el grado al cual la
glucosa puede convertirse en Acidos grasos, en particular en tejido adiposo. Una reaccidn más significativa
a este respecto es la conversidn de pimvato en acetilCOA,ya que estaúItima es el compuesto de inicio para
la sintesis de acidos grasos de cadena larga. No obstante, en cuanto al proceso inverso, la conversión de
acidos grasos en glucosa, la reaccibn de la piruvato
deshidrogenasa es en esencia irreversible, lo que
evita la conversibn directa de la acetilXoA, en pinivata. AdemBs, no puede haber una conversión total de
la acezilCoA en oxalacetato a través del ciclo del
acido cítrico, ya que se requiere una molécula de
oxalacetato paracondensarse con la acetil-CoA y sblo
una molécula de oxalacetate es regenerada. Por razones semejantes, no puede haber una conversión
total de Qcidosgrasos que tengan un número impar de
334
(Capítulo 29)
Biriquímica de Hurper
Carbohidratos
Grasas
Triacilgliceml
T
IJ- -5
Fructosa
Serina I
Trmsa fosfato
Glicerol
(Giioeml 3-fosfatol
Acidos grasos
Figura 29-T. lnterconversibn de los principales alimentos.
Btomos de carbono (los cuales forman acetilXoA) en
glucosa o glucógeno. S610 la porción terminal de tres
carbonos de un ácido graso que tenga un numero
impatnde Btomos de carbono es glucogdnica, ya que
esta porci6n de la molécula formará propionil4oA
hasta la betaoxidación. No obstante, es posible hallar
finalmente a los átomos de carbono de los hcidos
grasos marcados en el gluc6geno después de atravesar
el ciclo del hcido cítrico. Esto se: debe a que el oxalacetato es un intermediario en el ciclo del hcido
cítrico y en la vía de la gluconeogtnesis. La fraccion
glicerol de los triacilgliceroles formarh glucosa despues de la activacion aglicerol3-fosfato, y esto es una
fuente importante de glucosa en la inanicidn.
Muchos de los esqueletos de carbono de los aminohcidos no esenciales pueden ser producidos a partir
In!e~racidndel met,
de carbohidratos a través del cicIo del Iicido citrico y
la transaminacion. Por reversi611 de estos procesos, los
arninoacidos glucogénicos rinden esqueletos de carbono que son miembros o precursores del ciclo del
acido cítrico. Por tanto, facilmente se convierten por
las vías giuconeogénicas a glucosa y gluc6geno. Los
aminoácidos cetogéaicos dan lugar a acetoacetato, el
cual a su vez será metabolizado como cuerpos cetónicos.
formando a c e t i l 4 o A en los tejidos extrahepáticos.
Por las mismas razones que impiden la c o n v e r s h
total de hcidos grasos en carbohidratos, es imposible
la conversihn neta de Acidos grasos en aminoácidos
g!ucogénicos. No es posible revertir las vías de dcgradaci~nde los aminoácidos cetogénicos y otros
aminoacidos, los cuales se encuentran en la categoria
de aminoficidos esenciales para la nutriciiin. La conversiiin de los esqueletos de carbono de los aminolcidos
gIucog&nicosen ácidos grasos, es posible mediante la
L~rmaciónde piruvato de acetil-COA o por la reversión de las reacciones no mitocondriales del ciclo del
ácido cítrico a partir de alfa cetoglutarato hasta citrato
seguidas de !a accibn de la ATP-citratoliasa, que
resulta en a c e t i l 4 o A (capítulo 23). Sin embargo, por
lo general la conversión neta de: aminoacidos en grasa
no es un proceso significativo. Incluso en carnivoros
con una dieta alta en proteinas, la ingestihn de grasas
cambien es grande, lo que puede inhibir la lipogénesis.
LA ECONOM~ADEL METABOLISMO
DE CARBOHIDRATOS Y L~PIDOS
INCLUYE A TODO EL CUERPO
La glucosa es una necesidad
metabólica para el cerebro
y les eritrocitos en todos
los estados de nutrición
Se han descrito muchos de los detalles de la interacción del metabolismo de los carbohidratos y de los
lipidos en varios tejidos, en particular la sencilla conversibn de numerosas sustancias glucogénicas a glucosa
y glucbgeno por gluconeog6nesis. Este último proceso
tiene importancia particular debido a que ciertos tejidos y tipos celulares, incluyendo el sistema nervioso
central y los eritrocitos, dependen de un suministro
continuo de glucosa. Probablemente los tejidas extrahepáticos necesitan una provisibn minima de glucosa
para mantener las concentraciones de oxalacetato y
la integridad del ciclo del Acido citrico. Ademhs, la
glucosa parece ser la fuente principal de glicerol 3fosfato en los tejidos carentes de glicerol cinasa como
es el tejido adiposo. Hay por esto, una velocidad
minima obligatoria de oxidación de glucosa bajo
todas las alteraciones. Asimismo, se necesitan grandes cantidades de glucosa para la nutricibn del feto y
la sintesis de leche. Ciertos mecanismos, ademk de la
gluconeogknesis, protegen los suministros esenciales
de glucosa en tiempos de escasez, permitiendo que
otros sustratos economicen su oxidacion.
La utilización preferencial de cuerpos
cetonicos y ácidos grasos libres
economiza glucosa para funciones
esenciales
Los cuerpos cetdnicos y los Asidos grasos libres ahorran
la oxidación de la glucosa en el múscuto impidiendo
su entrada en la célula, su fosforilacibn por la hexocinasa y por la fosfofructocinasa y la descarboxilacibn
oxidativa del piruvato. Idaoxidacion de los ácidos grasos
libres y los cuerpos cetbnicos eleva la concena-ación
intsaceliilar del citrato. aue a su vez inhibe a la fosfohctocinasa de manera alostérica. La oxidacion de estos
sustratos también hace que las proporciones [acetilCoA]/[CoA] y [ATP]/[ADP] aumenten, inhibiendo la
actividad de la piruvato deshidrogenasa (figura 19-6).
Estas y otras observaciones demostraron que el acete
acetato era oxidado en el corazón irrigado, de preferencia
a 10s ácidos grasos libres, justificando la conclusi6n
de que en condiciones de escasezde carbohidratos, los
combustibles disponibles son oxidados en el siguiente
orden de preferencia: 1) cuerpos cetónicos (y probablemente otros ácidos grasos de cadena corta, como
e l acetato), 2) hcidos grasos Iibres y 3) glucosa. Esto
no quiere decir que cualquier combustible particular
sea oxidado con la exclusihn total de cualquier otrc,
ya que por lo comun se usa una mezcla de diferentes
combustiblec (figura 29-2). Sin embargo, estos mecanismos son más importantes en los tejidos que
tienen una elevada capacidad para la oxidación
aerbbica de los iicidos grasos, por ejemplo, el coradn
y los músculos de contraccibn lenta, que en los tejidos
con baja capacidad, como el músculo de contraccidn
rhpida.
La combinacibn de los efectos de los dcidos
grasos tibres en el ahorro de la utilizricibn de la glucosa en el músculo y corazón y el efecto de la glucosa
ahorrada en la inhibicibn de la movilizaci6n de hcidoc
grasos libres en el tejido adiposo, ha sido denominada
ciclo glucosa-bicidosgrasos.
En el ejercicio moderado, los lípidos son el combustible principal, pero en el intenso llegan a ser
menos adecuados, por lo que los carbohidratos
asumen la función de combustible principal hasta que
se consume el glucbgeno muscular. Tienen importancia las reservas de triacilglicerol en las propias células
musculares.
(Capítulo 29)
336 Bioquimica de Harper
Glicerol 3-fosfato
Acil-COA
*
TEJIDO
ADIPOSO
Triacilgliaeroles (TG)
AGL
Glicerol
Cuerpos cetbniwc
kil-COA
Glicerol 3-fosfato
Glucosa 6-fosfato
~cetil-COA
2C01
AminoBcidos,
lactato
Glucbgeno
Figura 29-2. Interrelaaones rnetab6licas entre el tejido adiposo, el hlgado y los tejidos extrahepátiws. (LPL, lipoproteina
Iipasa, AGL, Acidos grasos libres, VLDL, lipoproteinas de muy baja densidad.)
Integración del metabolismo y el suministro de energéticos tisulares 337
DURANTE LA INANICIÓN,
LOS MECANISMOS PROPORCIONAN
UN SUMINISTRO CONTINUO
DE ENERG€TICOS A LOS TEJIDOS
En animales alimentados con dietas ricas en carbohidrato~,la oxidación de ácidos grasos es economizada. Esto se debe a que la IipÓEisis del tejido adiposo
se inhibe por las elevadas concentraciones sanguineas
de glucosa e insulina, por lo cua! los v a l o r ~ sde icido
graso libre permanecen bajos (figura 29-3). Durante
la alimentación humana normal, las proporciones de
los diversos nutrienzes calorificos oxidados son definidas por sus cantidades relativas en la dieta. A
medida que el animal pasa del estado de alimentacibn
al de ayuno, decrece la disponibilidad de gPlucosa y se
emplea glucógeno hephtico en un intento por conservar
la concentracibn de la glucosa sanguinea. La concentración de insulina disminuye en la sangre y se eleva
la de glucagón. Cuando disminuye la utilización de
glucosa en el tejido adiposo y el efecto inhibitorio de fa
insulina sobre la lipólisis del tejido adiposo se hace
menor, la grasa es movilizada como hcidos grasos
libres y gticerol. Los primeros se transportan a los tejidos
no adiposos donde son oxidados o esterificados. El
glicerol se une al almacén de carbohidratos después
de su activacibn a glicerol 3-fosfato, principalmente
en el hígado y los riiiones. Durante esta fase en transici6n desde el estado de alimentacibn completa al de
Glucagbn plasm8tim
ayuno completo, la produccidn end6gena de glucosa
(a partir de los aminolcidos y del glicerol) no va al
mismo paso con su utilizacidn y oxidación, ya que los
depositos de glucágeno se llegan a agotar y la glucosa
sanguínea tiende a caer. Asi, la grasa se moviliza a una
velocidad siempre creciente y en varias horas los
hcidos grasos libres plasmaticos y la glucosa sanguínea
se estabilizan en el valor de ajuno (0.7 a 0.8 y 3.3 a
3.9 mmol/L, respectivamente). En este punto se debe
suponer que el suministro de glucosa en codo el animal
equilibra las demandas obligatorias para la utilización
y oxidación de la misma. Esta se logra con un aumento
en la oxidación de ácidos grasos libres y cuerpos
cetónicos, ahorrando la oxidacidn no obligatoria de la
glucosa. Este fino equilibrio es alterado en condiciones
que demandan más glucosa o cuando su utilizacion
estii deteriorada y, por tanto, conduce a mas movilización de grasas. La provisibn de carbohidrato5 por el
tejido adiposo, en la forma de glicerol, es una iüncibn
importante porque es s61o esta fuente de carbohidrato~,junto con aquélla proporcionada por la gluconeoghesis a partir de las proteinas, la que puede
suministrar al organismo en ayuno la grucosa indispensable para aquellos procesos que la necesitan. En la
inanición prolongada en el hombre, la gluconeogkneis
a partir d e las proteinas esth disminuida debido a
la liberaci6n reducida de aminohcidos, particularmente de la alanina del músculo. Esto coincide con la
adaptación del encéfalo para reemplazar aproximadamente la mitad de la glucosa oxidada con los
cuerpos cetónicos. En la inanicihn prolongada, la
glucosa contribuye con menos de 5% del sustrato total
oxidado en todo el cuerpo.
Despubs de alimentar nuevamente con glucosa a
los animales hambrientos, la glucog&nesishepática se
produce a través de un intermediario de tres carbonos
como el lactato, indicando que la gluconeogénesis
continúa por algún tiempo después de reiniciar la
alimentacidn.
La cetosis es una adaptación
rnetabólica para la inanición
9
F
a
m
0
n
5
U
Glucosa sanguínea
--/------u--
Horas de inanicibn
Figura 24-3.Cambios relativos en los parárnetros metabolicos durante el inicio de la inaniucin.
La füncibn primaria de la cetogknesis es eliminar el
exceso de carbonos de Acido graso del higado en una
forma que es oxidada con facilidad por los tejidos
extrahepáticos en lugar de glucosa. La cetosis surge a
consecuencia de una deficiencia en el carbohidrato
disponible; lo anterior implica las acciones siguientes
en el fomento de cetogknesis (figuras 24-9 y 24-10):
1) Causa un desequilibrio entre esterificacibn y
lipólisis en el tejido adiposo como resultado de bajas
concentraciones de insulina, con la liberación subsecuente de hcidos g a s o s libres a la circulación. Estos
ácidos son los sustratos principales para la formacidn
de cuerpos cetónicos en el hígado; por tanto, todos los
factores, metabblicos o endocrinos, que afectan esta
(Capitulo 29)
liberación de hcidos grasos del tejido adiposo, influyen en la cetogenesis. 2) En la entrada de hcidos
gmsos libres al hígado, el equilibrio entre esterificación
y oxidación es gobernado por camitina palmitoiltransferasa 1. cuya actividad aumenta de manera indirecta
debido a la concentración de ácidos grasos libres y al
incremento de la proporción glucagbn: insul ina. 3 ) Conforme aumenta el ácido graso que se oxida. se incrementa la fomacibn de cuerpos cetbnicos y disminuye
¡a degradaciún a COZ,regulado de manera tal que la
produccibn total de ATP en el hlgado se mantiene
constante (figura 24-9).
Puede operar un mecanismo de retroaIirnentaciiin
para controlar la salida de ácidos grasos libres del
tejido adiposo en la inanicibn, como resultado de la
accibn de los cuerpos cetúnicos y de los ácidos grasos
libres para estimular directamente al phncreas para
producir insulina.
En la rnayoria de los trastornos, los ácidos grasos
libres son movilizados en exceso a los requerimientos
oxidativos, ya que una gran proporciones esterificada,
aun durante el ayuno. Como el higado incorpora y
esterifica una proporción considemble de la produccibn
de ácidos grasos libres, desempeifa un papel regulador
en laremoci61-1del exceso de tales ácidos de la circulacih.
Cuando el suministro de carbohidratoses adecuado, casi
todo lo que entra es ester'ificado y, en última instancia,
retransportado desde el hlgado como VLDL para ser
utilizado por otros te-jiidoc Sin embargo, ante un
aumento de afluencia de iicidos gracos libres. se dispone
de una ruta alternativa, la cetogénesis, que permite al
higado continuar retransportando mucho del flujo de
hcidos grasos libres en una forma que es flicilmente
utilizada por los tejidos extrahepáticos en todas las
condiciones de alimentacibn.
Muchos de estos principios estBn seflaladoc en la
fígura29-2. Se notara que hay un ciclo de carbohidratos
que implica la liberación del glicerol del tejido adiposo
y su conversión en glucosa en el higado, seguido de
su regreso al tejido adiposo para complementar el
ciclo. El otro, un ciclo de lipidos, comprende Ia liberación de ácidos grasos libres del tejido adiposo, su
transporte al higado, su esterificación en é l y su regreso como VLDL al tejido adiposo.
LAS PRINCIPALES V ~ A SMETABOLICAS
SON REGULADAS POR UNA O DOS
ENZIMAS C U V E QUE CATALIZAN
REACCIONES NO EQUILIBRADAS
El cuadro 29-1 e$ un resumen de los reguladores
principales de las vias metabrilicas mds importantes.
Como se observo en capítulos previos, estas vías son
controladas en 1 o 2 reacciones no equilibradas que
tienen lugar por lo común al principio de la vía.
LOS PATRONES PRINCIPALES
DE METABOLISMO EN ORGANOS
O TEJIDOS INDIVIDUALES SON
DETERMINADOS POR LA PRESENCIA
O AUSENCIADE ENZIMAS CLAVE
El cuadro 29-2 es un resumen de las características
m l s importantes j, unicas de algunos órganos principales. Estos patrones rnetabólicos son determinados
por la distribución de enzimas clave entre 6rganos y
tejidos, que es el factor mas importante en la dcfinición del tipo de sustratos captados y de prodiictos
formados, todo lo cual determina el flujo y dirección
de los rnetabotitos en la sangre.
ASPECTOS CL~NICOS
La cetosis patológica se debe
a la amplificación de los factores
que causan cetosis en la inanici~n
La cetosis que tiene lugar en la inanición y en la
ingestión de grasas es relativamente leve comparada
con el estado que se encuentra en la diabetes sacarina no
controlada, toxemia gravidica en ovejas o cetosis del
ganado en lactancia. Al parecer, la razón principal es
que en situaciones graves, el carbohidrato es todavia
menos disponible para los tejidos que en círcunstancias leves. Asl, en formas menos graves de diabetes
sacarina, en ingestidn excesiva de grasa y en inaniciún
crbnica, existe glucdgeno heplitico en cantidades variables y los valores de ácidos grasos libres son menores,
lo cual es probable que explique la cetosis menos
grave encontrada en estos estados.
En la diabetes sacarina tipo 1, es probable qiie la
carencia (o la falta relativa) de insu tina, afecte al tejido
adiposo más que a otros tejidos, debido a su sensibilidad
extrema a esta hormona. El requltado es que se liberan
acidoc grasos en cantidades que elevan las concentraciones plasmaticas de ácidos grasos libres, más del
doble de las que se encuentran en personas normales
en ayunas con el correspondiente aumento en los
valores de cuerpos cettinicos. Además, ocurren numerosos cambios en la actividad enzimáticadentro del
hígado y estos cambios potencian la veiocidad de
gluconeogénesis y la de transferencia de g2ucosa a la
sangre, a pesar de: las ya elevadas concenzraciones de
glucosa circulante.
En la cetosis de rumiantes, hay una extraccibn
grave de glucosa de la sangre debido a demandas
fetales excesivas de gemelos o por lactación masiva
(figura 29-2). Se produce hipoglucemia extrema, acoplada con cantidades despreciables de giucogeno en
ien de les principaltes reguladores de Ias vías rr
---
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Ciclo del icido cítric
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u 1 i ~ i a 1 r i 1 3C J ~ G C I I
DI, (triacil- ' SJlucocinasa, gli
)L, cuerpos fosfatasa, glicerj
. . .,
iaacion: cetogenesls: for- lactato glicerol, fmclosg 1 cetonicos. urza, ácido irri- 1 fosfoenolniruvato Ltunvxiácidos bliliares. prin- I nasa f
ación de lipoproteinas; forma- e
asa, 1,li
1% plasmáticas
ón de urea, ácido cítrico y
lima, 7
idos biliares; sintesis de
lesterol; lipoghesis*
o1 deshidrc
(ETanot)
-
.
.
*
Coordinaciún del
ncrvloso
S
idas, I,ac
metaboli smo de Glucosa,
cuerl~osC ~ L U I I I ~ U U \ G I inani&)
En el neortato, ácido:
sos poliinsaturados...
ías aerbbicas, por ejemplo, ' Ac~dosgrasos Irbres, iac:ta oxidaciiIn y ciclo ile1 Acido tato, cuerpos cethnicos,
tririlgIicrrui de VLDL y
trico
quilomicrones, algo de i
glucosa
&
! Lipoprnreina Iípaisa -
1
Corazón
Tejido adiposo
Mliscuio
Cambii3 rápido
Cambiis lento
Almacenaje y degra
de triacilgliceroles
Eritrocito
1
:.1-
C
1
t
lucdlisis, vía de le pentosa fos- Glucosa
ito. Sin mitocundrias, por tanto
hav bcta oxidaci6n ni ciclo de
:ido cítrico
ISespecia, 1pero no en seres humanc
1
iria desa-
t-
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idos grasos libres. gli- Lipop~
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Glucosa
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.
.>--.
-I'----f
A.
m oxiaacion v cicio del hcido
micsones. ácidos g
libres
Acidos grasos iiores, t uiucosa
Escrecion y giuwneogenesis : triuconeogei
lactato.
gli
l
- .
rito rápido
nto sosteni
t
Riñón
siwificacibn de acidos g m o s y Glucosa, t
lipoproteir
shlisis: lipogénesis*
--
i Caden
rrollad
A-
1 ~Cadena
i~o~rotelna'ii~a
respiratctria desaSa
rrollada
rol cinas;
1 enolpiruvatricarboxicinasa
Intevación del metaBoiismo y el suministro de enesg&ticos rrslalures 34 1
el hígado. Conforme la hipoglucemia se desarrolla, la
secrecibn de insutina disminuye, permitiendo no so30
una menor utilización de glucosa sino también el
incremento de lipúlisis en el tejido adiposo. Las mujeres
embarazadas con frecuencia presentan cetosis leve.
En la diabetes sacarina tipo F sin tratar, la muerte
se produce debido a complicaciones por acidosis
causada por depIeci6n prolongada de bases para neutralizar los cuerpos cetónicos acídicos excretados en
la orina (capítulo 65, caso No. 9: diabetes sacarina tipo
1 con cetoacidosis). En toxemia gravidica en ovejas, la
mueste sobreviene con rapidez debido a hipoglucernia
profunda.
RESUMEN
1) Muchos de los nutrientes principales son interconvertibles. Las carbohidratos se convierten en ácidos grasoc a través de la reaccibn catalizada por la
piruvato deshidrogenasa. Dado que en esencia esta
reaccihn es irreversible, no se puede producir el
proceso opuesto. Tampoco puede haber conversión
neta de a c e t i l 4 o A (ni de sustancias formadoras de
acetil-CoA) en glucosa a travks del ciclo del ficido
citrico, dado que se consume una molécula de
oxalacetato por cada molecula del propio oxalacetato convertida en glucosa.
2) Muchos de los esqueletos de carbono de los amindcidos no esenciales pueden generarse de carbohidratos
por la via del ácido cítrico y la transaminacilin. La
inversion de este proceso permite a tos aminoácidos
glucogénicos entrar a la vía de la gluconeogénesis.
3) Durante la inanición, los ácidos grasos libres y los
cuerpos cetbnicos son oxidados, de preferencia a
glucosa, la cual es ahorrada por tejidas como el
cerebro, que la requieren en todo momento. Esto
se logra mediante la inhibicibn de fosfofnictocinasa y piruvato deshidrogenasa. Este efecto, acoplado con la inhibicihn obtenida por el sistema
ahorrador de glucosa que moviliza hcidos grasos
libres en el tejido adiposo, se llama ciclo glucosabcido graso.
4) La w s i s es una adapmci6n rnetabiilica para la inanici6n y se exacerba en situaciones patoldgicas como
diabetes sacarina y cetosis de los rumiantes.
REFERENCIAS
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tive operation ofthe glucosc-faJ 1985;232:585.
acid cycle. Biochem
. . . . . . . . . . . . 345
Capitulo 31.Catabalisrno de proteinas y del nitrógeno de aminoGcidos . . . . . . . . . . 351
Capítulo 32. Cataholismo de los esqueletos de carbono de aminoácidos . . . . . . . . . . 363
Capítulo 33. Conversión de aminoácidos a productos especiaEizados . . . . . . . . . . . . 389
Capitulo 34 .Porfirinas y pigmentos biliarcs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .401
Capitulo 30.Biosintesis de aminoácidos no esenciales en la nutricihn
no esenciales en la nutrición
Victor W Rodwell, PhD
Referirse a los aminolicidos fundamentales para la
nutrici~ncomo "esenciales" o "indispensables" y a Ios
que no lo son, como "no esenciales" o "dispensables"
es engañoso (cuadro 30-1). Aunque en un contexto nutricional estos tkrminos son correctos, encubren la
naturaleza biológicamente esencial de todos los 20
aminoácidos. Podria argiiirse que los aminoácidos
nutricíonalrnente no esenciales, son m6s importantes
para la célula que los esenciales puesto que los crganismos (por ejemplo, el ser humano) han evolucionado
en el sentido de perder la capacidad para sintetizar
estos últimos, pero no así los primeros.
Cuadro
A
-
querlmiento de a a
el ser huimano
--
-- -
Esenci
Arglnina*
Fcnilalanin
Histidina*
lsoleucina
Leucina
i,isina
Metionina
Treonina
Triptbfamo
Valina
1
7
!
No esencia les para la
nutr
m.
1.1
Al;ininn
As paragina
As nortritri
pui curu
Ci:Lteína
Glicina
Gliitamato
:
. ..
U 1 1iramina
T.
I~ni.nAnn
c i u i i ~ ,i~ieuc*uaumPOJa respaldar tt
-
Las implicaciones mkdicas del material de este
capitulo se relacionan con los estados de deficiencia
de aminoácidos que pueden producirse si cualquiem de
los arninoicidos esenciales para la nutricibn se omite
en la dieta o se encuentra en cantidad insuficiente.
Puesto que ciertos cereales son relativamente pobres
en tBpt6fano y lisinz, en regiones donde In alimentacibn se basa principalmente en estos cereales para
la ingestibn total de proteínas y no se complementa
con fuentes tales como leche, pescado o carne, pueden
observarse notables condiciones fisicas de deficiencia. El kwashiorkor, y el marasmo son endkmicos en
ciertas regiones de Africa Occidental. El kwashiorkor
se presenta cuando un niAo es destetado y queda a
merced de una dieta de almidones escasa en proteína.
En el marasmo, tanto la ingestilin calórica como la de
arninoácidos especificos es deficiente.
LOS AMINOÁCIDOS ESENCIALES
PARA LA N U T R F C I ~TIENEN
N
V~AS
BIOSINTETICAS PROLONGADAS
m-
iiiiios.
Innecesaria.para la sfntesis de proteínas pero formada durante e l
.m..r
IMPORTANCIA BIOMEDICA
.L.
Hiciroxilisinat
Wi<iroxipralin
Prcilina
"Nutricion
. . almente remiiesenciales'
Dado que este libro enfatiza los procesos
metabblicos de tejidos humanos, sólo se tratará de
biosíntesis de aminoácidos no esenciales, no acerca
de los no requeridos en nutrientes para vegetales y
microorganismos.
c ~ i i i ~ c t i uc
t u au,
procesamiento pasintetico de la wlagena.
La existencia de requerimientos nutricionales sugiere
que la dependencia del suministro externo de un intermediario necesario puede tener un valnr superior
Bioqiairn ica de Harpcr
346
para la supervivencia que la capacidad para sintetizarlo. Si un intermediario específico existe en los
alimentos, un organismo que puede sintetizarlo está
reproduciendo y transfiriendo a las generaciones tuturas información genetica de un valor negativo para
la supervivencia. Este valor es negativo más que nulo
debido a que se están empleando ATP y nutrientes
parasinteti~arDNA 'Ynnececario". El número de enzimas
que requieren las cklulas procariotas para sintetizar
aminoácidos nutrictonales esenciales es grande en
relación a Iac necesarias para sintetizar aminoácidos
no esenciales (cuadro 30-2). Esta observación indica
que es una gran ventaja de supervivencia conservar la
propiedad de fabricar aminoácidos "fáciles" aunque
se pierda la capacidad para formar arninoBcidos
'~diticiles".
LOS AMINOÁCIDOS NO ESENCIALES
PARA LA NUTRICIÓN TIENEN V ~ A S
BIOSINTÉTICAS CORTAS
De los 12 aminoacidos nutricionalrnente no esenciales
(cuadro 30-l), nueve son formados a partir de intermediarios anf bólicos. Los tres restantes (Cis, Tire Hil)
se sintetizan a partir de arninoácidos esenciales para
la nutrición.
La glutamato deshidrogenasa, la glutamino sintetasa y las transaminasas ocupan posiciones centrates
en la biosintesis de arninoácidos. Su efecto combinado
consiste en catalizar la transformación del ion amonio
10-2. Enzimas requeridas p4ara !a
r de los aminoácidos a parti r de
nterrnediarios anfibblicos
--. -----p.
-p
.
.
requeridais para sin-tetizar
Numero de enzimas
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inorgánico en nitrógeno alfa mino o r g h i c o de varios
aminoacidos.
1) Glutamato: La aminacibn reductoradel alfacetoglutarato es catalizada por la glutamato deshidrogenasa
(figura 30-1). Además de formar ~d,lutamatoa
partir del intermediario anfibólico alfa cetoglutarato, esta reaccidn constituye un primer paso clave
en la biosintesis de muchos otrosaminoácidos.
2) Glutarnina: La bioslntesis de la gIutarnina a partir
de glutarnato es catalizada por la glutamino sintetasa
(figura 30-2). La reaccibn muestra tanto semejanzas corno diferencias con Ia reacción de la glutamato
deshidrogenaca.Las dos "fijan" nitrógeno inorghico,
una al enlace amino y la otra al amido. Ambas
reacciones están acopladas a reacciones muy exerghnicas; para la glutamato deshidrogenasa, la oxidación de NAD(P)H y para la glutmina sintetasa,
la hidrólisis del ATP.
3) AEanina y aspartato: La transaminacidn del pimvato forma ~ a l a n i n ay la del oxalacetato forma
Laspartato (figura 30-3). La transferencia del
grupo alfa amino del glutamato a estos intemediarios anfibblicos. ejemplifica la capacidad de una
transaminasa para canalizar al ion amonio por
medio del glutamato, al nitrbgeno aEfa amino de los
aminoacidos.
4) Asparagina: La formación de asparagina a partir
deraspartato, catalizada por la asparagina sintetasa
(figura 3 0 4 ) , es semejante a la síntesis de glutamina (figura 30-2). Sin embargo, puesto que la
enzima de los marniferos utiliza glut&ina en lugar
de ion arnonio como fuente de nitrhgeno, la acparagina
sintetasa de estas especies no "'fija" nitrbgeno inorgánico. Por el contrario, las asparagina sintetasas
bacterianas usan ion amonio y por ende "fijan"
nitrógeno. Igual que en otras reacciones en las que
se forma pirofocfato (PP,,,la hidrblisis de PPi a P;
por la pirofosfatasa asegura que la reacci6n sea
fuertemente favorecida desde el punto de vista
energktico.
1
Pr<
Se1
GIi
1 Ci:
-
* A panir de Giu.
A partir de Asp
7 A partir de LE.
$ A rianir de Pro
-
anir ae ber.
anir de 5et I
A A partir de Fen.
Figura 30-1. Reaccibn de la glutamato deshidrogenasa. La
aminacibn reductora del atfa cetugiutarato por los radicales
N H ~ 'se desarrolla a expensas del NAD(P)H.
Figura 30-2. Reaccibn de la glutamina sintetasa.
S) Scrina: La serina se forma a partir del interme-
diario glucoliíico D-3-fosfoglicerato (figura 30-5).
El grupo alfa hidroxilo es oxidado a un grupo 0x0
por el NAD' y después transaminado para formar
fosfoserina, que es desfosforilada a serina.
6) Glicina: La sintesis de Ea glicina en Ins tejidos de
marnireros pueden producirse de varias maneras.
El citosol del higado contiene glicina transaminasas que cataliixn la síntesis de la glicina a partir del
glioxilato y del glutarnato o de la alanina. A diferencia de la mayoría de las reacciones de transaminawq,
ésta favorece con fuerza la sintesis de glicina. En
los mamíferos, dos vias importantes adicionales
para la formacibn de la glicina parten de la colina
(figura 3 0 4 ) y de la serina a través de la reaccibn
de las serinhidtoxirneti ltransferasa (figura 30-7).
7) Prolina: En 30s mamíferos y en algunas otras
formas de vida, la prolina se biosintetiza a partir
del glutamato por reversion de las reacciones del
cataholismo de la prolina (figura 30-8).
8) Cisteina: La cisteina, aunque no esencial para la
nutrición por sí misma, se forma a partir de la metionina (nutricionalmente esencial) y la serina (no
esencial para la nutrición). La metionina es convertida primero en homocisteina por la via de la
S-adenosilmetionina y de la S-adenosilhomocisteina (capihilo 32). La conversihn de la homocisteína y de la serina en cisteína y homoserína se
muestra en la figura 30-9.
Mg-AMP + PP,
Mg-ATP
Figura 3 0 4 . Reaccibn de la asparagina sintetasa Nótese
las semejanzas y las diferencias con la reacciun de la glutamina srntetasa (figura 30-2)
Fosfohidroxipiruvato
FY
A:
NHI+
J
Glu o Asp
U-Cetoglutarateu oxaiaaetato
Figura 3 0 3 . Formacidn de la alanina por transaminacidn del
piruvato El donador de radicales amino puede ser el glutamato o el aspartata. As¡, el otro producto es el alfa celoglularato o el oxalacetato. Si el oxalacetato es el grupo ácido
0x0 en lugar del piruvato, la transferencia al grupo amino del
glutamato, forma aspartato.
Figura 3 0 6 . Biosintesis de la serina. (a-M,a-aminohcidos;
a-KA, a-cetoAcidos).
Metilen-
Colina
OH
Glicina
Serina
Figura 30-7. Reaccibn de la serinhidroximetiltransferaca. La
reaccibn es libremente reversible (& folato = tetrahidrofolato )
no puede satisfacer el requerimiento nutricional de
fenilalanina. El complejo de la fenilalanina hidroxilasa es una oxigenasa de función mixta presente
en el higado de mamíferos, pero ausente de otros
tejidos. La reaccibn involucra la incorporaci6n de
un atomo de oxlgeno rnolecular en la posicibnpara
Betainaldehido
O
CH3
I
H,C
- N+-CW3
Betaina
k
O
O-
H~o-IC
NADH+H+
NAO +
O
Glicina
O
Figura 3 0 4 . Formacibn de glicina a partir de calina.
9) Tirosina: La tirosina se forma a partir de la feni-
lalanina en la reaccibn catalinda por la fenilalaninhidroxilasa (figura 30-1 0). Asl, mientras que la
fenilalanina es un aminoácido nutricionalmente
esencial, la tirosina no lo es -siempre que la dieta
contenga cantidades adecuadas de fenilalanina. La
reacción no es reversible, de manera que la tirosina
Flgura 30-8. Bioslntesis de la prolina a partir del glutamato
por reversibn de las reaccionesdel catabolismo de la prolina.
Biosíntesis de aminoácidos no esenciales en la nutrición 349
Tetrahidrobioptenna
Dlhiambiopterina
1
Cistationina
Figura 30-10. Reaccibn de la fentlalaninhidroxilasa Dos
actnidades enzirnáticas distintas están involuuadas. La a c
tividad II catalira la reduccibn de la dihidrobiopterina por el
NADPH, y la actividad t , la reduccidn del Oz formando HzO
y la mnversibn de la fenilalan~naen tirosina. Esta reacción
está relacionada con varios defectos del metabolismo de la
fenilalanina descritos en el capitulo 32.
Figura 30-9. Conversibn de la hornocistelna y de la serina
en homoserina y cisteina. Nbtese que mientras el azufre de
la cisteina deriva de la metionina por transulfuracibn, el
esqueleto de carbono es proporuonado por la serina.
de fenilalanina,en tanto que el otro htomo es reducido
formando agua (figura 30-1 1). El poder reductor
provisto en última instancia por NADPH, es inmediatamente aportado en forma de tecrahidrobiopterina, una pteridina que se parece al ácido folico.
10)HidroxiproIina: Puesto que la prolina sirve como
un precursor de la hidroxiprolina, tanto la prolina
como la hidroxiprolina son miembros de la familia de
aminoácidos del glutamato. Aunque tanto la 3 como
la 4-hidroxiprolina se encuentran en los tejidos de
los mamíferos, lo que sigue se refiere exclusivamente a la rram4-hidroxiprolina,
La hidroxiprolina como la hidroxilisina est8
casi exclusivamente ligada a la colágena,la proteína
más abundante de los tejidos de mamifero. La colágena está compuesta de cerca de una tercera parte
de glicina y una tercera parte de prolina e
hidroxiprolina. La hidroxiprolina, la cual contribuye con muchos de los residuos aminoácidos
de la colligena, estabiliza la triple hélice a la diges-
tibn por las proteasas. A diferencia de los grupos
hidroxilo de la hidroxilisina, que sirven como sitios
para la unihn de residuos galactosilo y glucosilo,
los grupos hidroxilo de la hidroxiprolina de la
colágena no están sustituidos.
Un carhcter singular del metabolismo tanto de
la
