Cartilla BIOQUIMICA [Tomo II]

Tema XII: Vías metabólicas y de transferencia de energía
Catabolismo y anabolismo. Vías catabólicas, anabólicas y anfibólicas. Ciclo de la
energía en las células. Distribución intercelular de las enzimas y sistemas enzimáticos.
El metabolismo
Es definido brevemente, como la suma total de las reacciones enzimáticas que tienen
lugar en la célula. Cuatro son las funciones específicas del metabolismo:
Obtener energía química del entorno de los elementos orgánicos nutritivos o de la
luz solar
Convertir los elementos nutritivos exógenos en los precursores de los
componentes moleculares de las células.
Reunir los precursores para formar proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y otros
componentes celulares.
Formar y degradar aquellas biomoléculas necesarias para las funciones celulares
especializadas.
Las secuencias reacciónales del metabolismo son semejantes en todas las formas de
vida especialmente las que se conocen como rutas metabólicas centrales.
Catabolismo y anabolismo
El metabolismo se divide en catabolismo y anabolismo:
El catabolismo: Es lo degradación enzimática, mediante reacciones de oxidación,
de moléculas nutritivas relativamente grandes (carbohidratos, lípidos y proteínas)
procedentes del entorno de la célula o de sus propios depósitos de reservas
nutritivas, hasta transformarlas en moléculas simples y menores, por ejemplo, ácido
láctico, ácido acético, CO 2 , amoníaco o urea. El catabolismo va acompañado de
liberación de energía libre, la cual se conserva en el ATP.
El anabolismo: Es la síntesis enzimática de componentes celulares relativamente
grandes de la célula, ejemplo: polisacáridos, ácidos nucleicos, proteínas, lípidos a
partir de moléculas precursoras sencillas. Puesto que los procesos sintéticos
provocan un aumento en el tamaño y la complejidad de las estructuras, se necesita
la energía proporcionada por el enlace fosfato del ATP.
Tanto el catabolismo como el anabolismo son dos procesos simultáneos e
interdependientes, que pueden analizarse por separado. Cada uno de los procesos
abarca la secuencia de reacciones enzimáticas mediante las cuales se degrada o se
sintetiza el esqueleto covalente de una determinada biomolécula. Los intermediarios
químicos de este proceso se denominan metabolitos, y este proceso metabólico:
metabolismo intermedio. Acompañando a cada una de las reacciones químicas del
metabolismo intermediario; tiene efecto un cambio de energía característico. En algunas
de las etapas de las secuencias catabólicas puede conservarse la energía química,
habitualmente en forma de energía del enlace fosfato y en ciertas etapas de las
1
secuencias anabólicas puede utilizarse esa energía del enlace fosfato. Esta fase del
metabolismo se denomina acoplamiento energético. El metabolismo intermedio y el
acoplamiento de energía están obligatoriamente interconectados y son
interdependientes. Por ello, cuando examinamos los esquemas metabólicos deberemos
analizar:
1. Las etapas de reacción por las que la estructura covalente del precursor se
altera para formar el producto.
2. Los cambios de energía química que acompañan a esta conversión.
Transformaciones catabólicas, anabólicas y anfibólicas
La degradación enzimática de cada uno de los principales elementos nutritivos (hidratos
de carbono, lípidos y proteínas) tiene lugar a través de cierto número de reacciones
enzimáticas consecutivas que se desarrollan en tres fases:
Fase I: En esta fase las grandes moléculas de los elementos nutritivos se
degradan hasta los principales componentes. Los polisacáridos son
degradados a pentosas o hexosas, los lípidos a ácidos grasos, glicerina y
otros componentes, y las proteínas a sus veinte aminoácidos constitutivos.
Fase II: Los numerosos productos distintos de la Fase I son recogidos y
convertidos en un número pequeño de moléculas más sencillas. Así, las
hexosas, las pentosas y la glicerina se degradan en el azúcar fosforilado de
tres átomos de carbono, el gliceraldehído-3-fosfato y después hasta un
compuesto sencillo de dos átomos de carbono, la acetil-coenzima A. Los
aminoácidos diferentes son también degradados a: acetil-coenzima A, alfacetoglutarato, succinato, fumarato y oxalacetato.
Fase III: Los productos formados en la fase II pasan a la fase III que es el
camino común final en el cual se oxidan a CO2.
El anabolismo tiene lugar también en tres fases, comenzando por las pequeñas
moléculas originadas en la tercera fase del catabolismo. Por ejemplo, la síntesis
proteica comienza en La Fase III, a partir de los alfa-cetoácidos que son los precursores
de los aminoácidos. En la Fase II los alfa-cetoácidos son aminados por donadores de
grupos aminos y se forman los alfa-aminoácidos y en la Fase I se reúnen los
aminoácidos para producir cadenas peptídicas.
Aunque los caminos del catabolismo y el anabolismo no son idénticos la Fase III
constituye un camino central accesible a ambos. Esta senda central, que recibe el
nombre de anfibólica, desempeña una doble función (amphi: ambos). La ruta anfibólica
puede utilizarse catabólicamente para lograr la degradación completa de pequeñas
moléculas producidas en la Fase II del catabolismo o puede utilizarse anabólicamente
como precursora de moléculas para la Fase II del anabolismo.
2
Lípidos
Polisacáridos
Ácidos grasos
glicerina
Hexosas
Pentosas
Proteínas
Fase I
Aminoácidos
Gliceraldehído
3-fosfato
Fase II
Fosfoenol
piruvato
Piruvato
Acetil - C o A
citrato
oxalacetato
Fase III
isocitrato
malato
Alfa - cetoglutarato
Fumarato
Ciclo de los
ácidos tricarboxilos
succinato
CO 2
LA ENERGÍA EN LA CÉLULA
Las moléculas orgánicas complejas, tales como la glucosa contienen mucha energía
potencial a causa de su elevado grado de ordenación estructural; poseen una entropía
relativamente pequeña. Cuando la molécula de glucosa se oxida y forma seis moléculas
de CO 2 y seis de H2 O , sus átomos experimentan un aumento en el desorden. Como
resultado de esta transformación, la molécula de glucosa experimenta una pérdida de
energía libre que es energía útil y capaz de realizar trabajo. La energía libre se conserva,
como energía química, específicamente como ATP. Dado que el ATP formado puede
difundirse hacia aquellos lugares en la célula en que se necesite su energía, constituye
una forma de transportar la energía. La energía química del ATP se libera después,
durante la transferencia de su grupo o grupos fosfatos terminales, a determinadas
moléculas de un aceptor específico, que adquiere un nivel superior de energía y puede
realizar trabajo. Un segundo camino para transportar la energía química de las
reacciones de óxido-reducción del catabolismo a las reacciones anabólicas, que
necesita de energía, es en forma de electrones. En las síntesis de algunas biomoléculas
ricas en hidrógeno, tales como los ácidos grasos y el colesterol, se requieren electrones
e hidrógeno para la reducción de los enlaces dobles a simples. En La célula los
3
electrones son transportados enzimáticamente desde las oxidaciones productoras de
electrones tales como los dobles enlaces carbono-carbono o carbono-oxígeno, mediante
coenzimas transportadoras de electrones, la más importante es la nicotinamida-adenindinucleótido fosfato (NADP). El NADP desempeña de este modo, el panel de
transportador de electrones ricos en energía desde las reacciones catabólicas hasta las
reacciones anabólicas que los necesitan.
Distribución intracelular de las enzimas y de los sistemas enzimáticos
Las diferentes enzimas y sistemas enzimáticos se hallan localizados
característicamente, en una u otra organela o estructura intracelular de las células.
El sistema enzimático glicolítico está localizado en el citoplasma mientras que las
enzimas implicadas en la oxidación del piruvato, de los ácidos grasos y de algunos
aminoácidos están en la mitocondria donde también se hallan las enzimas de la cadena
respiratoria y de la fosforilación del ADP.
La ventaja de la compartimentación la constituye el hecho de que separa reacciones
químicamente incompatibles.
Por ejemplo, una célula puede realizar, a un mismo tiempo, la oxidación de los ácidos
grasos de cadena larga hasta el estado de ácido acético y el proceso inverso de
reducción del ácido acético para formar ácidos grasos de cadena larga. Estos procesos
químicamente incompatibles se producen en diferentes partes de la célula; la oxidación
en las mitocondrias y la reducción en el citoplasma extramitocondrial.
Regulación celular de las sendas metabólicas
La velocidad del catabolismo de una célula no es controlada por la concentración de los
elementos nutritivos del entorno, sino más bien por sus necesidades energéticas en
forma de ATP. La regulación de una ruta metabólica puede llevarse a cabo a varios
niveles. El tipo de regulación más sencilla implica los parámetros que afectan a las
velocidades de las reacciones enzimáticas (pH, concentración de enzima, concentración
de cada intermediario, concentración de iones metálicos y coenzimas esenciales, etc.).
El segundo mecanismo de regulación consiste en la acción de enzimas reguladoras que
se hallan localizadas, habitualmente, en el comienzo o en proximidades de una
secuencia multienzimática. El tercer nivel en que se ejerce la regulación metabólica es a
través del control genético de la velocidad de la síntesis enzimática. En organismos
multicelulares superiores el control se ejerce a través de sistemas endocrinos. Las
hormonas elaboradas por una glándula endocrina son mensajeros químicos que
estimulan o inhiben actividades metabólicas específicas en otros tejidos u órganos.
4
TEMA XIII: PRINCIPIOS DE BIOENERGETICA Y CICLO DEL ATP
Localización y propiedades del ATP y del ADP. Variación de energía libre estándar de
las reacciones químicas. Energía libre estándar de la hidrólisis del ATP. Compuesto con
enlace fosfato de bajo y alto nivel energético. Vías enzimáticas de la transferencia de
fosfato. Principio del intermediario común. Otros ribonucleótidos que participan en la
transferencia de energía en la célula 5' difosfato y 5' trifosfato. Papel del AMP y del
pirofosfato.
El sistema ATP - ADP actúa como transportador de energía química, ya que el ADP es
capaz de aceptar un grupo fosfato en las reacciones acopladas productoras de energía
del catabolismo, y el ATP así formado puede ceder su grupo fosfato terminal, en otras
reacciones acopladas que requieren energía.
En este capítulo examinaremos los principios químicos y termodinámicos en que se
basa el funcionamiento del sistema ATP - ADP.
LOCALIZACION Y PROPIEDADES DEL ATP Y EL ADP
El ATP fue aislado por primera vez, en 1.929 por Fiske y Subbarow, de los extractos
ácidos de músculo.
Su estructura se dedujo algunos años después, mediante experimentos de degradación
y fue definitivamente confirmada por síntesis química total realizada por Todd y sus
colegas en 1948. Desde los inicios del descubrimiento, se sospechó que el ATP
desempeñaba un papel en la transferencia de energía celular pero recién en 1939-1941
Lipmann propuso que actuaba como medio principal de transferencia de la energía
química en la célula.
El ATP, el ADP y el AMP no son sustancias que existen solo en trazas; la suma de sus
concentraciones en la fase acuosa de los diversos tipos de células intactas oscila entre 2
y 15 mM. La concentración de ATP es por lo común, muy superior a la suma de las otras
dos concentraciones del AMP, habitualmente es la menor de las tres.
Estos nucleótidos están presentes no sólo en el citoplasma, sino también en organelas
tales como mitocondrias y núcleo. La compartimentación intracelular del sistema ATP
constituye una característica importante en la regulación celular del metabolismo.
A pH 7,0 tanto ATP como ADP son aniones muy cargados, el ATP posee cuatro
protones ionizables en su grupo de ácido trifosfórico. Tres de los protones poseen
valores de pK (K = constante de disociación) bajo entre 2 y3; por lo tanto a pH 7,0 están
completamente disociados; el cuarto protón tiene un pK' de 6,5; por consiguiente a pH
7,0 se halla disociado en un 75%.
5
NH2
N
N
O
HO
P
O
O
OH
P
OH
ATP
O
P
N
N
O
OH 2
C
O
OH
H
H
H
H : hidrógenos que cede en su disociación
OH
OH
El ADP posee tres protones ionizables, dos de ellos están completamente disociados a
pH 7,0 y el tercero que posee un pK' de 7,2 a pH 7,0 se halla disociado alrededor del
39%.
La elevada concentración de cargas negativas en torno al grupo trifosfato del ATP
constituye un factor importante en su naturaleza de compuesto de alto contenido
energético.
En la célula intacta existen muy pocas cantidades de ATP y de ADP en forma de
aniones libres, se hallan presentes en su mayor parte en forma de complejos Mg ATP y
Mg ADP a causa de la gran afinidad de los grupos pirofosfato para enlazar cationes
divalentes y de la elevada concentración de ión Mg en el fluido intracelular. La afinidad
del ATP por el Mg es unas diez veces mayor que la del ADP.
mg
O
Adenina
Ribosa
O
-
P
O
O
O
P
O
O
O
P
O
-
mg-ATP
O
mg
O
Adenina
Ribosa
O
P
O
O
O
P
O
-
mg-ADP
O
En muchas de las reacciones enzimáticas en que participa el ATP como dador de
fosfato, su forma activa es la del complejo mg-ATP.
El ADP y el ATP pueden separarse y medirse con facilidad mediante electroforesis o por
cromatografía en capa fina.
PRINCIPIOS DE TERMODINAMICA QUIMICA
Una descripción de las bases físico-químicas de la función del ATP en el ciclo energético
de la célula, requiere un breve repaso de algunos principios de la termodinámica. El
análisis termodinámico de los intercambios energéticos se inicia por las siguientes
definiciones:
a. Sistema:
Es el conjunto de materia que es objeto de nuestro estudio.
6
b. Entorno: Toda materia del universo, aparte del sistema que se considera. En
el transcurso del proceso en estudio la energía puede pasar del sistema al
entorno, o viceversa.
c. Estado inicial: Es el contenido de energía del sistema y del entorno, al iniciar
el proceso que se analiza.
d. Estado final: Contenido de energía de sistema y entorno una vez que se ha
alcanzado el equilibrio.
El contenido de energía de cada estado es una función de diversas magnitudes
medibles (temperatura, presión, volumen, masa, etc.) que se formulan mediante una
ecuación de estado. A partir de las medidas de los cambios de contenido de energía del
sistema y el entorno, a medida que el sistema evoluciona desde su estado inicial hasta
su estado final, puede realizarse un balance de energía.
(Bloques de cobre)
caliente
frio
Estado inicial
Estado de equilibrio
La primera ley de termodinámica es el principio de conservación de la energía. La
energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma en una u otra forma (ej.
calorífica, química, mecánica, etc.).
La segunda ley establece algunas limitaciones en los tipos de transformaciones
energéticas que ocurren en los procesos físicos-químicos, y predice la dirección en que
es probable que ocurra un proceso determinado.
Establece que todos los procesos tienden a evolucionar en una dirección tal que la
entropía del sistema más la del entorno, aumenta hasta alcanzar un estado de equilibrio.
Entropía: Se define como el grado de desorden.
Equilibrio: Se define como aquel estado en que no ocurre ningún cambio físico o
químico ulterior, y en el que la temperatura, la presión y la concentración son uniformes
en todo el sistema.
UN SISTEMA DE EQUILIBRIO
1. Ha agotado su capacidad de realizar trabajo sobre su entorno,
2. El proceso no puede invertirse de modo espontáneo y volver a su estado inicial, lo
cual requerirá una disminución de entropía. Un sistema desordenado al azar no se
reordena por si mismo espontáneamente.
Los procesos que se realizan con aumento de entropía se denominan irreversibles. Los
procesos que tienen lugar sin cambio de entropía son reversibles.
Ejemplo: si tenemos bloques de piedra dispuestos al azar y queremos disponerlos de tal
modo que formen un arco la entropía o sea el grado de organización disminuye y es
reversible porque espontáneamente sin cambio de entropía puede pasar del orden al
7
desorden (arco a bloques al azar).
entropía ( S) elevada (desorden)
( S) disminuye
irreversible
espontáneo
exotérmico
reversible
endotérmico
S disminuye (orden)
S aumenta
En reacciones químicas los cambios de entropía ( ΔS ) no siempre pueden medirse o
calcularse con facilidad.
Sin embargo, el cambio de entropía durante un proceso está relacionado
cuantitativamente con los cambios de la energía total del sistema por una tercera
función, llamada energía libre, mediante una ecuación que combina la primera y la
segunda ley de termodinámica. Puesto que los cambios de la energía libre de las
reacciones químicas pueden medirse con relativa facilidad, esta ecuación resulta muy
útil para predecir la dirección y el equilibrio de las reacciones químicas. El cambio de
energía libre ( ΔG ) cuando la temperatura y presión son constantes se define del
siguiente modo:
G
H - T. S
(1)
En la que ΔH es la variación de entalpía, T la temperatura absoluta y ΔS variación de
entropía. La variación de entalpía ( ΔH) que también se denomina cambio calorífico, se
define mediante la ecuación:
H
E
PV
(2)
ΔE = variación de le energía total del sistema.
P = presión
V = volumen
En los sistemas biológicos las reacciones químicas tienen lugar en disoluciones acuosas
diluidas, en las que la temperatura, presión y volumen permanecen constantes. En estas
condiciones, ΔPV es cero, por lo tanto:
H
E
Si sustituimos en la ecuación (1)
G
E - T. S
E
G T. S
reordenamos la ecuación:
8
Con esta ecuación vemos que a temperatura y presión constantes la variación de
energía total del sistema ( ΔE ) (que es equivalente al cambio calórico ΔH) es la suma de
T.Δ. S más la variación de la energía libre.
La variación de energía libre puede definirse como aquella fracción del cambio de
energía total del sistema disponible para realizar trabajo a medida que el sistema
evoluciona hacia su estado de equilibrio, a T y P constantes. Mientras el sistema se
aproxima al equilibrio, la energía libre disminuye hasta un valor mínimo.
VARIACION DE LA ENERGIA LIBRE ESTANDAR EN LAS REACCIONES QUIIMICAS
El cambio de energía libre que tiene lugar durante las reacciones químicas se calcula
empleando una ecuación que puede derivarse de la ley de equilibrio químico. Para una
reacción general del tipo:
aA + bB
cC + dD
(3)
en la que a, b, c y d son el número de moléculas de A, B, C, y D que participan en la
reacción. El cambio de energía libre ( ΔG ) está dado por la ecuación:
ΔG
ΔG º RT ln
C .D
c
d
a
b
A .B
(4)
en la que los términos A, B, C y D son las concentraciones molares de A, B, C, y D y a,
b, c y d son ahora los exponentes de sus concentraciones. R es la constante de los
gases (1.987 cal mol-1 grado-1); T la temperatura absoluta y ΔGº la variación de energía
libre estándar.
Cuando la reacción (3) se halla en equilibrio, independientemente de las
concentraciones iniciales de A, B, C y D prevalece la condición que la energía libre es
mínima y no es posible ningún cambio ulterior; por tanto ΔG 0 . Entonces:
0 ΔGº RT ln
C .D
c
d
a
b
A .B
(5)
De donde:
ΔG º
RT ln
C .D
c
d
a
b
A .B
(6)
Puesto que la constante de equilibrio K'eq para la ecuación (3) es:
K' eq
C .D
c
d
a
b
A .B
(7 )
Podemos sustituir K'eq en la ecuación (6) y obtener la ecuación general:
9
ΔGº
RT ln (K' eq)
O bien:
ΔGº
2.303 RT log10 (K' eq)
(8)
Esta ecuación nos muestra que ΔGº , la variación de energía libre estándar de una
reacción química, puede calcularse a partir de su constante de equilibrio. La ΔGº
constituye, por lo tanto, una constante termodinámica para una reacción química dada.
Puede definirse de otro modo, que indica claramente su verdadero significado. La
variación de energía libre estándar de una reacción constituye, en realidad, la diferencia
existente entre la energía libre estándar de los reactivos y la energía libre estándar de
los productos, hallándose cada término ajustado a la estequiometría de la ecuación de
reacción:
ΔGº
Gº productos
Gº reaccionantes
Para la reacción (3) será:
ΔGº (c Gº C d Gº D ) (a Gº A b Gº B )
La energía libre estándar de un compuesto constituye la medida de la cantidad total de
energía libre que puede proporcionar por descomposición completa.
Es importante comprender la diferencia que hay entre ΔGº , que es la variación de
energía libre estándar, y ΔG que es la variación de energía libre medida o real. Esta
diferencia puede explicarse mejor utilizando una analogía. ΔGº es un valor constante
para una determinada reacción a una temperatura también determinada.
Por otra parte, ΔG varía con las concentraciones de los reaccionantes y de los
productos.
El valor de ΔGº únicamente es igual al de ΔG cuando todos los reactivos y todos los
productos están presentes a concentración 1,0M.
El valor de ΔG es el que determina si una reacción química ocurrirá en la dirección
escrita, partiendo de unas concentraciones de reaccionantes determinadas.
Recuérdese que una reacción química solamente ocurrirá si ΔG es negativo, es decir, si
la energía libre del sistema disminuye.
Las reacciones químicas con un ΔGº negativo reciben el nombre de exergónicas; se
realizan espontáneamente en la dirección en que están escritas. Si recordamos el
ejemplo de los bloques:
ordenado
ΔG º disminuye, es negativo
exergónica o exotérmica
espontánea
irreversible
desordenado
10
Las reacciones con un cambio de energía libre estándar positivo reciben el nombre
de endergónicas o endotérmicas, no se realizan de modo espontáneo en la dirección en
que se escriben. Volviendo al ejemplo:
desordenado
ΔG º aumenta, es postivo
endergónica o endotérmica
no es espontánea
reversible
ordenado
Ahora podemos exponer un ejemplo de la ΔGº a partir de la siguiente reacción:
glucosa_1_fosfato
glucosa_6_fosfato
ΔGº
R T ln(K' eq)
ΔGº
1.987 x 298 x 2.303 log19
1745 cal
1.745 Kcal
Puesto que ΔGº es negativo, la conversión de glucosa-1-fosfato en glucosa-6-fosfato es
exergónico. El análisis químico muestra que parte de una concentración 0,020 M de
glucosa-1-fosfato con un exceso de enzima y permitimos que la reacción ocurra en
sentido directo, o si partimos de la concentración 0,020 M de glucosa-6-fosfato y la
reacción transcurre en sentido inverso, las concentraciones de la mezcla final en
equilibrio son, en ambos casos, 0.001 M de glucosa-1-fosfato y 0,019 de glucosa -6fosfato a 25º C y pH 7,0.
Hay dos tipos de reacciones que tienen lugar con disminuciones especialmente grandes
de ΔGº , son la hidrólisis de los anhídridos y las reacciones de oxidación.
ΔGº de la hidrólisis del ATP
El camino más sencillo para determinar ΔGº para la reacción:
ATP
+
H2O
ADP
+
fosfato
(10)
Es determinar la constante de equilibrio y calcular ΔGº empleando la relación dada por
la ecuación (8):
ΔGº -2.303 R T log10 (K' eq)
La medida directa de la constante de equilibrio de la hidrólisis del ATP no es práctico.
Una de las razones, y la más importante, es que los métodos analíticos que se disponen
no son lo suficientemente precisos o sensibles para determinar con exactitud las
concentraciones de equilibrio de ATP, ADP y el ión fosfato, porque en el estado de
equilibrio el ATP se encuentra casi completamente hidrolizado en ADP y en ión fosfato.
En realidad, esto constituye un problema serio para muchas reacciones que poseen
11
grandes valores negativos de ΔGº .
Para poder medir el ΔGº de la hidrólisis del ATP, se descompone en cierto número de
etapas menores, las cuales pueden medirse más fácilmente.
Veremos un ejemplo: en primer lugar, se deja reaccionar al ATP con la glucosa, en
presencia de hexoquinasa para formar ADP y glucosa-6-fosfato. Se mide la constante de
equilibrio, y a partir de ella se calcula ΔGº .
hexoquinasa
ATP
+
glucosa
ADP
+
glucosa_6_fosfato
K'eq = 661
Gº = - 4.00 kcal
(11)
Se continúa después con la medida de la K'eq y la ΔGº de la reacción de hidrólisis de la
glucosa-6- fosfato catalizada por una fosfatasa.
fosfatasa
glucosa_6_fosfato
+
H2O
glucosa
+
fosfato Pi
K'eq = 171
Gº = - 3.30 kcal
(12)
La suma de las reacciones (11) y (12) es la ecuación de hidrólisis del ATP.
hexoquinasa
ATP
+
glucosa
ADP
+
glucosa_6_fosfato
+
H2O
glucosa
+
fosfato Pi
+
H2O
ADP
+
fosfato
fosfatasa
glucosa_6_fosfato
ATP
Puesto que los valores de ΔGº de las dos reacciones son aditivas, la ΔGº de la hidrólisis
del ATP puede calcularse a partir de ellos:
ΔGº ΔGº
ΔGº - 4.00 (-3.30) - 7.30 kcal
Es importante hacer notar que este valor está basado en que pH = 7,0; T = 37º C, en
presencia de exceso de ion Mg y concentraciones 1,0 M de los reaccionantes y de los
productos. El grupo fosfato terminal del ADP también posee una ΔGº de hidrólisis
relativamente grande. Es igual a -7,30 kcal.
ADP
+
H2O
AMP
+
Pi
ΔGº -7.3 kcal
Sin embargo el único grupo fosfato del AMP tiene un valor mucho menor:
12
AMP
+
H2O
adenosina
+
ΔGº -3.40 kcal
Pi
Lo que sucede es que los enlaces entre grupos fosfatos adyacentes son enlaces del tipo
de anhídrido, mientras que el enlace entre el fosfato y la ribosa en el AMP es un enlace
éster.
COMPUESTOS CON ENLACES FOSFATO DE ALTO Y DE BAJO NIVEL
ENERGÉTICO
En la escala termodinámica de ΔGº , el ATP es el único que posee un valor de ΔGº ,
intermedio.
Daremos el ΔGº de algunos compuestos fosforilados.
ΔGº (kcal)
Fosfoenol piruvato
……………………….
1-3 difosfoglicerato ……………………...
Fosfocreatina
……………………………..
Acetil-fosfato
……………………………..
Fosfoarginina
……………………………..
-14.80
- 11.80
- 10.30
-10,10
- 7.70
……………………………….
- 7.30
ATP
Glucosa-1- fosfato
……………………...
- 5.00
Fructosa-6-fosfato
Glucosa-6-fosfato
Gliceril-1-fosfato
……………………...
……………………...
…………………………
- 3.80
- 3.30
- 2.20
ΔGº
ATP
ΔG º
ATP
O sea que la función del sistema ATP-ADP, consiste en servir como transportador
obligatorio intermedio de grupos fosfato desde los compuestos con enlaces fosfato de
elevado nivel energético, situados por encima del ATP en la escala termodinámica,
hasta las moléculas aceptoras que forman compuestos con enlaces fosfato de bajo nivel
energético situados en la escala por debajo del ATP.
COMPUESTOS FOSFATO DE ALTO NIVEL ENERGETICO
Hay dos clases de compuestos fosforilados que poseen una ΔGº de hidrólisis más
negativa que la del ATP:
1. Los compuestos fosfato que se forman durante la ruptura enzimática de
moléculas combustibles.
2. Los compuestos fosfato utilizados como almacenadores de la energía del enlace
13
fosfato.
Los dos miembros más importantes de la primera clase son el 1-3 difosfoglicerato y
el fosfoenol piruvato, los cuales se forman durante la fermentación anaerobia de la
glucosa (glucólisis).
1-3 difosfoglicerato
+
ADP
3 fosfoglicerato
ATP
+
H 2O
ADP
+
+
ΔG º -4.5 kcal
ATP
ΔG º -7.3 kcal
Pi
Total
-11.80 kcal
Los compuestos fosfato de elevado nivel energético, que actúan como reservorio de la
energía de enlaces fosfato, reciben con frecuencia el nombre de fosfágenos. Los dos
fosfágenos principales son la fosfocreatina hallada en muchos vertebrados, y la
fosfoarginina, presente en muchos invertebrados. Ambos se forman a partir de la
creatina y de la arginina por transferencia de grupos fosfato desde el ATP en reacciones
catalizadas por la creatin-fosfoquinasa y la arginin-fosfoquinasa, respectivamente.
Ambas reacciones son reversibles pero el equilibrio se halla desplazado hacia la
formación de ATP.
fosfocreatina
+
ADP
creatina
+
ATP
COMPUESTOS FOSFATO DE BAJO NIVEL ENERGETICO
La mayoría de los compuestos fosfato pobres en energía son ésteres fosfóricos de
alcoholes. Se conocen muchas enzimas que catalizan la transferencia de grupos fosfato
desde el ATP a aceptores de fosfato específicos, para formar compuestos fosfato pobres
en energía; entre las enzimas mencionadas se hallan la glicero quinasa y la
hexoquinasa, que catalizan la transferencia de fosfato desde el ATP a la glicerina y
desde el ATP a la D-glucosa, respectivamente.
ATP
+
glicerina
ADP
+
glicerol_3_fosfato
ΔGº -4.5 kcal
ATP
+
D-glucosa
ADP
+
D.glucosa_6_fosfato
ΔGº -7.3 kcal
RUTAS ENZIMATICAS DE LA TRANSFERENCIA DE FOSFATO
Fosfoenol piruvato
Dadores de P de alta energía
P
Reservorio de fosfocreatina
1-3 difosfoglicerato
P
P
ATP
Aceptores de P
de baja energía
P
P
Glucosa_6_fosfato
Glicerol_3_fosfato
14
La figura es un esquema de las reacciones enzimáticas de transferencia de fosfato en la
célula. Constituye un rasgo importante que el sistema ATP-ADP sea el nexo de unión
obligado entre los compuestos fosfato de elevado y de bajo nivel energético. Los grupos
fosfato se transfieren, en primer lugar, mediante la acción de fosfotransferasas
específicas, desde compuestos de alto nivel energético al ADP, como en el ejemplo:
fosfoenol piruvato
+
ADP
piruvato -
piruvato
+
ATP
quinasa
El ATP así formado se transforma entonces en el dador de fosfato específico de una
segunda reacción enzimática, para formar compuestos fosfato de baja energía.
hexoquinasa
ATP
+
D-glucosa
ADP
+
D-glucosa_6_fosfato
La reacción global es la siguiente:
fosfoenol piruvato
+
D-glucosa
piruvato
+
D-glucosa_6_fosfato
El resultado final es la transferencia de un grupo fosfato desde un donador de energía
elevado a un aceptor de bajo nivel energético, a través del sistema ATP-ADP, que actúa
como intermediario. El contenido de energía de la D-glucosa se ha elevado al
fosforilarse, la glucosa-6-fosfato puede considerarse una forma de glucosa que ha
recibido energía. En el flujo principal de reacciones transferidoras de energía de la
célula, la transferencia del fosfato nunca se produce directamente desde un compuesto
de elevado nivel energético como el 1-3 difosfoglicerato a un aceptor de fosfato de bajo
nivel energético, como por ejemplo, la glicerina, no se han encontrado enzimas capaces
de catalizar tales transferencias directas de fosfato. Esencialmente, todas las reacciones
de transferencia de fosfato en la célula tienen que efectuarse a través del sistema ATPADP.
La figura también muestra el papel de reservorio desempeñado por la fosfocreatina, que
se forma por transferencia enzimática directa de un grupo fosfato desde el ATP a la
creatina; no existe ningún otro camino para su formación. Además, la única ruta principal
conocida para su desfoforilación es la inversa de la reacción por la que se forma. El
sistema reservorio de la fosfocreatina es muy importante en el músculo esqueletal.
También se encuentra en el músculo liso y en las células nerviosas, y en pequeñas
cantidades en el hígado, riñón y otros tejidos de mamíferos.
PRINCIPIO DEL INTERMEDIARIO COMUN
En dos reacciones consecutivas en que un producto de la primera es un sustrato de la
segunda, como ocurre en las siguientes reacciones:
A
+
B
C
+
D
D
+
E
F
+
G
15
ambas reacciones están ligadas por un intermediario común, en este caso el
componente D.
El único camino mediante el cual la energía química puede ser transferida desde una
reacción a otra en condiciones isotérmicas es el de que ambas reacciones posean un
intermediario de reacción común. Casi todas las reacciones metabólicas de la célula se
realizan mediante secuencias de esta clase.
En las reacciones consecutivas, responsables de la transferencia de energía a través del
ATP, la energía química se transfiere desde un dador fosfato de elevada energía hasta
el ADP, y se conserva en forma de ATP como producto de reacción. En la reacción
subsiguiente, el ATP se comporta como un sustrato, y cuando pierde su grupo fosfato
terminal, que cede a la molécula del aceptor, ésta última aumenta su contenido
energético. Por lo tanto, el ATP es el intermediario común.
En realidad, la transferencia de intermediarios comunes constituye un atributo general de
las reacciones químicas consecutivas y no necesita por fuerza, ni grupos fosfatos, ni
ATP.
En efecto, veremos que muchos grupos funcionales distintos del fosfato, por ejemplo,
átomos de hidrógeno, grupos acetilo, se transfieren enzimáticamente mediante
reacciones consecutivas que poseen intermediarios comunes, tales reacciones pueden
analizarse termodinámicamente por los mismos métodos que se han desarrollado para
el caso especial de las transferencias del grupo fosfato.
CANALIZACION DE GRUPOS FOSFATO POR LA VIA DE OTROS NUCLEOSIDOS 5'
TRIFOSFATO
Aunque el sistema ATP-ADP constituye el transportador obligado de fosfato en el flujo
principal de transferencia de energía en la célula, también participan en dichas
transferencias los 5' di y trifosfatos de otros ribonucleósidos y los 2
desoxirribonucleósidos.
Los 5' di y trifosfatos de diversos ribonucleósidos no solamente actúan como precursores
en la síntesis de ARN, sino también canalizan los grupos fosfato de alto contenido en
energía hacia reacciones biosintéticas específicas.
P
ATP
P
UTP
ATP
P
GTP
ATP
P
CTP
ATP
P
CTP
P
GTP
P
UTP
Polisacáridos
Proteínas
Lípidos
ARN
ATP
P
d ATP
P
d GTP
P
d TTP
P
d CTP
ADN
16
Todas estas canalizaciones conectan con el ATP mediante la enzima nucleósidos
difosfoquinasa presente en las mitocondrias y en el citoplasma de la célula, cataliza las
reacciones del tipo mostrado en el esquema.
Cada tipo de nucleósido trifosfato posee una función especializada. Por ejemplo: el
UTP es el dador de fosfato inmediato, y por lo tanto el donador de energía de reacciones
que conducen a la síntesis de polisacáridos.
PAPEL DEL AMP Y DEL PIROFOSFATO
Aunque el ADP constituye el producto de muchas reacciones celulares que emplean el
ATP, y el ADP es el aceptor directo del fosfato en las reacciones productoras de energía
de la glicólisis y de la fosforilación oxidativa de la mitocondria; en muchas de las
reacciones que utilizan el ATP en la célula los dos grupos fosfato terminales de éste se
separan conjuntamente en forma de pirofosfato y se libera AMP como producto.
AMP
ATP
+
PPi
El pirofosfato inorgánico es un compuesto fosfato de nivel energético elevado que posee
un ΔGº de hidrólisis comparable al fosfato terminal del ATP. Para regenerar el ATP a
partir de PPi y AMP intervienen dos enzimas auxiliares: la pirofosfatasa inorgánica y la
adenilato-quinasa. La primera cataliza la hidrólisis del pirofosfato inorgánico (PP i).
PPi
+
H2O
2 Pi
Esta hidrólisis secundaria del pirofosfato constituye una etapa valiosa de liberación de
energía, la cual se utiliza para asegurar que ciertas reacciones biosintéticas se realicen
por completo.
El Pi formado se utiliza para la regeneración del ATP a partir de ADP. La adenilatoquinasa cataliza la refosforilación del AMP a ADP.
ATP
+
AMP
ADP
+
ADP
El ATP, el ADP y el AMP de la célula existen en concentraciones constantes.
17
TEMA XIV: GLUCOLISIS
Vamos a considerar los mecanismos por los que las moléculas combustibles se
degradan y su energía se conserva en forma de energía de enlace fosfato ATP.
Se estudiarán los procesos conocidos como fermentación, mediante el cual muchos
organismos extraen energía química de la glucosa y otros combustibles en ausencia de
oxígeno molecular.
Nos referimos primeramente el proceso de fermentación para luego poder hablar de
respiración.
FERMENTACION Y RESPIRACION
Los organismos inferiores que viven en condiciones anaerobias (ciertas bacterias,
invertebrados inferiores) obtienen su energía de la fermentación de la glucosa. Los
organismos que viven en condiciones aerobias (hongos, bacterias, mayoría de los
animales y plantas superiores) degradan sus combustibles por la ruta anaerobia pero
después oxidan los productos de la fermentación utilizando el oxígeno molecular.
En esta fermentación el oxidante final o aceptor final es una molécula orgánica
producida en el proceso fermentativo.
En los organismos superiores la ruta anaerobia es una primera etapa de la fase aerobia
de la respiración.
Utilización de la glucosa por los organismos inferiores superiores:
La ruta de la fermentación es común tanto en la utilización anaerobia de la glucosa como
en la aerobia.
Anaerobios
Aerobios
glucosa
sin O2
glucosa
fermentación
productos de la fermentación
fermentación
sin O2
productos de la fermentación
con CO 2
CO2 + H2O
Entre las clases de fermentación nombraremos la fermentación homoláctica y la
alcohólica.
 La fermentación homoláctica: La molécula de glucosa de 6 átomos de carbono
se degrada a dos moléculas de ácido láctico de tres átomos de carbono. Este
18
proceso se denomina glucólisis que significa lisis de la glucosa.
 La fermentación alcohólica: La molécula de glucosa de 6 átomos de carbono se
degrada a dos moléculas de etanol de 2 átomos de carbono y 2 de CO 2 .
1. Glucosa
C
C
C
C
2. Glucosa
C
C
C
C
C
triosas
C
C
C
C
C
C
C
triosas
C
C
ácido
láctico
ácido
láctico
CH3
CH3
CH OH
CH OH
COOH
COOH
C
C
C
C
C
C
etanol
etanol
CH3
CH3
CH2 OH
CH2 OH
+
+
CO 2
CO 2
En estas reacciones tenemos que hablar de las reacciones de óxido reducción que se
producen en todo organismo donde el agente oxidante recibe los electrones y el agente
reductor entrega electrones.
En este caso de la fermentación alcohólica el etanol es una molécula relativamente
reducida rica en H 2 , pobre en O 2 . La molécula de CO 2 es relativamente oxidada, pobre
en H 2 .
En el caso de la fermentación homoláctica el grupo metilo se halla más reducido que el
grupo carbonilo. Veamos la reacción completa:
Ácido láctico
1. Glucosa
O
C
H
CH3
HC OH
HO C
H
+
2 Pi
+ 2 ADP
CH OH
2
HC OH
+ 2 ATP + 2 H2O
COOH
HC OH
CH2 OH
2. Glucosa + 2 Pi + 2 ADP
2 CH3
+
2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O
CH2 OH
Etanol
19
ANALIZAREMOS LA REACCION ENERGETICA DE LA GLUCOLISIS
1) La conversión de glucosa en lactato es exergónica y 2) la formación de ATP a
partir de ADP y de Pi es endergónica.
Se deduce de estos datos que la transformación de glucosa en lactato proporciona
energía para producir la fosforilación de 2 moléculas de ADP a ATP. Esta reacción es
irreversible. Lo demuestra el ΔGº negativo.
ETAPA DE LA GLUCOLISIS:
La glucólisis es catalizada por la acción de un grupo de 11 enzimas. Se cree que están
localizadas en la porción soluble del citoplasma. Se pueden considerar dos etapas o
fases. En la primera fase la glucosa se fosforila y se escinde pare formar gliceraldehído
3 P; y en la segunda fase éste se convierte en ácido láctico.
 LA FASE I: Constituye un proceso preparativo o de congregación en el que cierto
número de hexosas penetran en el esquema, después de fosforilarse a expensas
del ATP, y dan un producto común, el gliceraldehído 3 P.
 LA FASE II: Es la ruta común para todos los azúcares, se produce la fosforilación
del ADP y se llevan a cabo las reacciones de óxido reducción, obteniéndose el
lactato.
En este proceso hay tres tipos de transformaciones interconectadas.
1º.La ruta de los átomos de carbono: o sea degradación de la glucosa para
formar ácido láctico.
2º.La ruta del fosfato: o sea que el Pi (fósforo inorgánico) se transforma en P
del ATP.
3º.-
La ruta de los electrones: o sea las reacciones del óxido-reducción.
20
almidón
glucogeno
glucosa
ATP
Pi
glucosa-1-P
FASE I
Congregación de azúcares sencillos y
su
conversión
en
fosfato
ADP
galactosa
manosa
pentosa
glucosa-6-P
de
gliceraldehído; entrada de ATP
fructosa-6-P
ATP
ADP
fructosa-1-6-di P
glicealdehído-3-P (2)
2 NAD+
Pi
1,3 difosfoglicerato (2)
FASE II
2 NADH
2 ADP
2 ATP
3 difosfoglicerato (2)
Oxidación - reducción y formación
acoplada de ATP; salida de lactato
2 difosfoglicerato (2)
fosfoenolpiruvato (2)
2 ADP
2 ATP
piruvato (2)
2 NAD+
2 lactato
21
1. Fosforilación de glucosa por el ATP: catalizada por dos enzimas: la
hexoquinasa y glucoquinasa.
ATP
+
glucosa
Mg++
ADP
+
Gº
glucosa-6-P
4 kcal
Es una reacción irreversible.
La hexoquinasa es de mayor afinidad que la glucoquinasa por la glucosa. La
glucoquinasa solo actúa cuando hay alta concentración de glucosa en sangre; las
dos enzimas necesitan del catión Mg ó Mn para formar el verdadero sustrato que
es Mg Mn ATP . La hexoquinasa actúa también fosforilando otras hexosas. La
reacción es irreversible.
CH2
CH2 OH
OPO 3=
O
O
H
H
H
+
OH
ATP
ADP
OH
OH
H
OH
OH
OH
H
OH
glucosa
OH
glucosa-6-fosfato
2. Conversión de glucosa-6-P
fosfoglucoisomerasa.
CH2
ΔG º -4 kcal
+
H
H
H
H
H
OPO 3=
a
CH2
O
H
fructosa-6-P:
H
OH
CH2
H
OH
OH
H
la
OH
H
glucosa-6-P
OH
ΔGº
H
OH
OH
por
OPO 3=
O
H
OH
Catalizada
0.4 kcal
(reacción reversible)
OH
fructosa-6-P
3. Fosforilación de la fructosa-6-fosfato a fructosa 1-6 difosfato. Interviene una
segunda molécula de ATP. Esta reacción es catalizada por la fosfofructoquinasa.
CH2
OPO 3=
O
CH2
CH2
+
OH
OH
H
OH
ATP
CH2
ADP
OH
OPO 3=
ΔG º -3.4 kcal
+
H
OH
OPO 3=
O
OH
H
OH
OH
H
(reacción irreversible)
OH
22
4. Escisión de la fructosa 1 - 6 difosfato por una aldosa (la fructosa-1-6-difosfato
gliceraldehído 3-liasa) dando fosfato de dihidroxiacetona + gliceraldehído-3fosfato.
1.
CH2
2.
C
OPO 3=
H
O
1. CH2
OPO 3=
4.
C
3. HO CH
2. C
O
ΔGº
O
+
5.73 kcal
5. H COH
4. H COH
3. CH2
6.
OH
CH2
OPO 3=
5. H COH
6.
CH2
OPO 3=
fructosa 1-6-di P
(cadena abierta)
gliceraldehído 3-P
fosfato de
dihidroxiacetona
INTERCONVERSION DE LOS FOSFATOS DE TRIOSA
Solamente uno de los dos fosfatos de triosa, el gliceraldehído 3-fosfato, puede ser
directamente degradado en las reacciones posteriores de la glucólisis. El otro, el
fosfato de dihidroxiacetona, se convierte reversiblemente en gliceraldehído-3-fosfato
por acción de la enzima triosa fosfato isomerasa.
O
CH2 OPO 3=
C
H
ΔGº 1.83 kcal
C
O
CH2 OH
H C OH
CH2 OPO 3=
Así en la primera fase una molécula de glucosa da dos moléculas de gliceraldehído
3 P.
SEGUNDA FASE
1. Oxidación del gliceraldehído 3 P a 1-3 difosfoglicerato.
La enzima que actúa es G_3_fosfato deshidrogenasa, o gliceraldehído 3 fosfato
deshidrogenasa.
2 gliceraldehído-3-P + 2 NAD+ + 2 Pi
(2) 1,3 di-fosfoglicerato + 2 NADH + 2 H+
23
O
C
O
PO 3=
H
C
HC
O
+ NAD+ + Pi
2 H COH
2 CH2
OH
+
PO 3= + NADH + H
O
ΔG º 1.5 kcal
CH2 OPO 3=
El NAD+ y el NADH transportan los electrones.
2. Transferencia de fosfato desde el 1-3 difosfoglicerato al ADP.
El 1-3 difosfoglicerato + ADP da 3-fosfoglicerato + 2 ATP; es catalizada la
reacción por la enzima fosfogliceratoquinasa.
O
1. C
3.
O
2. H COH
PO 3=
+ ADP
CH2 OPO 3=
2. H COH
ΔGº
+ ATP
4.50 kcal
(reacción irreversible)
3. CH2
1.
OPO 3=
COO
-
3. Conversión del 3-fosfoglicerato dando 2-fosfoglicerato.
Actúa la fosfogliceratomutasa.
CH2 OPO 3=
H COPO 3=
H COH
COO
CH2 OH
-
3-fosfoglicerato
COO
ΔG º 1.06 kcal
-
2-fosfoglicerato
4. El 2-fosfoglicerato da fosfoenolpiruvato + H20 por medio de una enzima, la
enolasa, en un proceso de deshidratación.
24
CH2 OH
CH2
enolasa
H COPO 3=
COO
-
C
COO
2-fosfoglicerato
O
PO 3=
+ H2O
ΔG º
0.44 kcal
-
fosfoenolpiruvato
5. Transferencia de fosfato desde el fosfoenolpiruvato al ADP.
El fosfoenolpiruvato da piruvato por una enzima piruvato quinasa en presencia de
ADP y Mg .
CH3
CH2
ΔG º
C
O
COO
PO 3=
+ ADP
-
ATP +
C
O
COO
fosfoenolpiruvato
7.5 kcal
(reacción irreversible)
-
piruvato
6. Reducción de piruvato a lactato. Piruvato da lactato por medio de lactato
deshidrogenasa.
CH3
C
CH3
O
COO
-
piruvato
+ NADH + H+
+
H COH + NAD
COO
ΔGº
6.0 kcal
-
lactato
En condiciones anaerobias el lactato es producto final de la glucólisis el cual difunde
a través de la membrana plasmática de la célula hacia el entorno como producto de
desecho. Cuando las células musculares de los animales superiores actúan de
manera
anaerobia
durante
cortos
esfuerzos
de
actividad
vigorosa
(excepcionalmente) el lactato escapa desde las células musculares a la sangre y es
transformado nuevamente en glucosa en el hígado.
25
BALANCE GLOBAL
2 ADP
glucosa + 2 ATP + 2 NAD+ + 2 Pi + 4 ADP + 2 NADH+ + 2 H+
2 lactato + 2 ADP +
+ 2 ATP + 2 NADH + 4 ATP + 2 H2O + 2 H+ + 2NAD+
glucosa + 2 Pi + 2 ADP
2 lactato + 2 ATP + 2 H2O
ENTRADA DE LOS OTROS HIDRATOS DE CARBONO
Los polisacáridos de reserva el glucógeno, almidón, azúcares sencillos distintos de
la glucosa penetran en la primera fase de la glucólisis.
El glucógeno y el almidón penetran por la acción de dos enzimas que actúan sobre
los extremos terminales no reductores de la molécula, escindiendo los enlaces alfa
(1-4). Otra enzima actúa sobre las ramificaciones alfa (1-6) dando glucosa-1-fosfato
para luego dar glucosa-6-fosfato. Los azúcares sencillos una vez fosforilados, por ej.
: manosa-6-P, fructosa-6-P recién penetran al ciclo.
manosa + ATP
manosa-6-P + ADP
fructosa + ATP
fructosa-6-P + ADP
26
TEMA XV: CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS Y VIA DEL
FOSFOGLUCONATO
Energética de la fermentación y respiración. Plan de organización de la respiración.
Oxidación del piruvato a acetil CoA. Ciclo de Krebs. Vías del fosfogluconato.
Las células aerobias obtienen la mayor parte de su energía de la respiración, esto
es, gracias a una transferencia de electrones desde les moléculas orgánicas
combustibles hasta el oxigeno molecular. La respiración es mucho más compleja
que la glicólisis.
En este tema se esboza el plan general de le respiración y después se considera
con detenimiento el ciclo del ácido tricarboxílico de Krebs, que es la ruta catabólica
común por la que finalmente se degradan todas las moléculas combustibles de la
célula (carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos).
También se describe la ruta del fosfogluconato de oxidación de la glucosa,
mecanismo que genera potencial de reducción para las reacciones biosintéticas.
ENERGETICA DE LA FERMENTACION Y LA RESPIRACION
En la glicólisis se libera solamente una fracción muy pequeña de la energía química
potencialmente asequible en la estructura de la molécula de glucosa. Se libera más
energía cuando ésta se oxida completamente a CO 2 y H2 O como se pone de
manifiesto al comparar las variaciones de energía libre estándar de la conversión
anaerobia de la glucosa en lactato y de su oxidación a CO 2 y H2 O .
glucosa
glucosa + 6 O2
2 lactato
ΔG º
6 CO2 + 6 H2O
47 kcal
ΔG º
686 kcal
Cuando las células fermentan a la glucosa anaerobiamente, los productos que ya no
son susceptibles de ulterior empleo, y por ello abandonan la célula, todavía
contienen la mayor parte de la energía de la molécula de glucosa original. Por esta
razón, las células que viven anaerobiamente, para obtener una misma cantidad de
energía utilizable tienen que consumir mucho más glucosa que cuando viven en
condiciones aerobias.
¿Por qué rinde la respiración mucho más energía que la glicólisis?
En primer lugar, el producto de la glicólisis, el ácido láctico, es una molécula casi tan
compleja como la de glucosa y sus átomos de carbono todavía se hallan en un
mismo estado de oxidación. El CO 2 , producto de la respiración, es una molécula
mucho más sencilla y pequeña que la glucosa, y su átomo de carbono está
completamente oxidado. En segundo lugar, la cantidad de energía que se libera en
la transferencia de un par de electrones desde una molécula combustible
determinada a un aceptor electrónico, varía con la naturaleza del aceptor. Puede
liberarse mucha más energía cuando el aceptor electrónico el oxígeno molecular,
como ocurre en la respiración, que cuando es el piruvato el que actúa como aceptor,
que es el caso de la glicólisis.
27
ORGANIGRAMA RESPIRATORIO
En la figura se muestra un diagrama de la respiración. lkk
Los grupos acetilo procedentes de los carbohidratos, de los lípidos y de los
aminoácidos en la fase II del catabolismo, en la siguiente fase III se incorporan al
ciclo de Krebs, que en las aerobias constituye la ruta común final del catabolismo
oxidativo de todas las moléculas combustibles. En este ciclo los grupos acetilo se
desintegran para formar CO 2 y átomos de hidrógeno. Estos últimos (o sus electrones
equivalentes) posteriormente se incorporan a la cadena respiratoria constituída por
una serie de transportadores electrónicos.
El proceso subsiguiente de transporte de electrones hasta el oxígeno molecular se
realiza con un descenso muy grande de energía libre, gran parte de la cual se
conserve en forma de ATP, gracias a la fosforilación oxidativa acoplada del ATP.
La reacción global catalizada por el ciclo de Krebs es la siguiente:
CH3COOH + 2 H2O
2 CO2 + 8 H +
Como puede verse en la ecuación, no participan en el ciclo ni el oxígeno molecular,
ni el fosfato inorgánico, ni el ATP.
Su función primaria consiste en la deshidrogenación del ácido acético para formar,
en último término, dos moléculas de CO 2 y cuatro pares de átomos de hidrógeno.
Este proceso es catalizado en una serie cíclica de reacciones consecutivas, en
contraste con la secuencia glicolítica, que es lineal.
En cada vuelta del ciclo de Krebs se incorpora una molécula de ácido acético (dos
átomos de carbono) por condensación con una molécula del compuesto de cuatro
carbonos, el ácido oxal acético, para formar el ácido cítrico de seis átomos de
carbono.
Posteriormente, el ácido cítrico se degrada con producción de dos moléculas de
CO2 y ácido succínico, compuesto de cuatro átomos de carbono. Finalmente, este
último se oxida a ácido oxalacético, con lo que puede iniciarse de nuevo una vuelta
del ciclo. En cada una de las vueltas se incorpora una molécula de ácido acético y se
eliminan dos moléculas de CO 2 , en cada giro completo se emplea también una
molécula de oxal acetato para formar citrato, pero aquel se regenera al final del
ciclo.
Por tanto, cuando el ciclo funciona no hay pérdida neta de oxalacetato, basta con
una molécula para llevar a cabo la oxidación de un número infinito de moléculas de
acetato.
Las reacciones enzimáticas del ciclo de Krebs tienen lugar en el compartimiento
interno de la mitocondria (a diferencia de la glucolisis que tiene lugar en el
citoplasma celular).
28
Carbohidrato
Aminoacidos
Movilización del
Ácidos
grasos
Piruvato
acetil CoA
2H
CO2
Acetil-CoA
oxalacetato
citrato
cis-aconitato
malato
Ciclo del ácido
tricarboxilo
CO2
-oxoglutarato
CO2
succinato
fumarato
2H
isocitrato
2H
2H
ATP
NAD
ADP + Pi
2H
flavoproteina
coenzima Q
Transporte electrónico
y fosforilación
oxidativa
citocromo b
ADP + Pi
2H
+
ATP
citocromo c
citocromo a + a3
+
ADP A Pi
2 H+ + 1/2 O2
ATP
H2O
29
Oxidación del Piruvato a acetil CoA
O
Piruvato
NAD+
CH3
NADH2
COOH
O
CO2
HS-CoA
C
CH3
C
S
CoA + CO
2
Acetil-CoA
La ecuación global es:
Piruvato + NAD + + HSCoA
acetil-S-CoA+ NADH2 + CO 2
Gº
8.0 kcal
La oxidación de piruvato a acetil-SCoA, catalizada por el sistema piruvatodeshidrogenasa, en realidad constituye un proceso muy complejo.
A causa del gran descenso de energía libre estándar, la reacción es esencialmente irreversible. Aunque en si misma no forma parte del ciclo del ácido
tricarboxílico, constituye una etapa obligatoria, mediante le cual los hidratos de
carbono se incorporan al ciclo.
En este proceso participan dos coenzimas importantes: CoA y ácido lipoico.
CoA: Actúa como transportador de grupos acilo, efectuando una función análoga
a la que desempeña el ATP como transportador de grupos fosfato. La forma
acetilada de la coenzima A (acetil CoA) es un tioéster del ácido acético. El
tioéster es un enlace de elevado contenido energético, es decir, posee un Gº
fuertemente negativo.
acetil-S-CoA + H2O
acetato + CoA - SH
Gº
7.52 kcal
 Ácido lipoico: es un factor de crecimiento para algunos microorganismos, un
ácido graso saturado de 8 átomos de carbono, en el que los carbonos 6 y 8 están
unidos por un grupo disulfuro formando un anillo de cinco términos.
CH2
S
CH2
S
CH
(CH 2)4
30
COOH
La decarboxilación oxidante del piruvato a acetil CoA CO2 necesita tres enzimas
diferentes y 5 coenzimas que constituyen el:
enzimas
Piruvato-deshidrogenasa
dihidrolipoil-transacetilasa
dihidrolipoil-deshidrogenasa
coenzimas
Coenzima A
ácido lipoico
Pirofosfato de tiamina (TPP)
NAD
FAD
Sistema de la
piruvato-deshidrogenasa
REACCIONES INDIVIDUALES DEL CICLO DEL ACIDO TRICARBOXILICO
La acetil-CoA formada como producto final de la piruvato-deshidrogenasa se
encuentra ahora dispuesta para incorporarse al ciclo de Krebs.
1. Se produce la condensación de la acetil-CoA con el oxalacetato, para formar
citrato. La reacción es catalizada por la citrato-sintetasa.
O
Acetil - CoA
CH3
C
S
CoA
CoA
SH
COOH
COOH
C
oxalacetato
CH2
O
HO
C
citrato
COOH
CH2
CH2
COOH
COOH
En esta reacción el grupo metilo (CH3 ) de la acetil CoA se condensa con el átomo
de carbono carbonílico del oxalacetato con la hidrólisis del enlace tioéster y
formación de la CoA SH libre.
O
C
2. Actúa una enzima, la aconitasa que cataliza la formación de isocitrato con
formación de un compuesto intermedio el cis-aconitato. En esta reacción se
produce pérdida, y posterior adición de agua.
H2O
OH
COOH
CH2
C
CH2
COOH
citrato
COOH
COOH
CH2
C
CH
COOH
COOH
cis-aconitato
31
H2O
COOH
CH2
CH
CH
COOH
OH
COOH
isocitrato
3. Se produce una oxidación del isocitrato y pérdida de CO 2 . La reacción es
catalizada por la isocitrato-deshidrogenasa ligada al NAD , que requiere Mg ó
Mn para su actividad.
CO2
COOH
CH2
CH
CH
COOH
OH
O
COOH
NAD+
isocitrato
COOH
CH2
NADH2
La reacción transcurre con gran descenso de
exergónica.
CH2
C
COOH
alfa-cetoglutarato
Gº es una reacción altamente
4. La oxidación de alfa-cetoglutarato a succinato se produce en dos etapas.
a. En la primera el alfa-cetoglutarato experimenta una decarboxilacíón oxidativa
para formar succinil-S-CoA y CO 2 .
Esta reacción es comparable a la de la oxidación del piruvato a CoA y se
produce por el mismo mecanismo con intervención de:
+
NAD
+
pirofosfato de tiamina ácido lipoico FAD
que participan como cofactores necesarios ligados a la enzima succinil-CoAsintetasa.
b. El producto final de la reacción la succinil-CoA que es un tioéster de elevado
contenido energético, experimenta pérdida de su grupo CoA, pero no por una
simple reacción de hidrólisis sino por una reacción con el GDP y fosfato en el
que se conserva la energía.
succinil-CoA + Pi + GDP
succinato + CoA
SH
+ GTP
A continuación el GTP formado en esta reacción cede terminal al ADP para
formar ATP.
GTP + ADP
GDP + ATP
La reacción es catalizada por la nucleósido-difosfoquinasa. Este tipo de
fosforilación se designa como fosforilación a nivel de sustrato, para distinguirla
de las fosforilaciones ligadas a la cadena respiratoria.
5. El succinato es oxidado a fumarato en una reacción catalizada por la succinatodeshidrogenasa que contiene FAD como coenzima que actúa como aceptor de
32
hidrógeno.
COOH
CH2
CH2
COOH + FAD
COOH
CH
succinato
CH
COOH + FADH2
fumarato
6. Se produce una hidratación del fumarato dando malato, actuando coma catalizador la fumarasa.
OH
COOH
CH
CH
COOH + H2O
COOH
Fumarato
C
CH2
H
Malato
COOH
7. En la última reacción del ciclo la malato-deshidrogenasa dependiente del NAD
cataliza la oxidación del malato a oxalacetato.
OH
COOH
C
O
CH2
+
COOH + NAD
COOH
C
CH2
COOH + NADH2
H
Malato
Oxalacetato
Podemos ahora resumir los productos producidos en una vuelta del ciclo del ácido
tricarboxílico.
Dos átomos de carbono aparecen en forma de CO 2 equivalentes, aunque no
idénticos, a los dos átomos de carbono del grupo acetilo que ingresa en el ciclo. Por
deshidrogenación enzimática se producen cuatro pares de átomos de hidrógeno,
tres pares se utilizan para reducir el NAD y uno para reducir el FAD.
En último término, estos cuatro pares de átomos de hidrógeno y electrones se
combinan con el oxígeno, una vez realizado su transporte a lo largo de la cadena
respiratoria.
RUTA DEL FOSFOGLUCONATO O VIA DE LAS PENTOSAS
Muchas células disponen, además del ciclo del ácido tricarboxílico, de otra ruta de
degradación de la glucosa cuya primera reacción es la oxidación de la glucosa-6fosfato a 6-fosfato gluconato.
La ruta del fosfogluconato, conocida como ruta de los fosfatos de pentosa o
desviación del monofosfato de hexosa, no es una ruta principal de oxidación de la
glucosa.
Su objetivo primordial, en la mayor parte de las células, es obtener NADP reducido
en el citoplasma extramitocondrial.
Una segunda función es la producción de pentosas en especial D-ribosa, que se
emplea en la síntesis de ácidos nucleicos.
Otra función importante consiste en participar en la formación de glucosa, a partir del
CO 2 , en las reacciones de fotosíntesis.
Las diversas etapas de la ruta del fosfogluconato tienen lugar en la porción soluble
del citoplasma extramitocondrial de la célula.
33
1. La primera reacción de la ruta del fosfogluconato es la deshidrogenación
enzimática de la glucosa-6-fosfato por la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa
para formar 6-fosfogluconato.
H
C
OH
H
C
OH
H
C
O
COOH
C
OH
O + NADP+
HO
C
H
H
C
OH
H
C
O +NADPH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
CH 2OPO 3=
2
CH 2OPO 3=
glucosa-6-fosfato
H
C
OH
HO
C
H
HC
OH
HC
OH
CH2 O PO 3=
6-fosfogluconato-lactona
6 Fosfogluconato
La enzima es específica para el NADP como aceptor electrónico.
Realiza la deshidrogenación del átomo de carbono 1 de la forma piranosa de
la glucosa-6-fosfato y rinde la 6-fosfogluconato lactona. Esta última es
inestable y experimenta hidrólisis espontánea a ácido libre en presencia de
una lactonasa.
2. En la etapa siguiente el 6-fosfogluconato experimenta una decarboxilación
oxidativa por acción de la 6-fosfogluconato-deshidrogenasa y se forma una
pentosa la D-ribulosa-5-fosfato, reacción que produce una segunda molécula
de NDAHP2 .
CH2 OH
COOH
H
C
C
O
OH
H COH
H
HO
C
C
OH
+ NADP+
H COH
+ NADPH2 + CO2
H
CH 2OPO 3=
H
C
OH
CH 2OPO 3=
6-fosfogluconato
ribulosa-5-fosfato
3. Por acción de la fosfo-pentosaepimerasa la ribulosa-5-fosfato se transforma
reversiblemente en xilulosa-5-fosfato, su epímero en el átomo de carbono 3.
Por acción de la fosfo-pentosa-isomerasa, la ribulosa-5-fosfato, puede
convertirse, también reversiblemente, en su isómero aldo, la ribosa-5-fosfato
que puede emplearse en la síntesis de los nucleótidos que contienen pentosa
y el ARN.
34
CH2 OH
C
O
xilulosa-5-fosfato
HO C H
CH2 OH
HC
C
O
H
C
OH
H
C
OH
m
epi
sa
era
OH
CH 2OPO 3=
CHO
CH 2OPO 3=
iso
me
ras
a
ribulosa-5-fosfato
HC
OH
H
C OH
H
C OH
ribosa-5-fosfato
CH 2OPO 3=
En ciertas circunstancias, la ruta del fosfogluconato finaliza en este punto, y
entonces su ecuación global se escribe así:
glucosa-6-fosfato + 2NADP+ + H2O
ribosa-5-fosfato + CO2 + 2NADPH2
El resultado neto es la producción del NADPH necesario para las reacciones
biosintéticas de reducción en el citoplasma extramitocondrial, y la formación de
ribosa como precursor para la síntesis de nucleótidos.
En otras circunstancias, sin embargo, la ruta del fosfogluconato continúa más allá,
ya que las pentosas-5-fosfato pueden experimentar otras transformaciones que son
posibles gracias a dos enzimas adicionales: la transcetolasa y la transaldolasa.
*La transcetolasa que contiene pirofosfato de tiamina íntimamente unido como
coenzima y Mg , realiza la transferencia de un grupo glicoaldehído desde la
xilulosa-5-fosfato a la ribosa 5 fosfato. En este proceso el grupo glicolaldehído (
CH2 OH CO ) se transfiere en primer lugar al pirofosfato de tiamina unido a la
enzima, que actúa como transportador intermediario del grupo glicolaldehído, que a
continuación es transferido a la molécula del aceptor, la ribosa-5-fosfato. El resultado
neto consiste en la formación de un ceto-azúcar de 7 átomos de carbono, la sedo
heptulosa-7-fosfato, y un azúcar de 3 átomos de carbono, el glicer aldehído-3fosfato.
CH2 OH
C
O
HO
C
H
H
C
OH
CHO
CH2 OH
HCOH
+
CH 2OPO 3=
C
O
C
H
H
C
OH
H
C
OH
HC
OH
CH 2OPO 3=
HC
OH
HC
OH
HO
+
CHO
HC
OH
CH2 O PO 3=
CH2 O PO 3=
Debe observarse que uno de los productos de la acción de la transcetolasa es el
xilulosa-5-P
ribosa-5-P
sedoheptulosa-7-P
gliceraldehído-3-P
35
gliceraldehído-3-P que es un intermediario de la secuencia glicolítica. Su formación
constituye un lazo de conexión entre la vía glicolítica y la del fosfogluconato.
*La segunda enzima que participa en transformaciones ulteriores de la vía del
fosfogluconato es la transaldolasa, que actúa sobre los productos de la reacción
catalizada por la transcetolasa Cataliza la transferencia del grupo dihidroxiacetona
correspondiente a los átomos de carbono 1-2-3 de la sedoheptulosa para formar un
azúcar de 6 átomos de carbono, la fructosa-6-fosfato, y otro azúcar de 4 átomos de
carbono, la eritrosa-4-fosfato.
CH2 OH
CH2 OH
C
O
C
O
HO
C
H
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH2 O
CHO
+
H
C
OH
CH2 O
PO 3=
CHO
+
HC
OH
HC
OH
CH2 O
CH2 O
PO 3=
PO 3=
PO 3=
La fructosa-6-fosfato, es también un intermediario de la glicólisis y por lo tanto, el
segundo punto de conexión entra las dos rutas: glicolítica y fosfogluconato.
Otra reacción destacada que cataliza la transcetolasa es:
xilulosa-5-P + eritrosa-4-P
fructosa-6-P + gliceraldehído-3-P
En la que dos intermediarios de la vía del fosfogluconato pueden convertirse en
intermediarios de la vía glicolítica.
Una consecuencia importante de la acción de las dos enzimas, consiste en que
hacen posible, junto con las enzimas de la secuencia glicolítica la interconversión de
los azúcares.
La última parte de la vía del fosfogluconato no es bien definida, no conduce a un
único producto final, sino a una ruta ramificada, capaz de gran flexibilidad
metabólica.
Es probable que la ruta del fosfogluconato normalmente se reúna con el ciclo
glicolítico por interconversión en intermediarios de la glicólisis.
36
TEMA XVI: TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACION OXIDATIVA
Reacciones de óxido reducción. Enzimas de óxido-reducción. Vía de transporte de
electrones: la cadena respiratoria. Energética del transporte de electrones.
Fosforilación oxidativa. Acoplamiento de la fosforilación oxidativa al transporte de
electrones.
Veremos en este capítulo que los pares de electrones derivados de los intermediarios del ciclo del ácido tricarboxílico fluyen a lo largo de una cadena de varios
eslabones, constituidos por enzimas de transporte electrónico, con niveles de
energía sucesivamente inferiores hasta reducir al oxígeno molecular, que es el
último aceptor electrónico, en la respiración. Durante este proceso se conserva gran
parte de la energía libre de estos electrones en forma de energía del enlace fosfato
del ATP; el proceso se denomina fosforilación oxidativa.
El transporte electrónico y la fosforilación oxidativa suceden en casi todas las células
aerobias, las enzimas que catalizan estas reacciones se hallan localizadas en la
membrana interna de las mitocondrias.
Reacciones de oxidación-reducción
Antes de referirnos a oxidaciones biológicas, veremos que se entiende por oxidación
y reducción.
a. Si el hierro (Fe) reacciona con el oxígeno
4Fe
+
3O2
2Fe2
O3
Este proceso de ganancia de oxigeno se denomina oxidación y lo inverso o sea
la pérdida de oxígeno, reducción.
b. Si se combina un elemento con otro distinto al oxígeno.
Znº + Cu++ SO4=
Zn++ SO4=
+ Cu
Lo que ocurrió es lo siguiente: el Zn es neutro, de él se desprenden una pareja
de electrones y se convierte en ión Zn.
Zn
carga 0
Zn++
carga 2
Se produce una oxidación del Zn porque de carga 0 pasa a carga 2. A su vez el
ión Cu capta los electrones.
Cu++ + 2ecarga 2
Cu metalico
carga 0
El cobre se reduce de carga 2 pasa a 0.
37
Resumiendo:
1. La pérdida de electrones se denomina oxidación.
2. La ganancia de electrones se denomina reducción.
c. En compuestos orgánicos el proceso de oxidación se acompaña de pérdida de
hidrógeno o ganancia de oxígeno.
H
H
C
H
H2O
H
-2H
H
C
H
OH
H
H
metano
metanol
-2H
H
C
H
H2O
O
-2H
H
C
O
ácido
metanoico
metanal
-2H
CO 2
anhídrido
carbónico
El carbono llega a su grado máximo de oxidación.
O sea que la pérdida de átomos de hidrógeno o deshidrogenación equivale también
a una oxidación y el proceso inverso a una reducción.
oxidación
ganancía de oxígeno
pérdida de electrones
pérdida de hidrógeno
reducción
pérdida de oxígeno
ganancia de electrones
ganancia de hidrógeno
Las reacciones de oxidación-reducción son aquellas en que tiene lugar una
transferencia de electrones, desde un dador electrónico (el reductor) hasta un
aceptor electrónico (el agente oxidante u oxidante). Es decir que siempre que hay
pérdida de electrones por un átomo se produce una transferencia de electrones a
otro átomo. O sea que la oxidación y la reducción son simultáneas.
Ared. + Boxid.
Aoxid. + Bred.
Al equilibrio entre la forma reducida y oxidada se llama sistema de óxido reducción o
sistema redox.
La tendencia de un agente reductor a perder electrones se puede expresar mediante el potencial de reducción estándar. Es decir colocando la especie oxidante y
reductora a concentración 1.0 M, pH = 7, y a 25º C. Para medir el potencial se
establece como patrón de referencia el potencial de reducción del H 2 en la siguiente
reacción.
H2
2H+
+
+2e-
El cual por convención se ha establecido que es igual a 0,0 voltios, cuando la
38
presión de H 2 gaseoso es de 1,0 atmósfera, la concentración 1,0 M, el pH 0,0 y
temperatura 25º C. Cuando se corrige este valor a pH 7,0 el potencial estándar del
sistema hidrógeno-ión hidrógeno es de -0,42 voltios.
Potenciales de reducción estándar de algunos pares redox
Reductor
Oxidante
E’ voltios
Acetaldehído
Acetato
- 0.60
H2
2H
- 0.42
α cetoglutarato +
Isocitrato
- 0.38
CO 2
NAD + H
NAD
- 0.32
Lactato
NADH –
deshidrogenasa
(reducida)
Citocromo b
Piruvato
- 0.19
Oxidada
- 0.11
Fe (II)
Fe (III)
0.00
Fe (II)
Fe (III)
+ 0.26
H2 O
½ O2
+ 0.82
Citocromo c
Los sistemas que poseen un potencial estándar de reducción más negativo que el
+
del par H2 2H muestran mayor tendencia a perder electrones que el hidrógeno.
Los que poseen potencial más positivo tienen menor tendencia a perder electrones.
Obsérvese la pareja agua-oxígeno: posee un potencial estándar de reducción
fuertemente positivo.
1/2 O2
H2O
+
2 H+
+
+2e-
Por dicha razón el agua muestra muy poca tendencia a perder electrones y a formar
oxígeno molecular. Dicho de otro modo, el oxígeno molecular tiene gran afinidad por
los electrones, superior que la de aceptores biológicos de electrones tales como el
NAD , las flavoproteínas y los citocromos.
Cadena respiratoria:
Sustrato reducido
Sustrato oxidado
NAD+
FADH2
FAD+
NADH2
CoQ
CoQH2
Fe++
Fe+++
Fe++
cit. b
c
a+ a3
Fe+++
Fe++
ATP
ATP
H
+
Fe+++
2H
ATP
39
2H+ + 1/2 O2
H2O
En el proceso un sustrato que se va a oxidar entrega sus electrones H al primer
constituyente de la cadena que es el NAD y se reduce. El NADH H entrega sus
hidrógenos y respectivos electrones a una flavoproteína y ésta a la coenzima Q, que
desempeña el papel de transportador electrónico entre las deshidrogenases ligadas
al NAD y FAD y los citocromos.
De aquí en adelante lo que se transfieren ya son electrones y los H irán al medio.
Los electrones son captados por el citocromo b, c y a + a3. Este último es
autooxidable y entrega los electrones al 1/ 2 O 2 que con los H formará H2 O .
Enzimas de óxido-reducción:
Tres son las clases principales de enzimas que participan de la corriente del
transporte electrónico desde los sustratos orgánicos hasta el oxígeno molecular.
De acuerdo al orden en que participan son los siguientes:
1. Deshidrogenasas ligadas a la piridina que requieren NAD o NADP como coenzima. Participan en la primera parte del eslabón:
Sustrato reducido
NAD+
Sustrato oxidado
NADH + H+
2. Deshidrogenasas ligadas a la flavina que tienen como grupo prostético al FAD
o al FMN. Participan en la segunda parte del eslabón
FADH + H
CoQ
CoQH + H +
FAD
3. Los citocromos que contienen un sistema nuclear ferroporfirínico. Participan
en la última parte del eslabón
Fe++
Fe+++
Fe++
cit. b
c
a+ a3
Fe+++
Fe++
Fe+++
2H+ + 1/2 O2
H2O
Analizamos cada una de las enzimas con sus respectivas coenzimas:
40
Deshidrogenasa ligada a la piridina:
Se conocen alrededor de 150 y catalizan la siguiente reacción:
Sustrato reducido + NAD+
Sustrato oxidado + NADH + H+
Las deshidrogenases ligadas a la piridina transfieren reversiblemente dos
equivalentes de reducción desde el sustrato a la forma oxidada del nucleótido
piridínico; uno de ellos aparece en el nucleótido reducido como un átomo de
hidrógeno. El otro átomo de hidrógeno separado del sustrato aparece en forma de
H libre en el medio. Veamos la estructura del NAD:
O
HO
+
P
O
O
H2C
O
adenina
H
H
OH
OH
CONH 2
HO
+
P
O
O
+
O
H2C
N
H
H
OH
OH
La parte activa de los nucleótidos piridínicos es la nicotinamida, ya que ésta es la
porción de la molécula que va a recibir el hidrógeno del sustrato. Es importante
destacar que la nicotinamida es una vitamina del complejo B. O sea que por su
participación en los mecanismos de óxido-reducción cumplen un papel fundamental
en la célula. El mecanismo de óxido-reducción se realiza según el siguiente
esquema:
H
H
CONH
CONH
2
+ H+
+ 2H
+
2
N
N
R
R
41
Deshidrogenases ligadas a la flavina:
Esta clase de enzimas contienen flavín-adenín-dinucleótido (FAD) o bien flavínmononucleótido (FMN) como grupos prostéticos. En la mayor parte de las flavíndeshidrogenasas el nucleótido flavínico se halla firmemente unido y no se separa de
la enzima durante el ciclo catalítico.
Veamos la estructura del FMN:
6-7 dimetil-iso-aloxacina
CH2
CH2
CH2
riboflavina
(vitamina B2)
CH2
CH2
O
HO
P
FDN
OH
+
O
O
P
O
OCH2
O
adenina
H
H
OH
OH
H
FDN: resulta de la unión pirofosfórica entre el FMN y el AMP. La parte activa del
FAD y del FMN es el anillo de isoaloxacina.
H
O
H
N
CH3
O
H
N
CH3
N
N
CH3
CH3
N
N
R
O
N
N
R
H
O
En cuanto a la coenzima Q o ubiquinona existen controversias. Importantes
experimentos recientes permiten creer que la CoQ es realmente uno de los
transportadores de la cadena respiratoria, y que funciona, posiblemente, como una
molécula liposoluble que actúa a modo de nexo de unión entre las flavoproteínas y el
sistema de los citocromos.
Citocromos: Los citocromos
son un grupo de ferroproteínas transferidoras de
42
electrones en las células aerobias, que actúan secuencialmente transfiriendo
electrones desde las flavoproteínas al oxígeno molecular .Todas ellas contienen
grupos prostéticos ferroporfirínicos; en este aspecto se parecen a la hemoglobina y a
la mioglobina. Los citocromos experimentan cambios de valencia reversibles, Fe (II) Fe (III), durante el ciclo catalítico. El citocromo terminal de la cadena, que puede
reaccionar con el oxígeno, es la citocromo-oxidasa. Las formas reducidas de los
demás citocromos no pueden reoxidarse directamente por el oxígeno molecular.
Estructura: Los citocromos tienen grupos prostéticos hierro porfirínicos. El anillo
porfirínico deriva del compuesto tetrapirrólico llamado porfina que se designa según
sus cadenas laterales sustituyentes.
HC
CH
N
N
Fe
Fe
++
+++
HN
N
HC
CH
Forman quelatos (literalmente, cuatro dientes) con iones metálicos como el hierro,
por ejemplo. En los citocromos, el átomo de Fe experimenta cambios reversibles
entre las formas Fe (II) y Fe (III); su función real es la de desempeñar el papel de
transportadores electrónicos.
Potencial estándar de óxido-reducción en la cadena respiratoria
Los potenciales de reducción de los diferentes transportadores electrónicos, se
hacen más positivos a medida que los electrones pasan desde el sustrato el
oxígeno. Es decir, que el transportador electrónico más próximo el extremo inicial de
la cadena, o sea el NAD es el término más reducido, mientras que los
transportadores situados en el extremo del oxígeno (citocromo a + a3) están casi por
completo en la forma oxidada. Los transportadores intermedios en estados
sucesivamente más oxidados, según una escala que va desde el sustrato hasta el
oxígeno.
Energética del transporte electrónico-Fosforilación oxidativa
Hemos visto que el Gº que se produce en el transcurso de cualquier reacción
química es función de su constante de equilibrio.
Gº
RT Ink eq
43
Puede utilizarse una forma modificada de esta expresión para calcular la Gº
que se produce cuando reaccionan entre sí dos pares de óxido-reducción cuyos
potenciales de reducción estándar son conocidos.
Gº
nFT
E '0
 Gº = variación de energía libre estándar expresada en calorías;
 n = número de electrones transferidos;
 F = equivalente calorífico de Faraday;
 E' 0 = la diferencia entre los potenciales de reducción estándar del aceptor del
dador electrónico.
Se supone que todos los componentes se hallan a concentraciones 1, 0 M, a 25º C y
pH = 7,0
Mediante esta relación, podemos calcular la Gº cuando se transfiere un par
equivalentes electrónicos desde el NADH al oxigeno molecular, es decir a lo largo de
toda la cadena respiratoria.
Gº
2 23062
0.82
0.32
52.700 kcal
52.7 kcal
Se produce, por tanto, una variación de energía libre muy grande durante el proceso
de transporte electrónico desde el NADH hasta el oxígeno molecular, a través de la
cadena respiratoria. Este valor puede compararse con la energía libre estándar de
formación de ATP a partir del ADP y el fosfato.
ADP + FOSFATO
ATP + H2O
Gº
7.3 kcal
Puede verse que la transferencia de un par de electrones, desde el NADH al oxígeno
va acompañada de una disminución de energía libre lo suficientemente grande para
que resulte posible la síntesis de varias moléculas de ATP, a partir de ADP y de
fosfato, en las condiciones estándar, siempre que se disponga de un mecanismo de
acoplamiento.
Mediante cálculos semejantes se obtienen las Gº que tienen lugar en cada una de
las etapas principales de transferencia electrónica en la cadena respiratoria, cuyos
potenciales de reducción estándar son conocidos.
Tres de los pasos de la cadena respiratoria muestran Gº relativamente grandes;
ellos son:
1. Entre NAD y FAD
2. Entre citocromo b y c
3. Entre citocromo a y el oxígeno
En cada uno de ellos se produce una disminución de energía libre suficientemente
grande para que se origine la formación acoplada del ATP a partir de ADP y de
fosfato.
Las Gº en otros puntos de la cadena son pequeñas y, por ello resultan
insuficientes para provocar la formación de una molécula de ATP.
44
Acoplamiento de la fosforilación oxidativa al transporte electrónico
La fosforilación del ADP acoplado a la respiración representa un mecanismo de
recuperación aerobia de energía y recibe el nombre de fosforilación oxidativa.
La ecuación global para las fosforilaciones de la cadena respiratoria puede escribirse
como sigue:
NADH + H+ + 3 ADP + 3 Pi + +1/2 O2
NAD+ + 4 H2O + 3 ATP
que podemos analizar desde el punto de vista de su componente exergónico.
NADH + H+ + 1/2 O2
NAD+ + H2O
Gº
52.7 kcal
y de su componente endergónico:
3 ADP + 3 Pi
3 ATP + 3 H2O
Gº 3 7.3
21.9 kcal
La fosforilación oxidativa acoplada de tres moléculas de ATP conserva por lo tanto
21,9/52,7 x 100, es decir, alrededor del 40% del descenso total de energía libre.
Sólo se formarán 3 moléculas de ATP si el sustrato se oxida a nivel del NAD. Puede
ocurrir que el sustrato entregue sus electrones a la flavoproteina (por ej. succinato)
en este caso se producen 2 moléculas de ATP; y si entrega sus electrones al
citocromo a, (por ej. ácido ascórbico) se forma solamente una molécula de ATP.
Balance energético de un proceso de respiración
Es decir, el Gº , cuando la glucosa se oxida completamente hasta CO2 H2 O por la
secuencia glicocolítica y el ciclo del ácido tricarboxílico.
1.
glucosa
a
2 piruvato
glucosa + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+
2 piruvato + 2 NADH + H+ + 2 ATP + 2 H2O
2.
2 piruvato
2 acetil CoA
2 (piruvato + NAD+ + HS - CoA)
2 acetil CoA + 2NADH + 2H+ + 2CoA2
NADH H se reoxida en la cadena respiratoria y se producen 3 ATP; como
son 2 moleculas de NADH + H+  3 ATP x 2 = 6 ATP
3. Ciclo de Krebs se producen 24 ATP
a. 2 isocitrato
2 alfa-cetoglutarato hay deshidrogenación, los H 2 son
captados por el NAD que se reoxida en la cadena respiratoria y se
45
producen 6 ATP.
H2O
b. 2 alfa-cetoglutarato
también se producen 6 ATP.
c. 2 malato
H2
2 succinato, ocurre lo mismo, o sea que
2 oxalacetato
6 ATP.
H2
d. 2 succinato
2 fumarato. En este caso los hidrógenos son
captados por el FAD. Se producen 4 ATP.
e. 2 succinato CoA
2 succinato, hay una fosforilación a nivel de
sustrato de producen 2 ATP.
Resumiendo:
a …………..
6 ATP
b …………..
6 ATP
c …………..
d …………..
e …………..
6 ATP
4 ATP
2 ATP
24 TP
4. El NAD H que se produce en la glicólisis en el pasaje de gliceraldehído
3 P 3 P glicerato , cuando el proceso es anaerobio se reoxida en el pasaje de
piruvato
lactato .
Cuando el proceso es aerobio el NADH H se reoxida en la cadena respiratoria, por
lo tanto se producen 2 ATP x 2 (porque son dos moléculas de NADH H ) = 4 ATP.
O sea que el balance global será:
1. ………….. 2 ATP
2. .………….. 6 ATP
24
3. …………..
ATP
4. ………….. 4 ATP
36
ATP
glucosa + 6 O2 + 36 Pi + 36 ADP
6 CO2 + 36 ATP + 42 H2O
Si analizamos el componente exergónico
glucosa + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O
Gº
680 kcal
componente endergónico
36 Pi + 36 ADP
36 ATP + 36 H2O
Gº
263 kcal
La eficacia global de la recuperación de energía resulta ser:
46
263
100
680
39%
¿Cómo entra el NADH producido en la glicólisis a la cadena respiratoria?
El NADH 2 citoplasmático producido en la glicólisis es impermeable a la membrana
mitocondrial, por lo tanto si no penetra en la mitocondria no se puede reoxidar a nivel
de la cadena respiratoria. Aunque el NADH no puede penetrar, sus electrones
pueden hacerlo por medios indirectos denominados lanzaderas. La mejor conocida
es la lanzadera del glicerolfosfato. El NADH citoplasmático reacciona con la
dihidroxiacetona citoplasmática para formar glicerol-3-fosfato en una reacción
catalizada por la glicerofosfato-deshidrogenasa citoplasmática.
dihidroxiacetona fosfato + NADH + H+
glicerol-3-fosfato + NAD+
El glicerol-3-fosfato atraviesa fácilmente la membrana mitocondrial. En el interior de
la mitocondria otra glicero-3-fosfato-deshidrogenasa reoxida el glicerol-3-fosfato a
dihidroxiacetona fosfato.
dihidroxiacetona fosfato + FADH2
glicerol-3-fosfato + FAD
La flavoproteína reducida cede sus equivalentes de reducción a la cadena
respiratoria a nivel de CoQ y finalmente pasan al oxígeno. La dihidroxiacetona
fosfato formada en esta reacción difunde fuera de la mitocondria el citoplasma en
donde puede aceptar electrones de otra molécula de NADH extramitocondrial.
NADH + H+
NAD+
DIHIDROXICETONA-P
GLICEROL-FOSFATO
NAD
FAD
ATP
ATP
MITOCONDRIA
O2
47
TEMA XVIII: Oxidación de los ácidos grasos
Hidrólisis intracelular de los lípidos. Ciclo de oxidación de los
ácidos
grasos:
activación y entrada de los ácidos grasos a la mitocondria. Primera
deshidrogenación. Hidratación. Segunda deshidrogenación. Clivaje tiólico. Oxidación
de los ácidos grasos insaturados. Cuerpos cetónicos y su oxidación. Oxidación de
los ácidos grasos de carbono impar.
Aunque los hidratos de carbono, a causa de su abundancia constituyen el
combustible principal para la mayor parte de los organismos, los ácidos grasos
desempeñan también un papel muy destacado como fuente energética. La oxidación
de los ácidos grasos es importante en los animales superiores y en las plantas, que
pueden almacenar cantidades grandes de grasa neutra como combustible de
reserva. La grasa neutra posee un valor calorífico elevado (9 Kcal) y puede
almacenarse en forma casi anhidra en las gotitas de grasa intracelulares, mientras
que el glucógeno o el almidón (valor calórico = 4 Kcal) se hallan demasiado
hidratados para poder almacenarse en forma tan concentrada.
Hidrólisis intracelular de los lípidos
Los ácidos grasos que experimentan oxidación en los tejidos de los animales
superiores provienen del fluido extracelular o bien de los lípidos intracelulares
endógenos. La sangre de los vertebrados contiene cantidades considerables de
triacilgliceroles y de fosfoglicéridos, así como cantidades muy pequeñas de ácidos
grasos libres unidos a la proteína seroalbúmina, que actúa transportando los ácidos
grasos. Estos últimos son oxidados en tejidos tales como el corazón y el músculo.
La fuente endógena principal de ácidos grasos combustibles es grasa de depósito,
en foma de gotitas de grasa del citoplasma, constituido, en su mayor parte por
triacilgliceroles.
Resumiendo lo expuesto:
a. fluido extracelular
Ácidos grasos a
oxidarse provienen
de la sangre que contiene
triacilgliceroles, fosfoglicéridos,
ácidos grasos
1. grasa de depósito constituida
por triacilgliceroles.
b. fuente endógena
2. fosfoglicéridos de las
membranas
A. Hidrólisis intracelular
Los ácidos grasos deben hallarse en forma libre, es decir, no esterificados para que
puedan experimentar el proceso de activación y oxidación. Para ello, deben en
primer lugar, hidrolizarse por la acción de lipasas intracelulares para rendir ácidos
grasos libres y glicerina. Se sabe relativamente poco acerca de la secuencia y
48
detalles de la hidrólisis intracelular de los lípidos. Sin embargo, en general, no tiene
lugar acumulación significativa de ácidos grasos o de otros productos de hidrólisis
que serían tóxicos para la estructura de la membrana. Evidentemente, la velocidad y
la ruta de hidrólisis de los lípidos intracelulares está ajustada a la velocidad de
utilización de los ácidos grasos.
B. Ciclo de los ácidos grasos
Activación y penetración de los ácidos grasos en el interior de la mitocondria
Existen 3 fases en la entrada de los ácidos grasos procedentes del citoplasma
extramitocondrial, en el interior de la mitocondria.
1. Esterificación enzimática del ácido graso libre con la CoA extramitocondrial,
a expensas del ATP, que tiene lugar en la membrana exterior.
2. Transferencia del grupo acilo graso desde la CoA a la molécula
transportadora carnitina, la cual lo conduce a través de la membrana interior.
3. Transferencia del grupo acilo graso desde la carnitina a la CoA
intramitocondrial.
Activación de los ácidos grasos
Tres enzimas diferentes catalizan la formación de ésteres acil-CoA graso; cada una
de ellas se específica para un determinado intervalo de longitud de cadena de ácido
graso.
Acetato-tioquinasa
Activa los ácidos acético, propiónico
y acrílico
Tioquinasa de ácido graso
de cadena media
Activa los ácidos grasos desde
cuatro hasta doce átomos de
carbono
Tioquinasa de ácido graso
de cadena larga
Activa los ácidos grasos de 12 a 22
o más; átomos de carbono
Las últimas dos tioquinasas activan tanto los ácidos grasos saturados como los no
saturados. Las tres se encuentran en la membrana exterior de la mitocondria. Las
propiedades y mecanismos de las tres tioquinasas, son más o menos idénticos. La
reacción global catalizada por las tioquinasas ligadas al ATP es la siguiente:
O
R
COOH + ATP + CoA
SH
R
CH
SCoA + AMP + PPi
A medida que el enlace tioéster se forma entre el grupo carboxilo del ácido graso y el
grupo tiol de la CoA, el ATP experimenta ruptura pirofosfórica y rinde AMP PPi . A
su vez el PPi formado resulta hidrolizado por la pirofosfatasa inorgánica.
49
PPi
+
H2O
2 Pi
El efecto neto de esta hidrólisis es la utilización de dos enlaces fosfato de elevada
energía para impulsar el equilibrio global de la etapa de activación a la formación de
acil CoA graso.
Transferencia de carnitina
Los ácidos grasos superiores poseen una capacidad limitada para atravesar la
membrana interior de la mitocondria en forma de ésteres de CoA; pero su entrada es
estimulada por la carnitina. En el proceso actúa una enzima la acil-CoA graso:
carnitin transferasa de ácido graso, que cataliza la transferencia del grupo acilo
graso desde su enlace tioéster con la CoA, a un enlace éster con la carnitina que es
un enlace de elevada energía.
CH3
CH3
+
N
O
CH2
CH
CH3
CH2
COOH
+
R
C
S
CoA
OH
CH3
CH3
+
N
CH3
CH2
CH
CH2
COOH +
CoA
SH
O
C
O
R
El compuesto carnitín-O-acilo graso, así formado, atraviesa con facilidad la
membrana interna de la mitocondria; no se sabe si el paso se realiza por simple
difusión o con intervención de algún mecanismo transportador de la membrana
mitocondrial.
Transferencia de la CoA intramitocondrial
En la última etapa del proceso de penetración, el grupo acilo graso es transferido
desde la carnitina a la CoA intramitocondrial por acción de la carnitín-transferasa de
ácido graso intramitocondrial.
acil-graso-carnitina + CoA
SH
acil-graso-CoA + carnitina
Este mecanismo de entrada ejerce el efecto de mantener separada la CoA
extramitocondrial de la intramitocondrial. El acil-graso-CoA se emplea entonces
50
como sustrato para el ciclo de oxidación del ácido graso, que tiene lugar en el
compartimiento interno de la matriz. Las mitocondrias contienen otro tipo de aciltioquinasas que participan en la activación del ácido graso. Esta enzima necesita
GTP en lugar de ATP y produce GDP Pi .
O
R
GTP + RCOOH + CoASH
C
SCoA + GDP + Pi
Puesto que la carnitina no es necesaria para su acción, probablemente está
implicada en la activación de los ácidos grasos libres formados en el interior de las
mitocondrias.
C. Primera etapa de deshidrogenación
A continuación de la etapa de activación, las reacciones de oxidación del ácido graso
tienen lugar en el compartimiento interior de la mitocondria. El éster formado
experimenta la deshidrogenación enzimática en los átomos de carbono alfa y beta,
es decir, en los átomos de carbono 2 y 3, para formar un acil-graso-CoA no
saturado. La posición del doble enlace se designa mediante el símbolo 2,3 . Existen
cuatro clases diferentes de deshidrogenasas de acil CoA graso que contienen FAD,
cada una de las cuales es específico para un determinado intervalo de longitud de
cadena del ácido graso.
O
2
R
CH2
3
CH2
C
SCoA
acil-graso CoA
+
E
R
C
FAD oxi.
H
O
C
C
SCoA
2,3
trans-enoil CoA + E
FAD red.
H
El enlace no saturado 2,3 formado en esta reacción es el isómero geométrico trans.
Los electrones del FAD red. son cedidos a la cadena respiratoria.
D. Etapa de hidratación
La hidratación reversible del doble enlace de los ésteres 2,3 enoílicos del CoA
para formar beta-hidroxiacil-CoA es catalizada por la enzima enoil-hidratasa.
51
R
CH2
C
H
O
C
C
S
CoA
2,3
trans-enoil CoA
H
OH
R
CH2
O
C
CH2
C
hidroxi-acil-CoA
SCoA
H
E. Segunda etapa de deshidrogenación
El compuesto obtenido se deshidrogena para formar un 3-oxoacil-graso-CoA,
con intervención de la -hidroxiacil-graso-CoA-deshidrogenasa siendo el NAD el
aceptor electrónico específico.
OH
R
CH2
C
O
CH2
SCoA + NAD+
C
H
O
R
CH2
C
O
CH2
+
SCoA + NADH + H
C
El NADH cede sus electrones a la NADH deshidrogenasa de la cadena respiratoria.
Etapa de ruptura tiólica
En la última etapa de la secuencia de la oxidación del ácido graso, que es
catalizada por la tiolasa, el 3 oxoacil-graso-CoA experimenta una escisión por
interacción con una molécula de CoA libre para producir un fragmento de dos
carbonos que contiene el carboxilo terminal en forma de acetil-CoA libre, y el éster
del CoA de un ácido graso cuya cadena se ha acortado en dos átomos de carbono.
O
R
CH2
C
O
CH2
C
SCoA
+
CoA
O
O
R
CH2
C
SH
SCoA
+
CH3
C
SCoA
La reacción es muy exergónica, y el equilibrio favorece por tanto la ruptura.
Balance de la oxidación
Con la reacción de tiólisis se ha completado una vuelta de la secuencia de oxidación
del ácido graso, en la que una molécula de acetil-CoA, y dos pares de átomos de
hidrógeno resultan eliminados de un acil-CoA graso de cadena larga. La ecuación
52
global de una vuelta de la secuencia de oxidación del ácido graso actuando sobre el
palmitoil-CoA es la siguiente:
palmitoil
+ CoA + FAD + NAD+ + H2O
CoA
miristoil
CoA
+
acetil
CoA
+ FADH2 + NADH + H+
Ahora podemos escribir la ecuación para las siete vueltas del espiral necesarias
a fin de convertir una molécula de palmitoil-CoA en 8 moléculas de acetil CoA (el
ácido palmítico tiene 16 átomos de carbono). Cada molécula de FADH 2 cede un
par de equivalentes electrónicos a la cadena respiratoria a nivel de la CoA y se
generan 2 moléculas de ATP. De modo análogo, la oxidación de cada molécula
de NADH da por resultado la formación de 3 moléculas de ATP. Por lo tanto, se
forman un total de 5 moléculas de ATP por molécula de acetil-CoA escindido.
Podemos escribir ahora la ecuación que también comprende las fosforilaciones:
pamitoíl
(1)
CoA + 7 CoA + 7 O2 + 35 Pi + 35 ADP
8 acetil CoA + 35 ATP + 42 H2O
Las 8 moléculas de acetil CoA formadas en el ciclo del ácido graso pueden
incorporarse ahora al ciclo de Krebs
(2)
8 acetil CoA + 16 O2 + 96 Pi + 96 ADP
8 CoA + 96 ATP + 104 H2O + 16 CO2
Combinando la ecuación (1) y (2) obtenemos la ecuación global:
pamitoíl
CoA + 23 O2 + 131 Pi + 131 ADP
CoA + 16 CO2 + 131 ATP + 146 H2O
Puesto que se necesita una molécula de ATP ( o de GTP) para activar el ácido
palmítico libre al comenzar, podemos suponer que el rendimiento neto de ATP es de
130 moléculas.
Oxidación de los acidos grasos no saturados
Los ácidos grasos no saturados, son oxidados por las mismas rutas generales que
los ácidos saturados; pero se plantean dos problemas:
1. Los dobles enlaces de los ácidos grasos no saturados existentes en la
naturaleza se hallan en la configuración geométrica cis, mientras que los
ésteres 2,3 insaturados del acil CoA que actúan como intermediarios en
la oxidación de los ácidos grasos saturados, son trans.
2. Los dobles enlaces de la mayor parte de los ácidos grasos no saturados
aparecen en posiciones tales que la eliminación sucesiva de fragmentos
de dos átomos de carbono rinde un acil-CoA graso 3,4 en lugar de 2,3 .
53
Se ha resuelto este problema con el descubrimiento de una enzima auxiliar, la 3,4 cis- 2,3 -trans-enoil CoA-isomerasa que cataliza el desplazamiento del doble enlace
desde la configuración 3,4 -cis a la 2,3 -trans que es el sustrato normal de la
siguiente enzima de la secuencia de oxidación del ácido-graso.
Cuerpos cetónicos y su oxidación
En muchos vertebrados el hígado posee la capacidad enzimática adecuada para
desviar algo de acetil-CoA, hacia la formación de acetoacetato y -hidroxibutirato,
los cuales son transportados por la sangre a los tejidos periféricos, en donde pueden
ser oxidados por el ciclo del ácido tricarboxilico. Estos compuestos reciben el
nombre de cuerpos cetónicos. El acetoacetato proviene de la condensación de dos
moléculas de acetil-CoA catalizado por la tiolasa.
acetil CoA + acetil CoA
acetoacetil CoA + HSCoA
La acetoacetil CoA experimenta la pérdida de la CoA para transformarse en
acetoacetato, proceso conocido como desacilación.
La principal ruta para la desacilación es la formación y escisión enzimática del hidroxi- -metil glutaril CoA.
CH3
HOOC
CH2
C
O
CH2
C
SCoA
OH
acetoacetil CoA + acetil CoA
-hidroxi -metil glutaril CoA + CoA
El acetoacetato libre así producido se reduce enzimáticamente
hidroxibutirato, por la Beta-hidroxibutirato deshidrogenasa ligada al NAD.
acetoacetato + NADH + H+
a
Beta-
Beta-hidroxibutirato + NAD+
La mezcla de acetoacetato y Beta hidroxibutirato resultante de esta reacción pueden
difundir después, fuera de la célula hepática, a la corriente sanguínea y llegar a los
tejidos periféricos. Normalmente la concentración de cuerpos cetónicos en la sangre
es muy baja, pero a causa del ayuno o por la diabetes puede alcanzar niveles
elevados.
Esto es debido, a que al no existir glucosa utilizable por la célula, ésta se vale de las
grasas, las cuales al degradarse dan como producto acetil CoA en cantidades
elevadas.
Oxidación de ácidos grasos de número impar de carbonos
Estos ácidos grasos raramente se encuentran en la naturaleza. Son oxidados por el
ciclo de oxidación del ácido graso. Se separan sucesivamente restos de acetil CoA
hasta que se llega a un resto terminal de tres átomos de carbono: propionil-CoA.
El propionil CoA experimenta una carboxilación enzimática que lo transforma en
metil-malonil CoA que es isomerizado a succinil CoA, que pierde la CoA para rendir
succinato que se incorpora al ciclo del ácido tricarboxílico.
54
TEMA XIX: Degradación oxidativa de los aminoácidos
Esquema de la oxidación de los aminoácidos. Transaminación y función del piridoxal
fosfato. Desaminación oxidativa. Vías de la acetil CoA y del alfacetoglutorato, del
succinato, del oxalacetato. Formación de los productos de excreción nitrogenada.
Ciclo de la urea. Excreción de amoníaco. Formación de ácido úrico.
Aunque la función primordial de los A.A. es la de ser precursores de las proteínas y
de otras biomoléculas, se emplean con frecuencia como fuente energética. Los
animales superiores oxidan activamente los aminoácidos tanto exógenos como
endógenos. Aún cuando no se haya ingerido cantidad alguna de proteínas, los seres
humanos pueden excretar hasta 5 grs. de N 2 cada día, que corresponden a la
oxidación neta de casi 30 grs. de proteína endógena.
El ciclo de los ácidos tricarboxílicos es la ruta definitiva para la oxidación de los
esqueletos carbonados de los aminoácidos.
En este capítulo describiremos la degradación oxidativa de los aminoácidos
normalmente presentes como unidades estructurales de las proteínas, lo que
constituye la corriente principal del catabolismo de los aminoácidos.
Aunque las reacciones enzimáticas básicas implicadas en el catabolismo aminoácido
son en su mayor parte semejantes en todos los organismos, el ritmo real de
utilización y la proporción de los diferentes aminoácidos empleados en un organismo
determinado dependen de muchos factores que incluyen:
 La capacidad genética para metabolizar aminoácidos;
 La asequibilidad de aminoácidos del entorno;
 La dependencia nutritiva del organismo respecto de los aminoácidos esenciales;
 La disponibilidad de otros combustibles caloríficos;
 Las necesidades de aminoácidos del organismo para la síntesis proteica;
 La necesidad de aminoácidos específicos como precursores de ciertas
biomoléculas importantes, tales como purinas, pirimidinas, componentes de la
pared celular, hormonas y otras moléculas especializadas.
PROTEOLISIS
Antes que las proteínas puedan incorporarse a las rutas catabólicas deben
experimentar hidrólisis completa hasta transformarse en aminoácidos ya que las
moléculas proteicas intactas y la mayoría de los péptidos no pueden atravesar la
membrana celular, mientras que los aminoácidos libres son absorbidos fácilmente.
Los péptidos extracelulares y las proteínas con frecuencia son hidrolizados por
acción de enzimas segregadas al entorno, por ejemplo muchos microorganismos
forman y segregan peptidasas y enzimas proteolíticas. Sin embargo, la proteólisis
extracelular ha sido estudiada con máximo detalle en el tracto digestivo de los
vertebrados (ver proceso en página 460 de Lehninger). Por acción combinada de las
enzimas proteolíticas segregadas por el estómago, el páncreas y el intestino
delgado, las proteínas ingeridas se hidrolizan por completo hasta aminoácidos, los
cuales son absorbidos por las células epiteliales del intestino delgado, mediante un
transporte activo que requiere energía. Los aminoácidos son enviados luego a los
55
tejidos por medio de la sangre. Al entrar en las células individuales también por
transporte activo, se incorporan a los canales metabólicos. Se sabe muy poco de la
proteólisis intracelular, que en algunos tejidos como el hígado, tiene lugar a un ritmo
elevado.
ESQUEMA DE LA OXIDACION DE LOS AMINOACIDOS
Para la oxidación de los 20 aminoácidos diferentes existen 20 secuencias
multienzimáticas distintas. En último término todas convergen en unas pocas rutas
terminales que conducen al ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Los esqueletos
hidrocarbonados de 10 de los A.A. son convertidos finalmente en acetil-CoA, ya sea
por la vía del piruvato o por la del acetoacil-CoA, cinco se convierten en
cetoglutarato, tres en succinil-CoA y dos en oxalacetato. La fenilalanina y la tirosina
se degradan de modo que una porción del esqueleto hidrocarbonado se incorpora
como acetil-CoA y lo otra como fumarato. Sin embargo no todos los átomos de C de
los 20 A.A. se incorporan al ciclo del ácido tricarboxílico ya que algunos se pierden
por el camino de la descarboxilación. Las rutas del catabolismo no son
necesariamente idénticas a las de la biosíntesis, pero hay algunas etapas que son
comunes.
Alanina
Cisteína
Glicocola
Serina
Treonina
Glutamato
Piruvato
Arginina
Histidina
Glutamina
Prolina
Oxoglutarato
Isocitrato
Isoleucina
Leucina
Triptófano
Succinil-CoA
Citrato
Isoleucina
Metionina
Valina
Succinato
Acetil-CoA
Oxalacetato
Tirosina
Fumarato
Acetoacetil-CoA
Fenilalamina
Malato
Fenilalanina
Tirosina
Leucina
Lisina
Triptófano
Aspartato
Asparagina
Los grupos -amino de los aminoácidos comparten un destino común, al menos en
los vertebrados, los cuales excretan el N 2 amínico en forma de Urea, Amoníaco o de
Ácido Úrico, según la especie. Los mecanismos por los cuales los grupos NH2 son
eliminados de los A.A. y luego convertidos en cualquiera de los tres productos de
excreción, son completamente semejantes. Puesto que la eliminación de los grupos
56
NH2 constituye la primera etapa en la degradación de los A.A., examinaremos
ahora los dos procesos principales implicados en esta reacción, ellos son la
Transaminación y la Desaminación Oxidativa.
TRANSAMINACION
Por este proceso el grupo amino de por lo menos 11 aminoácidos es separado
enzimáticamente por transaminación y transferido al carbono
de uno o tres
oxoácidos (piruvato;
cetoglutarato o al oxalacetato). Por lo tanto el aminoácido al
perder su grupo NH2 se transforma en el oxoácido correspondiente y el -oxoácido
que acepta el grupo NH2 se transforma en el aminoácido correspondiente. Dos
transaminasas importantes son: la ALANIN-TRANSAMINASA; que cataliza la
reacción:
oxoácido alanina
a minoácido ácido pirúvico
y la GLUTANATO-TRANSAMINASA, que cataliza la reacción:
a minoácido ácido
oxoácido ácido glutámico
oxoglutárico
Ejemplo de transaminación:
O
R'
H
C
NH2
R2
+
O
C
COOH
R1
C
NH2
COOH
COOH
+
R2
C
COOH
H
Cualquiera sea la ruta de transaminación, el
-cetoglutarato es el aceptor final de
los grupos NH2 de la mayor parte de los A.A. y luego transporta esos grupos NH2
hasta una secuencia final de reacciones mediante las cuales se forman los
productos nitrogenados finales o de excreción. Por ejemplo en la reacción anterior la
alanin-transaminasa cataliza la formación de alanina a partir de un
aminoácido
más ácido pirúvico, luego esa alanina le transfiere el grupo NH2 al
cetoglutarato
por acción de la alanin-glutamato-transaminasa.
Alanina
ácido
ácido pirúvico
oxoglutári co
ácido glutámico
(aceptor final)
Las transaminasas se encuentran tanto en el citoplasma como en la mitocondria de
las células eucarióticas; las formas mitocondriales y las extramitocondriales difieren
en sus propiedades físico-químicas. Todas las transaminasas emplean una misma
coenzima y comparten un mecanismo de reacción común. La coenzima es el fosfato
de piridoxal, un derivado de la vitamina B 6 , necesario como factor de crecimiento y
esencial en la dieta de muchos microorganismos y animales.
H
C
HO
H3C
CH2
C
C
C
C
CH
N
O
O
O
P
OH
Fosfato de piridoxal
OH
El fosfato de piridoxal es también el
grupo prostético de cierto número de
otras enzimas que catalizan
57
reacciones en las que intervienen -aminoácidos. En principio el fosfato de piridoxal
actúa como un transportador de grupos O, en algunos casos de aminoácidos. La
clave de acción es su grupo aldehído que puede formar una base de Shiff o
cetimina, con amoníaco o con diversas aminas.
Durante su ciclo catalítico en las transaminasas, la coenzima experimenta
reacciones reversibles entre la forma de aldehído libre (fosfato de piridoxal) y su
forma aminada (el fosfato de piridoxamina). Se produce el ciclo en dos etapas:
El complejo enzima-fosfato de piridoxal, acepta un grupo amino del dador de grupos
NH2 con formación de un complejo enzima-fosfato de piridoxamina; ello ocurre
mediante dos bases de Shiff intermedias.
El complejo enzima-fosfato de piridoxamina forma una base de Shiff con el aceptor
entrante del grupo NH2 , el -oxoácido, al que se cede a continuación el grupo NH2 .
NH2
R1
CH
H
O
COOH
+
E
C
H2O +
H
R1
Dador de NH2
H
C
N
C
E
COOH
Base de Shiff I
O
R1
C
N
CH2
R1
E
COOH
C
COOH
+ E
CH2
NH2
enzima-fosfato de
piridoxamina
oxoácido
Base de Shiff II
O
E
CH2
NH2 + R2
C
R2
COOH
oxoácido
aceptor de NH2
C
N
CH2
E
COOH
Base de Shiff III
H
R2
C
N
C
NH2
O
H
E
COOH
E
C
H + R2
enzima-fosfato
de piridoxal
CH
COOH
aminoácido
Base de Shiff IV
DESAMINACION OXIDATIVA
Este proceso ocurre en la mitocondria y los grupos NH2 recogidos de los diferentes
aminoácidos por la acción de las transaminasas, aparecen en el último término en
forma de grupos -aminos del L-glutamato.
En algunas células, particularmente en las bacterias, el glutamato experimenta una
58
desaminación oxidativa rápida, catalizada por la glutamato-deshidrogenasa ligada a
la piridina.
oxoglutarato + NH+4 + NADH + H+
L-glutamato + NAD+
Descarga así en forma de iones NH 4 , los grupos aminos recogidos de los demás
aminoácidos. La L-glutamato deshidrogenasa puede usar también el NADP como
aceptor de electrones, el NADPH así formado, actúa como reductor en las
reacciones biosintéticas. La mayor parte de los organismos tienden a reutilizar el
NH 4 formado en el catabolismo de los A.A. recuperándolo.
cetoglutar ato
NH4
NADH
H
glutamato
NAD
Glutamato deshidrogenasa
RUTAS QUE CONDUCEN AL ACETIL-CoA
Treonina
Cistina
Cisteina
Glicocola
Serina
Alanina
Ácido Pirúvico
Acetil-CoA
El esquema muestra los portales de entrada por los que penetran en el ciclo de los
ácidos carboxílicos, los esqueletos carbonados de los diferentes aminoácidos. Las
rutas de los 20 A.A. dependen del punto de entrada. El punto principal de entrada en
el ciclo es por la vía del acetil-CoA, diez aminoácidos penetran por esta ruta, cinco
de ellos se degradan al acetil-CoA por la vía del piruvato y los restantes por la del
acetoacetil-CoA.
59
NH2
CH3
CH
CH
COOH
OH
Treonina
Glicocola
H2N
CH
CH2
O
CH3
COOH
C
H
Serinhidroximetil
tranferasa
OH
acetaldehído
NAD+
NH 2
ATP
Serina
CH2
CH
OH
COOH
CoA
Serina
deshidrasa
O
Ácido Pirúvico
CH3
C
NADH + H+
COOH
AMP; Pi
Piruvato
deshidrogenasa
O
CH3
C
S CoA
Acetil CoA
VIA DEL PIRUVATO
Los cinco aminoácidos que penetran por la vía del piruvato son la alanina, la
cisteína, la glicocola, la serina y la treonina (ejemplo anterior). La alanina rinde
directamente piruvato por transaminación con el
-cetoglutarato. En el ejemplo
puede verse como se degradan hasta piruvato, la treonina, la glicocola y serina.
RUTA DEL -OXOGLUTARATO
Los esqueletos carbonados de cinco aminoácidos (arginina, histidina, ácido
glutámico, glutamina y prolina) entran en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos por la
vía de -cetoglutarato, cuyo precursor inmediato es el ácido glutámico.
Arginina
Prolina
Semialdehído
glutámico
Histidina
Glutamina
Ácido Glutámico
cetoglutar ato
60
El esquema muestra las rutas que conducen hasta el
distintos A.A. para poder entrar al ciclo de Krebs.
-cetoglutarato de los
RUTA DEL SUCCINATO
Los esqueletos carbonados de la metionina, la isoleucina y la valina, se degradan
definitivamente, por la vía del propionil-CoA y del metilmalonil-CoA, a succinil-CoA
que experimenta una desacilación para dar succinato, intermediario del ciclo de
Krebs.
METIONINA
Ácido
oxobutírico
Isoileucina
Propionil-CoA
Valina
Metilmalonil-CoA
Succil-CoA
RUTA DEL OXALACETATO
La asparagina y ácido aspártico se incorporan finalmente al ciclo de Krebs en forma
de oxalacetato. La asparagina en primer lugar se hidroliza a ácido aspártico y
amoníaco por la acción de la asparaginasa.
Asparagina + H2O
ácido-aspartico +
NH3
El aspartato así formado, experimenta transaminación con el ácido
para formar ácido oxalacético.
Ácido aspartico + ácido
oxoglutarato
-cetoglutarato
ácido oxalacético + ácido glutámico
De esta manera los cuatro átomos de carbono de estos aminoácidos pueden
incorporarse al ciclo de Krebs. En las plantas y en algunos microorganismos el ácido
aspártico experimenta una eliminación directa de NH3 para dar fumarato, catalizada
por la enzima aspartasa, que no se encuentra presente en los tejidos animales.
Ácido aspartico
Ácido fumárico + NH3
61
FORMACION DE PRODUCTOS DE EXCRECION NITROGENADOS
La mayoría de los vertebrados excretan definitivamente cierta fracción del amoníaco
formado en una de estas tres formas: urea, amoníaco, o ácido úrico. El N 2 amínico
es excretado por la mayor parte de los vertebrados terrestres en forma de urea. Son
organismos designados como ureotélicos. Muchos animales acuáticos, tales como
los peces teleósteos, excretan nitrógeno amínico en forma de NH3 y se les denomina
amonotélicos.
Los pájaros y los reptiles terrestres, cuyo consumo de agua es limitado, excretan el
N 2 amínico en forma de ácido úrico (en forma semisólida) y a estos organismos se
los llama uricotélicos. Los anfibios ocupan una posición intermedia. El renacuajo,
cuyos hábitos son acuáticos, excreta amoníaco, después de la metamorfosis,
durante la cual el hígado adquiere las enzimas necesarias, la rana adulta excreta
urea.
CICLO DE LA UREA
La formación de urea tiene lugar casi por completo en el hígado de los organismos
ureotélicos, es catalizada por un mecanismo cíclico denominado ciclo de la urea.
Penetran en este ciclo dos grupos aminos que proceden inicialmente de los
aminoácidos por desaminación, junto con una molécula de CO 2 y forman arginina a
partir de la ornitina, diaminoácido homólogo de la lisina. Esta parte del ciclo de la
urea tiene lugar en casi todos los organismos capaces de realizar la biosíntesis de la
arginina pero solamente los animales ureotélicos poseen grandes cantidades de
enzima arginasa, que cataliza la hidrólisis irreversible de la arginina para formar urea
regenerando ornitina. La urea molécula neutra soluble en H2 O se excreta con la
orina.
- NH2
Grupos
-amino
oxoglutarato
ácido
aspártico
ácido
glutámico
- NH2
arginina
- NH2
arginasa
H2N
citrulina
carbamilfosfato
C
NH2
C
O
ornitina
O
El primer grupo NH2
que entra al ciclo surge en forma de NH3 libre como
consecuencia de la desaminación oxidativa ligada al NAD del glutamato en las
mitocondrias.
Ácido glutámico + NAD+
ácido
oxoglutárico + NH3 + NADH + H+
Entonces el NH3 libre es utilizado junto con el CO 2 para formar fosfato de carbamilo
en una reacción compleja, catalizada por la carbamil-fosfato sintetasa.
62
NH2
-
O
CO2 + NH3 + 2 ATP + H2O
H2N
C
O
O
P
-
+ ADP + Pi
O
O
Fosfato de carbamilo
Se necesitan dos moléculas de ATP para formar cada molécula de fosfato de
carbamilo que interviene en esta reacción, la cual es irreversible. El fosfato de
carbamilo es un compuesto rico en energía. El fosfato de carbamilo originado en
esta reacción, cede a continuación, su grupo carbamilo a la ornitina para formar
citrulina y fosfato; la reacción es catalizada por la ornitin-transcarbamilasa.
El segundo grupo
NH2 penetra después en el ciclo de la urea, al que llega en
forma de aspartato que a su vez lo adquirió del glutamato por acción de la aspartatoglutamato-transaminasa.
Ácido glutámico + ácido oxalacético
Ácido
oxoglutárico + ácido aspártico
A continuación el grupo NH2 del aspartato se condensa con el átomo de carbono
carbonílico de la citrulina en presencia de ATP para formar argininosuccinato,
reacción catalizada por la arginosuccinato sintetasa.
El arginosuccinato es escindido en forma irreversible por acción de la argininsuccinasa, con formación de arginina y fumarato libre. Hasta este punto la secuencia
de la reacción es empleada por la mayoría de las células en la biosíntesis de la
arginasa.
Los animales ureotélicos sin embargo poseen arginasa, la cual desdobla, la arginina
en urea y ornitina que vuelve al ciclo. La ecuación global del ciclo de la urea es:
2 NH3 + CO2 + 2 ATP + H2O
Urea + 2 ADP + 2 Pi + AMP + PPi
EXCRECION DE AMONIACO
Se cree que en los organismos amonotélicos los grupos NH2 derivados a diversos
-aminoácidos, se transaminan para formar glutamato, que experimenta después
una desaminación oxidativa mediante la glutamato-deshidrogenasa. El NH3 así
formado se convierte después en N 2 amídico de la glutamina, que es la forma de
transporte del NH3 en la mayor parte de organismos. La glutamina se forma por
acción de la glutamina-sintetasa, a partir de ácido glutámico.
NH2
HOOC
CH2 CH2 CH
Acido Glutámico
O
Mg++
COOH + NH3 + ATP
H2N
C
NH2
CH2 CH2 CH
COOH + ADP + Pi
Glutamina
63
La glutamina rinde NH3 libre en los túbulos renales de la mayoría de los vertebrados,
pero esta reacción predomina en los organismos amonotélicos. La reacción es:
Glutamato + NH4+
Glutamina + H2O
El NH 4 así formado pasa directamente a la orina. Dado que la glutamina no es tóxica
constituye un medio de transporte eficaz del NH3 .
FORMACION DE ACIDO ÚRICO
En los organismos uricotélicos, el ácido úrico es la forma principal de excreción de
los grupos NH2 de los
-aminoácidos. Es también el producto principal de
excreción del metabolismo purínico en los primates, los pájaros y los reptiles
terrestres. La ruta de formación de ácido úrico es compleja, puesto que en primer
lugar debe formarse el anillo purínico a partir de precursores sencillos.
OH
C
Amino ácidos
NH2
N
N
C
C
C
N
N
O2
C
C
C
C
N
C
N
H
HO
C
N
N
H
Xantin
oxidasa
H
Anillo de Purina
Xantina
O
H
C
H
N
N
C
C
C
O
O
C
N
N
H
H
Acido Urico
(forma oxo)
64
TEMA XX: BIOSINTESIS DE CARBOHIDRATOS
Principales vías de la síntesis de carbohidratos. Formación de fosfoenol-piruvato a
partir de piruvato. Conversión de fosfoenol-piruvato a glucosa. Gluconeogénesis a
partir de los intermediarios del ciclo de Krebs, de la acetil CoA y de los aminoácidos.
Hemos visto que la transformación de la glucosa en piruvato es la senda principal del
metabolismo de los carbohidratos en la mayoría de las células, tanto en condiciones
aerobias como anaerobias.
El proceso inverso, la conversión del piruvato en glucosa es el camino más
importante. Convergen sobre esta senda central biosintética otras dos sendas las
cuales provienen de dos precursores diferentes que no son carbohidratos. Una de
ellas está dada por productos intermedios del ciclo de Krebs, que se transforman en
piruvato. Este proceso se denomina gluconeogénesis. El otro camino está dado por
las reacciones que provocan la reducción del CO 2 para formar glucosa (es en las
células fotosintéticas).
1.- Formación de fosfoenol-piruvato
La conversión del piruvato en fosfoenol-piruvato no puede realizarse en
presencia de la piruvato-quinasa ya que el Gº 75 kcal . La fosforilación del
piruvato se consigue tanto en el citoplasma como en la mitocondria mediante una
secuencia reaccional de rodeo que necesita de la intervención de varias enzimas.
La primera reacción es la catalizada por la piruvato-carboxilasa (de la
mitocondria).
H2O
piruvato + CO2 + ATP
Acetil CoA + oxalacetato + ADP + Pi
Gº
0.5 kcal
La enzima piruvato carboxilasa que se encuentra en la mitocondria necesita de le
acción de la acetil CoA para actuar.
2.- El oxalacetato es reducido a malato por el NADH 2
NADH2 + oxalacetato
NAD+ + malato
Gº
6.7 kcal
3.- El malato formado difunde al citoplasma donde es reoxidado por la forma
citoplasmática de la malato-deshidrogenasa ligada al NAD para formar
oxalacetato extramitocondrial.
malato + NAD+
oxalacetato + NADH2
Gº
6.7 kcal
Esta reacción es muy endergónica, se desplaza hacia la derecha porque los
productos finales se eliminan rápidamente.
4.- El oxalacetato se transforma en fosfoenol-piruvato por la acción de los fosfoenolpiruvato-carboxiquinasa. En esta reacción el donador de fósforo es el GTP (o el
ITP).
65
Mg++
fosfoenol-piruvato + CO2 + GDP
oxalacetato + GTP
Gº
0.7 kcal
Sumando todas las reacciones, escribimos la ecuación global, teniendo en cuenta la
suma algebraica de los Gº .
fosfoenol-piruvato + ADP + GDP + Pi
piruvato + ATP + GTP
Gº
0.2 kcal
Esta reacción global es reversible, puesto que su variación de energía libre estándar
es muy pequeña. Tenderá a desplazarse a la derecha siempre que el cociente (ATP)
/ (ADP) tenga un valor elevado y que haya presente un exceso de piruvato. Para
fosforilar una molécula de piruvato se consumen dos enlaces de alto valor
energético. Practicando le dirección energética de la ecuación, se observa que el
proceso endergónico que requiere energía es:
piruvato + GTP
Gº
fosfoenol-piruvato + GDP
7.5 kcal
Mientras que el proceso que cede energía es:
ATP + H2O
ADP + Pi
Gº
7.3 kcal
Conversión en glucosa del fosfoenol-piruvato
El fosfoenol-piruvato se convierte fácilmente en fructuosa 1 - 6 difosfato por
inversión de las reacciones de la glicólisis que comienzan con la enolasa y terminan
en la aldolasa.
enolasa
fosfoenol-piruvato + H2O
2-fosfoglicerato
(1)
2-fosfoglicerato
3-fosfoglicerato
(2)
ATP + 3-fosfoglicerato
ADP + 1,3-difosfoglicerato
(3)
1-3 difosfo-glicerato + NADH2
gliceraldehído-3-P
gliceraldehido-3-fosfato + NAD+ + Pi
(4)
dihidroxiacetona-P
gliceraldehído-3-P + dihidroxiacetona-P
(5)
fructosa-1-6-di P
(1) fosfoglicerometasa - (2) - fosfoglicerato-quinasa - (3) - gliceraldehído-3 Pdeshidrogenasa - (4) - triosa-fosfato-isomerasa (5) - aldolasa
66
La reacción siguiente no se realiza en dirección a le síntesis catalizada por la
fosfofructoquinasa. Esta reacción es catalizada por la fructosadifosfatasa.
fructosa-1-6-difosfato + H2O
fructosa-6-P + Pi
Gº
0.4 kcal
En la etapa siguiente en camino hacia la glucosa la fructosa 6 P se convierte de
modo reversible en glucosa 6P por la acción de la fosfohexoisomerasa o
fosfoglucoisomerasa.
fructosa 6-P
glucosa 6-P
En la mayoría de las células la glucosa-6-P formada durante la gluconeogénesis se
emplea como precursor en la producción de polímeros de reservas como glucógeno,
almidón, de otros monosacáridos de la glucosa, de disacáridos y polímeros
estructurales. Sin embargo en determinadas células como en el hígado, riñón,
epitelio intestinal de los vertebrados, la glucosa-6-P puede desfosforilarse y libera
glucosa. El hígado constituye la fuente más importante de la glucosa sanguínea. La
escisión de la glucosa-6-P; no puede tener efecto por inversión de la reacción de la
hexoquinasa, a causa del gran cambio de energía libre estándar positiva que hay en
la dirección de formación de la glucosa libre.
glucosa-6-P + ADP
glucosa + ATP
Gº
4.0 kcal
Sin embargo la producción de glucosa libre es inducida por la glucosa -6-fosfatasa,
que cataliza la siguiente reacción exergónica de hidrólisis.
glucosa-6-P + H2O
glucosa + Pi
Gº
3.3 kcal
Esta enzima se encuentra de modo característico en el hígado y riñón de los
vertebrados. Su actividad es dependiente de los lípidos y de la estructura de la
membrana. La glucosa-6- fosfatasa no se encuentra en los músculos, ni en el
cerebro, por lo que estos órganos no poseen la capacidad de donar glucosa libre.
Resumiendo:
2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH2 + 6 H2O
glucosa + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi
Por cada molécula de glucosa que se forma se consumen seis enlaces fosfato de
alto valor energético y se requiere dos moléculas de NADH2 como reductor.
67
La reacción global es exergónica.
glucógeno
UDP-glucosa
UTP
glucosa-1-P
glucosa libre
glucosa-6-P
disacáridos
fructosa-6-P
Pi
monosacáridos
ATP
Pi
fructosa-1-6 P
gliceraldehído-3-P
3-P-glicerato
2-P-glicerato
fosfoenolpiruvato
GTP
CO2
oxalacetato
malato
malato
oxalacetato
piruvato
piruvato
68
Gluconeogénesis a partir de los intermediarios del ciclo de los ácidos
tricarboxílicos
Dijimos anteriormente que la síntesis de glucosa podría tener varios precursores.
Entre ellos los principales son los productos intermedios del ciclo de los ácidos
tricarboxílicos que pueden experimentar oxidación a malato. Entonces el malato
puede abandonar las mitocondrias y experimentar su oxidación a oxalacetato en el
citoplasma extramitocondrial; donde tiene lugar la formación de fosfoenol-piruvato
por la acción de la fosfoenolpiruvato-carboxiquinasa del citoplasma. Tres átomos de
carbono de los distintos intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos se
convierten, finalmente en tres átomos de carbono del fosfoenol-piruvato. Estos
carbonos proceden de los átomos alfa-carboxílicos (alfa-carboxílicos) y beta del
oxalacetato.
Acido oxalacético.
COOH
CH2
C
O
COOH
Gluconeogénesis a partir de acetil CoA
En los tejidos de los animales superiores no hay formación neta de nueva glucosa a
partir de los dos átomos de carbono del grupo acetilo del acetil CoA. Lo que sí
sucede es que la condensación de la acetil CoA con el oxalacetato de citrato que al
oxidarse para dar fosfoenol-piruvato pierde 3 átomos de C en forma de CO 2 . Se
deduce que no puede formar más glucosa que el oxalacetato. En los tejidos
animales la acetil CoA no puede convertirse directamente en piruvato o en succinato.
En los animales superiores no existe senda metabólica alguna por lo que los átomos
de carbono de los ácidos grasos puedan ser utilizados para producir nueva glucosa.
Gluconeogénesis a partir de los aminoácidos
Como se ha visto, algunos o todos los átomos de carbono de los distintos
aminoácidos derivados de proteínas son finalmente convertibles en acetil CoA o en
intermediarios del ciclo de Krebs. Aquellos aminoácidos que pueden servir de
precursores del fosfoenol-piruvato y por consiguiente de la glucosa son aminoácidos
glucogénicos. Ej: alanina, arginina, glicina, histidina, valina, prolina, etc. Los
aminoácidos que por degradación son capaces de formar acetoacetato se los
denomina cetógenos. Ej.: leucina. La fenilalanina y la tirosina constituyen ejemplos
de aminoácidos que a la vez son glucogénicos y cetogénicos puesto que por
degradación se escinden para formar ácido fumárico (glucogénico) y acetil CoA
(cetogénico).
69
TEMA XXI: BIOSÍNTESIS DE LÍPIDOS
Biosíntesis de ácidos grasos saturados. Formación de malonil CoA. Pasos en la
síntesis de ácidos grasos. Prolongación de los ácidos grasos saturados en la
mitocondria y los microsomas. Biosíntesis de triacil-gliceroles. Biosíntesis de
colesterol.
La ruta biosintética que conduce desde la glucosa a los ácidos grasos es importante
en la mayoría de los organismos. Puesto que la capacidad de los animales
superiores para almacenar polisacáridos es bastantes limitada la glucosa ingerida en
exceso, respecto a las necesidades calóricas inmediatas y a la capacidad de
almacenaje, se convierte en ácidos grasos, y éstos a su vez, en triacilgliceroles que
pueden almacenarse en grandes cantidades en el tejido adiposo. Constituye otro
proceso importante la biosíntesis de fosfoglicéridos de las membranas, puesto que la
mayoría de las células experimentan un recambio relativamente veloz. También se
verá la biosíntesis de colesterol. Aunque desde el punto de vista cuantitativo se trata
de una vía secundaria, el gran número de esteroles, biológicamente
activos, que
derivan del colesterol le confiere considerable importancia.
BIOSINTESIS DE LOS ÁCIDOS GRASOS SATURADOS
La síntesis completa de ácidos grasos saturados de largas cadenas tiene efecto,
solamente en la fracción soluble del citoplasma. Esta catalizada por un complejo de
siete enzimas que se denomina complejo sintetasa de ácidos grasos. Los acilderivados intermediarios del proceso no son los tioésteres de la CoA, como en el
caso de la oxidación de los ácidos grasos, sino tioésteres de una proteína de bajo
peso molecular denominado proteína transportadora de ácil os (o ACP). Esta
proteína puede formar complejos con las enzimas sintetasas a manera de un racimo.
Malonil transferasa
Acil transferasa
Palmitil
transferasa
Enzima condensante
( citonil sintetasa)
Deshidrogenasa
(2º reducción)
SH (resto fosfopantotenil
con grupo SH terminal que
enlaza los intermediarios
acílicos)
Deshidrogenasa
(1º reducción)
Deshidratasa
SH
(resto SH perteneciente a la proteína
transportadora de grupos acilos)
70
La malonil CoA es el precursor inmediato de 14 de los 16 átomos de carbono del
ácido palmítico; se forma a partir de la acetil-CoA citoplasmática (que deriva de la
acetil-CoA mitocondrial) y del CO 2 por la acción de la acetil-CoA-carboxilasa.
O
CH3
C
O
biotina
SCoA + CO2 + ATP
HOOC
++
CH2
C
S
CoA
Mn
El CO2 se convierte en el carbono carboxílico libre distal de la malonil CoA. Los
grupos acilos de la acetil-CoA y de la malonil CoA son transferidos al grupo tiol de la
ACP por acción de dos enzimas acil-transferasa y malonil-transferasa.
O
O
SH + CH3
C
SCoA
acil
SH
C
CH3 + HSCoA
SH
O
O
S
SH
S
transferasa
C
CH3 + COOH
CH2
C SCoA
O
malonil
S C CH3 + HSCoA
transferasa
S
C
O
CH2
COO H
Acetil-S-ACP y malonil-S-ACP reaccionan entre sí de manera que el grupo acetilo
del primero pasa a formar los carbonos 3 y 4 del grupos acetoacetilo, con
desplazamiento del CO 2 .
71
SH + CO2
condensante
S
C
O
CH2
C
O
CH3
La acetoacetil-S-ACP se reduce por acción del NADPH.
SH
SH
NADPH+ + H+
S
C
O
NADPH+ + H+
NADP
deshidratasa
S
deshidrogenasa
C
CH2
C
SH
O
S
C
H2O
CH2
O
H
C
CH3
OH
CH
CH3
crotonil-S-ACP
Hidroxibutiril - S- ACP
SH
C
O
CH
CH3
S
C
acil
transferasa
S
NADP
CH2
CH2
O
CH2
O
SH
CH3
CH2
CH3
butiril-S-ACP
72
La formación de butiril-S-ACP completa el primer ciclo, el cual se repite seis veces
más en el cual una molécula de malonil-S-CoA se incorpora a la ACP para dar
malonil-S-ACP la cual experimenta pérdida de CO 2 y condensación con el acilo
graso que se encuentra en el otro brazo. De ésta manera el producto es el ácido
palmítico de 16 átomos de carbono. Al final del ciclo se libera la ACP por la acción
de una desacilasa hidrolítica.
SH + CH3
(CH 2)14
COOH
ácido palmitico
SH
Las reacciones enzimáticas de la síntesis de ácidos grasos difieren de la oxidación
en:
 Su localización dentro de la célula.
 En el portador de grupos acilos.
 En la forma en que las unidades de dos átomos de carbono se adicionan
o eliminan.
 El NADPH necesario en la reducción proviene de la vía del
fosfogluconato.
PROLONGACION DE LOS ACIDOS GRASOS SATURADOS EN LAS
MITOCONDRIAS Y LOS MICROSOMAS
El ácido palmítico que es el producto final normal del sistema de la sintetasa de los
ácidos grasos del citoplasma, puede prolongarse mediante dos tipos diferentes de
sistema enzimáticos: el de las mitocondrias y del retículo endoplasmático.
En las mitocondrias los ácidos grasos saturados de 12 a 16 átomos de carbono, en
forma de ésteres de la CoA, se alargan por adiciones sucesivas de acetil-CoA. La
ruta mitocondrial se realiza por inversión de las mismas etapas implicadas en la
oxidación, con excepción de la reducción del doble enlace α β que conduce al ácido
graso saturado, que se verifica a expensas del NADHP como reductor, y no de la
flavoproteína. El sistema mitocondrial es capaz de alargar también los ácidos grasos
no saturados.
En los microsomas tanto los ésteres de ácidos grasos saturados, como los de los no
saturados pueden prolongarse, pero en este caso es la malonil-CoA la fuente de
grupos acetilos.
FORMACION DE ACIDOS MONOENOICOS (con doble enlace)
Los precursores de los ácidos grasos monoenoicos son el:
73
Acido palmítico (C16)
Acido palmitoleico (
Acido Esteárico (C18)
)
Acido oleico (
)
Aunque la mayoría de los organismos tienen capacidad para formar ácido
palmitoleico y ácido oleico, la ruta y el mecanismo utilizado dependen si el
organismo es anaerobio o aerobio.
En los organismos aerobios los dobles enlaces son introducidos por una oxigenasa
específica localizada en la fracción microsómica, especialmente del hígado y del
tejido adiposo.
No se conocen detalles completos del mecanismo enzimático, pero se sabe que se
utiliza la molécula de oxígeno como aceptor de dos pares de electrones, uno de los
cuales procede del sustrato acil-CoA y el otro del NADPH, que se requiere en la
reacción.
palmitoíl-CoA + NADPH + H+ + O2
1 par
palmitoleíl-CoA + NADP+ + 2 H2O
1 par
FORMACION DE ACIDOS POLIENOICOS
Todos los ácidos polienoicos se forman a partir de cuatro precursores:
1.- Acido palmitoleico
2.- Acido oleico
3.- Acido linoleico
4.- Acido linolénico
Los cuales sufren ulterior alargamiento y/o desaturización. Los ácidos linoleicos y
linolénicos no pueden ser sintetizados por los mamíferos quienes tienen que
tomarlos de fuentes vegetales por esta razón se denominan ácidos grasos
esenciales.
BIOSINTESIS DE TRIACIL GLICEROLES (TAG)
Los TAG, que actúan como lípidos de depósito o de almacenamiento, son
activamente sintetizados por las células hepáticas y adiposas de los mamíferos.
Para la síntesis se requieren dos precursores principales:
1.- Glicerol 3-fosfato
2.- Acil CoA graso
El glicerol 3-fosfato procede de dos fuentes:
1.- Dihidroxiacetona-fosfato que se produce en la glicólisis.
Dihidroxiacetona-fosfato + NADH + H+
glicerol-3-fosfato + NAD+
74
2.- También puede formarse por la acción de la gliceril-quinasa
ATP + glicerina
glicerol-3-fosfato + ADP
ETAPAS DE LA BIOSINTESIS
- Primera etapa: Acilación de los grupos oxidrilos libres del glicerol-3-fosfato por
dos moléculas de acil-CoA graso, produciendo un ácido fosfatídico.
O
CH2 OH
CH2 O
C R
O
CH
C
O
+
CH OH
CH2 O
R
2
C
S CoA
O
CH2 O
PO 3H2
R'
+ 2 HSCoA
PO 3H2
- Segunda etapa: El ácido fosfatídico experimenta una hidrólisis por acción de una
fosfatasa específica formando diacilglicérido.
O
CH2 O
C
O
R
CH2 O
O
CH
O
C
CH2 O
C
R
O
+ H2O
R'
CH
PO 3H2
O
C
R'
+ Pi
CH2 OH
- Tercera etapa: El diacilglicérido reacciona con una molécula de acil-graso CoA
dando triacilglicerol.
O
CH2 O
C
O
R
CH2 O
O
O
CH
O
C
R'
+
R''
C
C
R'
O
S CoA
CH
O
C
R'' + HSCoA
O
CH2 OH
CH2 O
C
R'''
BIOSINTESIS DE FOSFOGLICERIDOS
Los principales fosfoglicéridos que sirven como componentes de las membranas y
las lipoproteínas de transporte se forman por ramificaciones de la ruta biosintética a
partir del ácido fosfatídico. Además intervienen los nucleótidos citidínicos. Todas
estas reacciones tienen lugar en el retículo endoplásmico.
1) El ácido fosfatídico con el CTP se convierte en citidín-difosfato-diacilglicérido
que es el precursor común de todos los fosfoglicéridos formados por ésta ruta.
Acido fosfatídico + CTP
citidín-difosfato-diacilglicérido + PPi
75
Su porción CMP puede considerarse la portadora del ácido fosfatídico. En las
reacciones subsiguientes, cada una de las cuales es catalizada por una enzima
específica la porción CMP es desplazada por los alcoholes: serina, inositol, fosfato
de glicerilo.
O
CH2
O
C
R
O
CH
O
C
R'
CH2
O
HO
P
O
O
HO
P
O
O
CH2
citosina
O
H
H
OH
OH
H
1). CDP - diacilglicérido + serina
fosfatidil-serina + CMP
2). CDP - diacilglicérido + inositol
fosfatidil inositol + CMP
3). CDP - diacilglicérido + glicerol-fosfato
CMP
fosfatidil-glicerol-fosfato +
La descarboxilación enzimática del resto de la serina de la fosfatidilserina conduce a
la formación de la fosfatidil-etanolamina.
La fosfatidil-etanolamina es precursora de la fosfatidil-colina, la cual se forma por
transferencia de tres grupos metilos.
El fosfatidil-gliceril-fosfato es precursor de dos lípidos. Por desfosforilación rinde
fosfatidil-glicerina que es uno de los componentes de la membrana celular de
muchas bacterias. El fosfatidil-gliceril-fosfato con una segunda molécula de CDP diacilglicérido rinde cardiolipina.
76
Acido fosfatídico
CTP
Fos
fato
de
glice
rilo
CDP - diacilglicérido
ina
Ser
Inositol
Fosfatidil-serina
Fosfatidil-inositol
Fosfatidil-glicerol-fosfato
CO2
Pi
Fosfatidil-etanolamina
Fosfatidil-glicerina
+ CDP-diacilglicérido
3 CH3Cardiolipina
Fosfatidil-colina
BIOSINTESIS DE COLESTEROL
Comprende tres etapas:
1.- Conversión de acetato en ácido mevalónico
2.- Conversión de ácido mevalónico en escualeno
3.- Conversión de escualeno en colesterol.
1). Conversión de acetato en ácido mevalónico:
El ácido mevalónico tiene seis átomos de carbono por lo que se forma por
condensación de tres moléculas de acetil-CoA.
Acetil CoA + acetoacetil CoA
hidroxi -
hidroxi -
metil - glutaril CoA
NADPH2
metil - glutaril CoA + CoA
ácido mevalónico + NADP + HSCoA
2). Conversión de ácido mevalónico en escualeno:
El ácido mevalónico es fosforilado por el ATP y se convierte en ácido-3-fosfo-5pirofosfomevalónico.
CH3
COO H
CH2 C
OH
CH2
CH2
O
P
O
OH
O
P
OH
O
O
HO
P
OH
O
77
El compuesto es muy inestable pierde H3PO 4 y se descarboxila dando
isopentenil-pirofosfato que se isomeriza y dá el 3-3'-dimetil-alil-pirofosfato.
CH2
OH
C
CH2
CH2
O
CH3
CH3
C
CH
CH2
O
CH3
P
OH
O
P
O
O
OH
OH
P
O
O
P
OH
OH
O
Estos dos compuestos se condensan con pérdida de PPi dando geranil-pirofosfato.
geranil-pirofosfato + isopentenil pirofosfato
- PPi
farnesil pirofosfato
El cual experimenta condensaciones reductoras y conducen al escualeno.
3). Conversión de escualeno en colesterol
El escualeno sufre un ataque del oxígeno formando el 2-3 epóxido, el cual sufre
una ciclización a lanosterol en el cual se producen desplazamientos electrónicos
con el cierre de los cuatro anillos y formación de colesterol.-
78
TEMA XXII: BIOSÍNTESIS DE LOS AMINOACIDOS
La biosíntesis de los aminoácidos a partir de precursores sencillos, es vital para
todas las formas de vida, puesto que los aminoácidos son los precursores de las
proteínas. Sin embargo los organismos vivos difieren considerablemente en lo que
se refiere a las formas de N 2 que son capaces de utilizar con dicha finalidad.
Los animales superiores pueden utilizar NH3 como fuente de N 2 para la síntesis de
aminoácidos no indispensables, pero son incapaces de utilizar, nitritos y nitratos o
N 2 . Los rumiantes pueden utilizar los nitritos y nitratos pero solo después que las
bacterias de su panza los reducen a NH3 .
Las plantas superiores pueden producir todos los aminoácidos requeridos para la
síntesis de proteínas, a partir tanto de NH3 como de nitratos, como fuentes de N 2 .
Pueden utilizar el NH3 como tal o después de su oxidación a nitrato por acción de las
bacterias del suelo. Las leguminosas son capaces de fijar N 2 atmosférico como NH3
por acción de las bacterias que se encuentran en sus nódulos radicícolas.
Los microorganismos difieren ampliamente en cuanto a su capacidad de efectuar
síntesis de aminoácidos. Algunos no pueden crecer si no se le suministran algunos
aminoácidos ya formados. Otros como E.Coli pueden obtener todos sus aminoácidos
a partir de NH3 .
Los veinte aminoácidos se sintetizan gracias a unas secuencias polienzimáticas,
algunas de las cuales son extremadamente complejas como es el caso en las
mayoría de las vías biosintéticas, las sendas de las síntesis aminoácidas son, en su
mayor parte, diferentes a las seguidas en sus degradaciones.
Por una parte los aminoácidos sirven no sólo como bloques de montajes en la
síntesis de proteínas sino también como precursores de muchas biomoléculas que
poseen gran variedad de funciones especializadas. Es frecuente que las rutas de
síntesis y degradaciones aminoácidas incluyan ciertas ramificaciones o extensiones
conducentes a la formación de tales productos especializados.
Ya hemos visto que las formas biológicas de N 2 disponibles son relativamente
escasas en los ambientes inanimados, porque el proceso de fijación de N 2
atmosférico está circunscrito a unos pocos organismos
Además las propias síntesis de las enzimas que catalizan la formación de los
aminoácidos se hallan también bajo control, tales síntesis pueden resultar
reprimidas, si la célula dispone de un suministro exógeno de aminoácido. Ambas
formas de regulación constituyen el reflejo de una intrínseca economía celular que
prevalece en la síntesis y en la utilización de los aminoácidos.
BIOSINTESIS DE LOS AMINOACIDOS NO ESENCIALES:
Se definen a éstos como aquellos aminoácidos que pueden ser sintetizados por la
rata albina. Conviene considerar en primer lugar este grupo de aminoácidos, porque
la mayoría de los organismos pueden realizar su síntesis. Además este grupo se
distingue porque sus rutas biosintéticas son más bien cortas y muestran variaciones
relativamente pequeñas de unas especies a otras.
79
BIOSINTESIS DE ACIDO GLUTAMICO, GLUTAMINA Y PROLINA:
Las rutas biosintéticas de estos aminoácidos que están íntimamente relacionados
son idénticas en todas las formas de vida. Los tres se degradan por sendas que
conducen al
cetoglutarato, y los mismos caminos que se emplean para su
síntesis. El ácido glutámico se forma desde luego a partir de NH3 y de ácido
cetoglutárico por acción de la L-glutamato ~ deshidrogenasa.
NH3 + ácido
oxoglutárico + NADPH + H+
ácido L-glutámico + NADP+
Esta reacción es de importancia fundamental en la biosíntesis de cualquier
aminoácido en todas las especies, pues se trata de la ruta primaria sino la única de
formación directa de grupos
amino a partir de NH3 . La transaminación de los
ácidos
-ceto con el ácido glutámico como donador de grupos NH2 , constituye la
senda principal de introducción de grupos -amino en la biosíntesis de la mayoría
de los aminoácidos.
La Glutamina se forma a partir del ácido glutámico por la acción de la glutamina ~
sintetasa.
NH3 + ácido glutámico + ATP
Glutamina + ADP + Pi
Esta reacción es bastante compleja e implica dos o más etapas intermedias. Se ha
observado que el ~glutamil fosfato actúa como intermediario de alta energía ligado
a la enzima.
O
OH
C
O
CH2
OH
O
CH2
H
P
ácido
C
glutamil-fosfórico
NH2
COOH
ATP + Acido glutámico
glutamil~fosfato
+ NH3
ADP +
glutamil~fosfato
glutamina + Pi
La prolina se sintetiza a partir de ácido glutámico por inversión de la ruta metabólica,
antes descrita para la oxidación de la prolina.
Los restos de hidroxiprolina que se encuentran en el colágeno y en otras proteínas
fibrosas, se forman a partir de determinados restos de prolina de esas proteínas por
acción de la prolin-hidroxilasa. Esta oxigenasa de función mixta utiliza el
cetoglutarato como correductor y el oxígeno corno aceptor electrónico. En la
80
reacción se requieren Fe
y ácido ascórbico como cofactores. Sin embargo la
prolin-hidroxilasa no transforma la prolina libre en hidroxiprolina.
NH 2
OH-C-CH 2-CH 2-CH-COOH
O
Acido Glutámico
NADH
2
NH2
H
C
CH2 CH2 CH
semialdehído
glutámico
COOH
inhibición
O
H2C
CH2
H
HC
Acido 1~pirrolín
5 carboxílico
C
N
COOH
NADH 2
H2C
CH2
H2C
C
H
N
COOH
H
Prolina
BIOSINTESIS DE ALANINA: ACIDOS ASPARTICO Y ASPARAGINA:
En muchos organismos la alanina y el ácido aspártico se forman por transaminación
de ácido pirúvico y del ácido oxalacético respectivamente.
ALANINA
O
CH3 C
NH2
COOH + HOOC
CH2 CH2 C
COOH
NH2
CH3 C
H
Acido pirúvico
O
COOH + HOOC
H
Acido glutámico
CH2 CH2 C
COOH
α cetoglutarato
Alanina
ACIDO ASPARTICO
O
HOOC
CH2 C
NH2
COOH + Acido glutámico
Acido oxalacético
HOOC
CH2 C
COOH + Acido -oxoglutámico
H
Acido Aspártico
En algunas plantas estos dos compuestos se producen por Aminación reductora. El
81
ácido Aspártico es el precursor directo de la asparagina. En muchos organismos
ésta se forma por una reacción similar a la catalizada por la glutamin-sintetasa.
NH2
HOOC
CH2 C
NH2
NH2
COOH + NH3 + ATP
H
C CH2
O
Acido Aspártico
C
COOH + ADP + Pi
H
Asparagina
TIROSINA
Aunque la Tirosina es un aminoácido no indispensable, su síntesis requiere el
aminoácido esencial feniIalanina, como precursor. La tirosina se forma a partir de la
fenilalanina por una reacción de hidroxilación catalizada por la fenil-alaninhidroxilasa. La cual como hemos visto participa de la degradación de la fenilalanina.
Fenilalanina + NADPH + H+ + O2
Tirosina + NADP+ + H2O
BIOSINTESIS DE AMINOACIDOS ESENCIALES
Las sendas de la síntesis de los aminoácidos esenciales se han deducido en gran
parte, de estudios bioquímicos y genéticos practicados con bacterias. En general los
caminos son idénticos en la mayoría de las especies bacterianas y plantas
superiores. Sin embargo en algunos casos se observan diferencias de especie en
algunas etapas individuales. Las sendas que llevan a la biosíntesis de los
aminoácidos esenciales son más largas que las que llevan a la síntesis de los no
esenciales. También son más complejas posiblemente porque varios intermediarios
sirven también como precursores de muchas otras clases de biomoléculas.
BIOSINTESIS DE METIONINA Y TREONINA
Estos dos aminoácidos esenciales tienen un denominador común: sus esqueletos
carbonados proceden de la homoserina. Análogo de la serina con cuatro átomos de
carbono. A su vez la cadena de carbonos de la homoserina deriva del esqueleto del
ácido aspártico, luego de una serie de reacciones que no tienen lugar en los
mamíferos.
El camino metabólico de la reducción del grupo -carboxílo de ácido aspártico al
correspondiente aldehído se parece a la reducción de 1-3 difosfoglicerato al 3
gliceraldehído-fosfato de la ruta de la glicólisis.
La homoserina formada en la primera etapa se fosforila a fosfato de homoserina
mediante una reacción que requiere ATP.
El fosfato de homoserina se convierte en Treonina por acción de la Treonínsintetasa, enzima que requiere fosfato de Piridoxal.
En esta reacción se elimina ácido fosfórico de los carbonos 3 y 4, se obtiene así un
82
doble enlace 3,4 que se isomeriza a la posición
formar Treonina.
2,3
y después se hidrata para
SINTESIS DE TREONINA
O
COOH
CH2
H
C
ATP
OH
C
ADP
O
CH2
apartil
NH2 quinasa
H
C
COOH
Acido
aspártico
P
OH NADH
CH2
O
CH2
C
P
H
NH2
N
CH
CH2
C
H
NH2
ENZ.
C
NH2
COOH
COOH
Semialdehído
aspártico
Homoserina
CH2
OH
O
CH2 OH
NAD+
NADH
O
CH2
COOH
aspartil
fosfato
ADP
C
O
OH
ATP
H
NAD+
H+
CH
- Pi
Complejo enzimático
-homoserin-fosfato
C
N
CH
ENZ.
COOH
COOH
CH3
+
H
CH3
H2O
CH
C
N
COOH
CH
ENZ.
CH3
H
C
OH
H
C
N
COOH
H2O
CH
ENZ.
H
C
OH + O
H
C
NH2
CH
ENZ.
COOH
Treonina
Se cree que la secuencia completa tiene lugar con el grupo
NH2 del sustrato
unido al grupo aldehído del fosfato de piridoxal de la enzima como una base de
Schiff, en éste complejo el átomo de H2 es lábil.
El producto final de la secuencia, la treonina, es un inhibidor modulador de la
primera enzima del sistema que es la enzima regulador aspartil-quinasa.
METIONINA
La conversión de la homoserina en metionina comienza con la formación enzimática
de la O~succinil homoserina por transferencia de un grupo succinilo del succinil-CoA.
En la reacción siguiente se forma cistationina a partir de la O succinil-homoserina y
de la Cisteína la cual, a su vez escinde, para dar homocisteína ácido pirúvico y NH3 .
La Cisitationina puede experimentar dos tipos de escisión, uno a cada uno de los
lados del átomo de azufre, así puede servir como intermediario de la conversión de
Metionina en Cisteína en los mamíferos y de la transformación de Cisteína en
Metionina en las plantas y bacterias.
83
O
CH2 OH
Succinil CoA
CH2
H
C
NH2
H
COOH
CH2 O
C
CH2
CH2
C
S
CH2
NH2 CH2
COOH
Homoserina
CH2
Cisteína
H
COOH
C
CH
H
NH2
C
NH2
COOH
COOH
O succinil - homoserina
Cistationina
CH3
SH
S
CH2
Piruvato
CH2
+ NH2
H
C
CH2
DA ~ Cobalanina
CH2
5
NH2
N ~ Metil
tetrahidroflorato
COOH
Homocisteina
H
C
NH2
COOH
Metionina
La metilación de la Homocisteína a Metionina en E. Coli tiene lugar por transferencia
del grupo Metilo de N5 metil tetrahidrofolato.
N5 metil tetrahidrofolato + homocisteína
D. A. ~ Cobalamina
tetrahidrofolato + metionina
En esta reacción se requiere Desoxiadenosilcobalamina, coenzima que contiene
vitamina B12 , su acción como portador de grupo metilo ( CH3 ) del N5 metiltetrahidrofolato el cual puede provenir originalmente de varios donadores de grupos (
CH3 ) metilo, tales como la colina o la 5-adenosil-metionina. A su vez, la
homocisteína es uno de los posibles aceptores de grupos
( CH3 ) metilo.
Funciones Precursoras de los Aminoácidos: Biosíntesis de Porfirinas
Los aminoácidos son precursores de muchas biomoléculas (aparte las proteínas)
que ejercen importantes funciones biológicas, tales como hormonas, vitaminas,
coenzimas, alcaloides, porfirinas, antibióticos, pigmentos y sustancias
neurotransmisoras.
Es digno de mención especialmente, el hecho de que los aminoácidos cromáticos,
sean los principales precursores de buen número de alcaloides entre ellos la
morfina, la codeína, y la papaverina, así como de muchas otras sustancias con
intensa actividad biológica, tales como la hormona tiroxina, la hormona de
crecimiento vegetal: ácido indolacético, el poderoso vasocontrictor neurohumoral:
serotonina y las hormonas catecolamínicas: epinefrina y norepinefrina.
Los aminoácidos son precursores de pequeños péptidos, como el glutatión y de las
hormonas péptidas, como la bradiquinina, oxitocina y la vasopresina.
El péptido glutation se sintetiza según las siguientes reacciones:
84
Acido glutámico + Cisteína + ATP
Mg++
Glutamilcisteína + ADP +P
Glutamilcisteína + Glicina + ATP
i
Glutatión + ADP + Pi
La biosíntesis de las Porfirinas cuyo principal precursor es la Glicina requiere
especial atención por la importancia central del núcleo porfirínico en la función de la
hemoglobina, de los citocromos y de la clorofila. Los tetrapirroles se construyen a
partir de cuatro moléculas del derivado monopirrólico Porfobilinógeno, que a su vez
se sintetiza según las siguientes etapas:
COOH
COOH
CH2
HSCoA
CH2 NH2
COOH
COOH
CH2
CH2
+
CH2
C
COOH
S CoA
Glicina
O
H
Succinil~CoA
CH2
CH2
C O
C O
C
CH2
NH2
COO H
NH2
Acido amino
levulínico
Acido amino
oxoadípico
En la primera reacción la glicina reacciona con el succinil-CoA para dar ácido
amino
oxoadípico quien luego se descarboxila para dar ácido amino-levulínico
reacción que es catalizada por la amino~levulínico~sintetasa; enzima que requiere
fosfato de piridoxal y se encuentra en el retículo endoplásmico de las células
hepáticas.
Luego dos moléculas de amino-levulínico se condensan para formar porfobilinógeno
bajo la acción de la aminolevulínico deshidrasa.
COOH
COOH
HOOC
CH2
CH2
CH2
CH2
C
C
CH2 C
C
2 H2O
H
C
C
CH2
NH2
H
CH2
+
O
C
H
C
CH2 COOH
O
H
N
H
NH2
N
H
H
Porfobilinógeno
H
85
Como precursores de la Protoporfirina actúan cuatro moléculas de porfobilinógeno, a
través de una serie compleja de reacciones, la primera de las cuales la cataliza la
porfobilinógeno~desaminasa. Algunas de las etapas de la serie permanecen aún
oscuras.
El hierro no se incorpora hasta que se ha completado la molécula de la
protoporfirina. Esta incorporación requiere una enzima, la hemo-sintetasa o
Ferroquelatasa que está localizada en las mitocondrias.
HOOC
CH2 COOH
CH2
CH2
C
C
CH2 C
C
CH
NH2
H
Porfobilinógeno
CH
C
C
C
CH2
C
CH
H
CH3 C
C
N
N
CH3
H
H
C
C
CH3
C
C
CH
N
H
CH2
CH2
COOH
C
C
CH2
H
HC
C
C
C
C
CH2
CH3
CH
CH2
COOH
Protoporfirina IX
La degradación de la protoporfirina IX, conduce a la bilirrubina y a biliverdina, que
son pigmentos segregados en la bilis.
86
TEMA XXIII: BIOSINTESIS DE LOS MONONUCLEOTIDOS
Biosíntesis de los nucleótidos de purina. Vías del ácido inosínico hacia los ácidos
adenílico y guanílico. Biosíntesis de los nucleótidos de pirimidina.
La biosíntesis de ribonucleótidos y desoxiribonucleótidos es un proceso vital ya que
estos compuestos son precursores directos del ADN y del ARN así como de las
coenzimas nucleotídicas.
Las rutas metabólicas de formación de sus bases (púricas y pirimidínicas) tienen
una importancia central.
Biosíntesis de nucleótidos purínicos: Origen biosintético de los átomos del anillo
purínico.
Proviene de los experimentos realizados por Bucherer quién administró a animales
precursores marcados y luego determinó los sitios del núcleo purínico a los que se
habían incorporado los átomos marcados. Esta experiencia se realizó en aves, que
excretan el N 2 en forma de ácido úrico que es un derivado de las purinas.
Ácido úrico:
CO 2
Glicina
7
C
N
6
Aspartato
N
1
5
C
C
Formiato
C
8
Formiato
C
2
4
N
3
N
9
amida de la glutamina
Construcción del núcleo púrico:
N9
NH2 de la glutamina
glicina
aminotransferasa
PP
ADP + P
ácido glutámico
P O CH2
H
H
NH 2
R
P
fosforibosilamina
O
P
ATP
OH
H
H
OH
OH
fosforibosilpirofosfato (FRPP)
87
C4 y C5
N7
C8
NH2
NH
"CHO"
CH
CH2
glutamina
CHO
CoF
C
ácido glutamínico
C
NH
NH
O
O
R
P
R
glicinamida ribótido
P
formil - glicinamida ribótido
N3
C6
O
N1
N
C
CO2
CH
NH2
N
"CHO"
CH
CH
CH
Acido aspártico
C
NH2
N
R
P
C
N
R
5 aminoimidazol ribótido
O
CoF
NH2
P
5 aminoimidazol 4 carboxamida ribótido
C2
N
NH
CH
CH
N
N
R
P
Inosina 5' - fosfato
Acido Inosínico IMP
88
Vías del ácido inosínico hacia los ácidos adenílico y guanílico
O
H
N
N
N
IMP (H+ inosínico)
N
R
P
NAD
aspartato
[O]
NADH2
GTP
GDP + Pi
O
H
HOOC
H
N
N
CH2 C
COOH
NH
O
N
N
H
R
H
N
N
P
N
H+ glutámico H+ Xántico
glutamina
ATP
aspartato
AMP
N
R
AMP + PP
P
fumarato
O
NH2
H
N
N
H
NH2
N
N
N
N
N
R
N
P
R
GMP (H+ guanílico)
P
AMP (H+ adenílico)
89
Vías de la biosíntesis de nucleótidos purínicos:
ATP
base púrica
AMP
Ribosa 5 P
5 P Ribosil PP
Nucleótido
Pi
Ribosa 1 P
base púrica
Nucleósido
ATP
AMP
Nucleótido
Pi
Biosíntesis de GDP, GTP y ADP, ATP:
GMP + ATP
GDP + ADP
GDP + ATP
GTP + ADP
AMP + GTP
ADP + GDP
ADP + GTP
ATP + GDP
Regulación de la síntesis de Nucleótidos Purínicos:
E
PRPP
AMP
ADP
ATP
GMP
GDP
GTP
H+ inosínico
5 fosforibosilamina
En este caso el exceso de ATP, ADP o AMP o de GTP, GDP o GMP producen una
inhibición a nivel de la enzima que cataliza la reacción entre el fosforibosilpirofosfato
y la 5 fosforibosilamina, por lo tanto se frena la secuencia metabólica y se inhibe la
biosíntesis. Es un caso de retroalimentación negativa.
Biosíntesis de Nucleótidos de Pirimidina
Es una ruta similar a la de los nucleótidos purínicos, pues las bases libres no son
productos intermedios.
Esta ruta es más simple y se diferencia en que la D-Ribosa se acopla después que
se ha formado el anillo pirimidínico. El precursor es el ácido Orótico.
O
C
H
O
N
C
H
C
C
COOH
N
90
ácido orótico
H2O
carbamil PO4
Acido Aspártico
Acido Carbamil Aspártico
Dihidrotasa
PO4
PRPP
NAD
Acido Dihidrótico
PP
Acido Orotidílico
OMP
Acido Orótico
fosforibosil-tr
ansferasa
NADH2
CO2
Acido Uridílico
OMP
descarboxilasa
UMP
(uridin monofosfato)
UMP + ATP
UDP + ADP
UDP + ATP
UTP + ADP
Biosíntesis de CTP (citidin trifosfato)
O
NH2
C
H
C
N
C
H
C
C
H
ATP
+
O
P
P
P
triofosfato de uridina (UTP)
C
H
C
C
H
NH3
O
N
R
ADP + Pi
N
N
R
P
P
P
triofosfato de citidina (CTP)
En Escherichia Coli (bacteria) el que dona el grupo NH2 es el NH3 libre. En los
mamíferos es el grupo amino de la glutamina.
Regulación de la biosíntesis de nucleótidos de pirimidina
Cuando hay un exceso de UTP y de CTP este exceso determina la inhibición de la
aspartato carbamil transferasa, enzima que inicia la ruta de biosíntesis, por lo tanto
se produce el fenómeno de retroalimentación negativa o feed-back.
91
Acido Aspártico
aspartato carbamil transferasa
Acido carbamil
Aspártico
UMP
UTP
CTP
Biosíntesis de desoxi-TMP (timidín-monofosfato)
O
O
C
H
N
C
O
C
CH
H
CH
H
N5; N10.Metilen
Tetrahidrofolato
FH2
Dihidrofolato
H
N
C
O
N
desoxi R P (dUMP)
C
CH3
C
H
N
desoxi R P (d-TUMP)
Reacciones fosfotransferásicas:
ATP + d ADP
ADP + d ATP
ATP + d CDP
ADP + d CTP
ATP + d TDP
ADP + d TTP
ATP + d GDP
ADP + d GTP
Los precursores del ADN (ácido desoxiribonucléico) son desoxi-ribonucleótidos. Los
precursores del ARN (ácido ribonucléico) son ribonucléotidos.
92
TEMA XXIV: NATURALEZA, ESTRUCTURA Y REPLICACION DEL MATERIAL
GENETICO
Evidencias de que el ADN es el material genético. Estructura del ADN: Ley de
Chargaff, estudios de difracción con rayos X. Modelo de Watson y Crick. El dogma
central de la Biología Molecular. Replicación del ADN: replicación semiconservativa.
La genética estudia la transmisión hereditaria y la variabilidad de los caracteres de
los organismos.
En este capítulo veremos las bases bioquímicas de algunas cuestiones centrales,
que plantea la continuidad genética y la evolución de los organismos vivos.
¿Cuál es la naturaleza molecular del material genético y de sus unidades
fundamentales, los cromosomas, los genes, los símbolos de código?
¿Cómo se replica la información genética para pasar de una generación a otra?
¿Cómo se transcribe la información en la célula?
¿Cómo se traslada la información genética a la secuencia de aminoácidos de las
moléculas proteicas?
Los extraordinarios avances en el conocimiento de la base molecular de la genética
han provocado una revolución intelectual en biología, que se considera comparable
a la que comenzó con la teoría de Darwin sobre el origen de las especies. Todos los
campos de la biología han resultado profundamente influídas por tales avances, de
tal modo que en la actualidad no se puede estudiar problema bioquímico alguno
prescindiendo de su fondo genético. El conocimiento actual de la base molecular de
la genética deriva de los avances realizadas en tres campos científicos diferentes: la
genética, la bioquímica y la física molecular.
A. En el campo de la genética, ¿qué progresos hubieron?
Al principio el único medio de llevar a cabo análisis genéticos consistía en realizar
experiencias con apareamientos debidamente orientados, es decir ya teniendo un
conocimiento de los resultados de la reproducción sexual. Experiencias de esta
clase presenta grandes limitaciones en cuanto al tiempo de generación que es
relativamente grande y el número de descendientes que es relativamente
pequeño.
Supongamos por ejemplo, que se investigan fenómenos genéticos utilizando
cobayos como animales de experimentación. Se eligen progenitores apropiados y
se identifican por anticipado los caracteres de la descendencia. El período de
gestación es de 10 semanas y el número de descendientes es de 2 a 4. Con este
número de descendientes se revela una pequeña parte de los rasgos potenciales
capaces de ser transmitidos por los padres y para estudiar la reproducción de los
descendientes hay que esperar que los cobayos alcancen la madurez sexual.
El desarrollo de la genética microbiana ha aportado un gran avance. Los
microorganismos y particularmente las bacterias se multiplican rápidamente
(algunos a intervalos de 15').
Otro progreso experimental que es el uso de rayos X y otros agentes
mutagénicos, que incrementan la velocidad de mutaciones espontáneas.
MUTACION: alteración de un gen que puede ser espontánea o inducida (rayos X,
radiación U.V., etc.
93
Como las propiedades de la célula están controladas por genes los caracteres
pueden cambiar por mutación. De esta manera se pudo conocer la secuencia de
los genes en los cromosomas y saber que los genes poseen un gran número de
locus que pueden experimentar mutación; y que químicamente están constituidos
por ácido desoxiribonucléico.
Pero el desarrollo más importante en el campo de le genética fue:
La enunciación de la hipótesis de "un gen - una enzima", por Beadle y
Tatum que dice que los genes se expresan a través de proteínas, por lo
tanto, las mutaciones darán origen a proteínas alteradas.
El descubrimiento de Avery y Col, que demostraron que el ADN contiene
la información genética.
B. En el campo de la bioquímica, muchos avances experimentales importantes se
hicieron posibles gracias a la mejora de métodos cromatográficos, que hicieron
posible el análisis cuantitativo de la composición aminoácida y de la secuencia de
las proteínas y mostraron que le secuencia varía según función de la proteína.
También se llegó a establecer la composición y estructura covalente de los
ácidos nucleicos.Uno de los desarrollos más significativos consistió en el
descubrimiento de la equivalencia de ciertas bases del ADN que se convirtió en
un elemento importante para deducir su estructura tridimensional.
C. En el campo de la física molecular la aplicación de difracción de rayos X a la
conformación de moléculas de proteínas fibrosas y globulares llevó al concepto
de que cada tipo de molécula proteica posee una conformación específica, que
determina su función biológica. Pero el hecho fundamental fue la aplicación de
los rayos X al análisis de la estructura tridimensional del ADN. En 1953 Watson y
Crick postularon una estructura de doble hélice para el ADN que sugirió un
mecanismo sencillo por medio del cual la información genética puede transferirse
de la célula progenitora a la célula hija. La hipótesis de Watson y Crick fue pronto
ampliada y extendida hasta llegar a lo que Crick denominó el dogma central de la
genética molecular, el cual establece que la información genética fluye del ADN
al ARN y de éste a las proteínas; relación frecuentemente simbolizada así:
ADN
ARN
proteínas
El dogma central definió tres procesos principales de la preservación y
transmisión de la información genética.
1. Réplica, es decir, la copia del ADN con formación de moléculas hijas idénticas.
2. Transcripción, por el cual el mensaje genético del ADN es transcripto en
forma de ARN para ser llevado a los ribosomas.
3. Traducción, por la cual el mensaje genético es descifrado y convertido en
el alfabeto de 20 letras de la estructura proteica.
Evidencias de que el ADN es el material genético
Aunque el ADN se descubrió en los núcleos celulares en 1.869, no se identificó
como portador directo de la información genética hasta 1.943.
Avery y Col hallaron que una cepa no virulenta de la bacteria Pneumococcus puede
transformarse de modo hereditario, en una cepa virulenta por simple adición de un
94
ADN extraído de un neumococo virulento. Lo que sucede es que el ADN se
incorpora covalentemente al ADN de la célula receptora donde se replica con la
célula huésped.
De especial significación son los experimentos de Hershey y Chase. Marcaron el
ADN de las partículas vírales e incubaron con la célula huésped mientras que la
proteína viral no.
En 1955 Pauling mostró que en la anemia falciforme los glóbulos rojos se presentan
en forma de hoz debido a una alteración de la molécula de hemoglobina. Lo que
ocurría es que en la hemoglobina normal su cadena tiene un ácido glutámico en
posición G, mientras que en la anemia falciforme tiene valina. Este hallazgo deja en
claro algo fundamental: una mutación puntual en el ADN puede determinar el cambio
de un aminoácido de la secuencia polipeptídica de una proteína.
ESTRUCTURA DEL ADN
Se hicieron numerosos estudios tendientes a conocer la Estructura del ADN. En
1.938 Astbury observó que sometiendo al ADN al análisis de difracción de rayos X
presentaba reflexiones que corresponden a un espaciado regular de 3,4 Å a lo largo
del eje de la fibras. Si bien el significado de ésta observación no estaba bien clara,
porque se sabía que el ADN utilizado era impuro.
Sin embargo, más tarde Franklin y Wilkins obtuvieron datos más precisos operando
con fibras de ADN altamente purificadas y encontraron dos periodicidades de 3,4 Å y
de 34 Å. En el periodo 1.949 – 1.953 Chargaff y Col explicaron métodos
cromatográficos cuantitativos para la determinación analítica de las 4 bases del
ADN. De dichos estudios se obtuvieron las siguientes conclusiones:
Las muestras de ADN aisladas de diferentes tejidos de una misma especie
poseen igual composición de bases.
La composición de bases del ADN varía de una especie a otra.
La composición de bases del ADN de una determinada especie no cambia con
la edad, con el estado de nutrición, ni con los cambios ambientales.
En todos los ADN examinados el número de restos de adenina es igual al de
restos de timina (es decir: A = T); el número de restos guanínicos es igual al de
los citosínicos (G = C ).
La equivalencia de bases observadas en el ADN plantearon la posibilidad de que
existe un nivel de organización estructural de las moléculas del ADN que sea
compatible con ciertas equivalencias de bases, pero incompatibles con otras.
Además ya se pensó en una conformación tridimensional para el ADN. De esta
manera el escenario ya estaba dispuesto para proponer la conformación
tridimensional del ADN. Es decir se contaba con tres elementos.
1. Tamaño de las bases;
2. Periodicidades observadas;
3. Equivalencia de ciertas bases.
El interés en el problema se acrecentó ante la difícil interrogación de como podía
replicarse el ADN con tanta fidelidad.
En 1.953 Watson y Crick postularon un modelo tridimensional preciso para la
estructura del ADN, basado en los datos de rayos X de Franklin y Wilkins y en las
95
equivalencias de bases observadas por Chargaff. Este modelo no solo explicaba las
propiedades físicas y químicas del ADN, sino que sugería un mecanismo por medio
del cual la información genética podía replicarse con exactitud. El modelo estructural
del ADN de Watson y Crick consiste en dos cadenas polinucleotídicas dextrohelicoidales, arrolladas a un mismo eje y constituyendo una doble hélice. Las bases
púricas y pirimídicas de cada hebra se encuentran en el interior de la doble hélice.
El aparejamiento de las bases apartadas por ambas hebras es tal que solamente
ciertas bases encajan en el interior de la estructura de manera que puedan unirse
unas a otras por puentes hidrógeno. Las bases son:
A-T
y
G-C
Que son las parejas que muestran exacta equivalencia:
núcleo de
AyG
N
núcleo de
TyC
N
N
N
N
Si el par sería A - G serían demasiado grandes para poder encajar dentro de la
doble hélice de estas dimensiones.
Si la pareja fuera G - T las bases se encontrarían muy distanciadas para poder
formar enlaces hidrógeno estables.
A
A
G
T
T
C
A
T
T
A
C
A
G
G
T
C
Además los enlaces hidrógeno entre A – G y C – T son más débiles que A – T y G –
C, o sea que la doble hélice implica aquellas parejas que poseen el máximo de
estabilidad. ¿Por qué las dos periodicidades observadas con los rayos X?. Se
postuló que la periodicidad de 3,4 Å se debe a que las bases están apretadamente
apiladas al eje y mantienen una distancia de 3,4 Å de centro a centro. En cada
espira de la hélice hay 10 nucleótidos y de una espira a otra hay 34 Å.
Las bases hidrófobas están en el interior de la hélice, los restos carbohidratos y los
fosfatos que poseen carga eléctrica están expuestas al H2 O . Así resulta que la doble
hélice está estabilizada no sólo por los puentes hidrógeno entre les bases
complementarias sino también por interacciones hidrofóbicas entre dichas bases
apiladas. Las dos cadenas polinucleótidas de la doble hélice no son idénticas ni en la
composición ni en la secuencia de bases. Ambas cadenas son complementarias una
de la otra. Esta estructura conduce a un mecanismo por medio del cual la
información genética puede replicarse con precisión. Dado que las dos hebras son
complementarias una de la otra, y contienen información genética complementaria,
se postuló que durante la división celular la réplica del ADN podría ocurrir por
separación de las dos hebras, con lo que cada una haría de patrón especificador de
la secuencia de bases de una nueva hebra complementaria sintetizada. EI resultado
96
final de este proceso consistiría en la formación de dos moléculas hijas de un ADN
de doble hélice, cada una de las cuales contendría una de las hebras del progenitor.
REPLICACION DEL ADN
De acuerdo al dogma central de la genética molecular, quedó establecido que:
ADN
ARN
proteínas
O sea que éste dogma definió tres procesos fundamentales de los cuales el primero
es el de REPLICA, es decir la "copia" del ADN con formación de moléculas hijas.
Veremos como sucede éste proceso a nivel molecular. La característica más
sorprendente de la hipótesis de Watson y Crick, desde el punto de vista genético, en
su postulado de que las dos hebras del ADN duplohelicoidales son complementarias.
La réplica de cada una de ellas conduce a dos moléculas hijas de ADN; cada una
contiene una hebra del ADN progenitor. Este proceso se denomina réplica
semiconservadora.
Pero ¿Cómo pueden replicarse simultáneamente las dos hebras del ADN de modo
que se formen al mismo tiempo.
Éste mecanismo requiere tres enzimas:
ADN - polimerasa dependiente del ADN
ADN - ligasa
Endodesoxiribonucleasa
ADN – polimerasa
Cataliza la síntesis de enlaces internucleótidos. Posee los siguientes requerimientos:
1). Presencia da ADN preformado
2). Presencia de los cuatro desoxiribonucleótidos trifosforados, los mono y
difosforados son inactivos.
3). Mg++
¿Qué papel desempeña el ADN preformado? Se han propuesto dos alternativas:
1. Que actúa como cebador, es decir, que al proporcionar un extremo o puntos
de crecimiento, se pueden adicionar nuevos mononucleótidos.
97
hebra patrón
hebra cebadora
2. O bien podría ser utilizado como patrón sobre el cual la enzima podría
construir una hebra complementaria al ADN preformado.
nd ATP
d
nd GTP
ADN preformado
nd CTP
Mg++
d
nd TTP
d
d
ADN
|
AMP
|
GMP
|
CMP
|
TMP
+
4 PPi
Teniendo en cuenta estos requerimientos la reacción global sería así.
Mecanismo de acción de la ADN – Polimerasa
Si partimos de una hebra cebadora de ADN o sea de un ADN preformado:
OH
HO
P
H2C
O
O
H
Base
H
H
O
H
P
O
O
HO
H
O
Base
H
H
OH
H
O
H
O
H
P
OH
O
P
O
OH
P
OH
O
P
O
PPi
H2C
OH
PPi
O
O
H
+
H2C
OH
H
Base
P
OH
H
Base
H
H
OH
H
OH
H2C
O
H
Base
H
H
OH
H
OH
98
Hay un ataque al átomo de fósforo alfa del nucleótido trifosforado entrante y provoca
el desplazamiento de su grupo pirofosfato, con formación de enlace internucleótido.
El PPi formado es rápidamente hidrolizado por una pirofosfatasa por lo cual la
reacción es muy exergónica. La dirección de la síntesis es por lo tanto 5’ --- 3'.
ADN ligasa
1. Enlaza extremos de moléculas de ADN produciendo formas circulares. Ej.:
bacterias.
2. Cataliza la reparación de roturas de una cadena de ADN.
Requerimientos de la ADN ligasa
1. Presencia de NAD que actúa como fuente de grupos adenilo.
2. Una hebra intacta de ADN.
Mecanismo de acción de la ADN ligasa
O
Base
CH2
O
P
NMN
OH
NAD
AMP
5'
Dinucleótido
constituído
NMN y AMP
OH
H
OH
3'
H
Base O
1. Enzima + NAD --------------- En - AMP + NMN.
Se forma un complejo entre En y AMP y se forma NMN como producto
secundario.
2. El grupo adenilo es transferido por la Enzima al extremo 5’ fosfato.
3. El extremo 3' OH desplaza al grupo adenilo y forma el enlace fosfodiéster.
99
OH
O
Base O
CH2
O
P
O
O
OH
P
H2C
ó
Base O
Adenina
OH
CH 2 O
HO
P
O
O
OH
Base O
Base O
Mecanismo de replicación
Antes de hablar de la replicación es importante acotar que la cadena de ADN
recién sintetizada se prolonga en dirección opuesta a la cadena de ADN patrón, es
decir, tiene una polaridad opuesta o antiparalela.
P
3'
T
T
A
5'
3'
cebadora
P
P
3'
5'
3'
5'
5'
3'
A
T
T
3'
P
P
Kornberg: postuló que la réplica comienza con la producción de una mella o una
rotura en una hebra por acción de una endonucleasa. Unidades de MN adicionadas
por la ADN polimerasa:
5'
5'
3'
3'
5'
3'
La ADN polimerasa se fija a dicha rotura y comienza a prolongar el extremo 3'
unidades de mononucléotidos.
El extremo 5' se desplaza de la estructura duplex. Se sugiere que el extremo 5'
100
puede estar sujeto por adherencia a la membrana celular. La réplica continua
durante cierto trecho mientras que el extremo 5' se va "pelando". La ADN polimerasa
se desplaza de lugar, o salta, desde la hebra patrón intacta a la hebra mellada en el
sitio donde se separan ambas hebras y comienza a adicionar unidades de
mononucleótidos utilizando como patrón la fibra mellada. La replicación continúa
hasta que el extremo se ha replicado por completo y entonces la enzima se retira.
La endonucleasa rompe en la horquilla la hebra formada y el proceso vuelve a
repetirse con la ADN polimerasa, que adiciona nuevas unidades de mononucleótidos. Los dos nuevos segmentos formados sobre la hebra patrón son unidos por
la ADN ligasa y comienza un nuevo ciclo.
3'
endonucleasa
5'
3'
ADN polimerasa
5'
3'
5'
ADN ligasa
101
TEMA XXV: LA TRASCRIPCION DE LA INFORMACION GENÉTICA
ARN mensajero: teoría y propiedades del mensajero. La polimerasa del ARN
dependiente del ADN. Mecanismo de acción: unión, iniciación, elongación y
terminación de la trascripción. La réplica del ARN.
Evidencias de que el ARN transporta la información genética:
El ARN m es un buen candidato para transportar la información por una serie de
evidencias:
1. El ARN tiene una estructura semejante a las cadenas del ADN y sus bases
nucleotídicas pueden formar puentes hidrogeno con las bases del ADN
siguiendo las reglas de complementariedad de Watson y Crick.
2. El ARN puede contener y transmitir información genética; ésto lo demuestra el
hecho de que algunos virus no contienen ADN y su ARN puede actuar como
agente infeccioso. Ej., el virus del mosaico del tabaco que causa infecciones
virales en las hojas de las plantas.
3. El ARN se sintetiza en el núcleo, pero los ribosomas que están en el
citoplasma, donde se realiza la síntesis proteica, contienen más del 70% del
ARN celular.
PROPIEDADES DEL ARN MENSAJERO
1. Recambio. En bacterias el ARN m tiene un activo metabolismo, se sintetiza y
degrada rápidamente. Esta propiedad fue la clave de su aislamiento e
identificación. Sin embargo existen ARN muy estables Ej.: el ARN m de los
reticulocitos.
2. Relación entre la secuencia de bases del ADN y el ARN celular. El ARN m
se sintetiza sobre una matriz de ADN o sea que el ARN m es el portador de la
información. La enzima que cataliza esta síntesis es la ARN polimerasa
dependiente del ADN.
Mecanismo de acción de la ARN polimerasa
Para obtener esta enzima en forma pura, Richard Burgen realizaron una
electroforesis en gel de poliacrilamida. Así se pudo detectar 4 bandas por tinción de
los polipéptidos.
Lo que interesaba saber era si los 4 polipéptidos intervenían en la actividad de la
enzima. Para ello eliminaron uno de los polipéptidos que denominaron factor
(sigma).
La eliminación de este factor cambió las propiedades de la enzima ya que perdió su
capacidad de usar como matriz al ADN. La adición de factor
restauraba la
propiedad de la enzima de usar ADN como matriz.
102
Mecanismo de acción de la ARN polimerasa
A. Unión de la ARN polimerasa al ADN:
unión reversible
unión estable:
reconoce al promotor
las hebras del ADN se separan
La ARN polimerasa se une reversiblemente al ADN en varios sitios de éste. Sin
embargo cuando esta unión se hace en una región específica que es el gen
promotor el factor
reconoce la secuencia nucleotídica y estabiliza el complejo
ADN-ARN polimerasa.
Esta estabilización permite que la enzima inicie la separación de las hebras de la
doble hélice del ADN permitiendo la iniciación de la trascripción.
B. Iniciación de la trascripción
A
T
T
A
C
T
G
A
G
G
A
C
T
A
T
G
A
T
A
T
C
T
G
A
G
G
A
A
C
T
G
A
T
A
C
T
C
G
C
T
G
A
C
3'
P
P
P
OH
P
P
P
OH
OH
5'
P
P
P
103
A
T
T
A
C
T
G
A
G
G
A
C
T
G
A
T
Se forma el primer enlace
internucleótido
A
P
P
C
T
G
A
P
P
C
OH
+
P
P
5'
Una vez unida la enzima a un promotor en el ADN, se inicia la transcripción por
unión de dos nucleótidos trifosforados a la enzima. En general todos los ARN
comienzan a sintetizarse por ATP y GTP. Al tomar posición los dos primeros
sustratos, el OH 3' del nucleótido trifosforado iniciador ataca el enlace fosfodiéster
entre los fosfatos alfa y beta del segundo nucleótido y se forma el primer enlace
internucléotido.
Elongación de las cadenas nucleotídicas:
A
T
T
A
C
T
G
A
G
A
G
C
T
G
A
T
A
La enzima se desplaza
por la hebra del ADN
P
P
P
C
T
C
G
A
G
P
P
A
P
OH
104
Cuando el producto de la elongación llega a un tamaño crítico el factor se libera.
Las cadenas nucleotídicas crecen por adición secuencial de ribonucleótidos al
extremo 3' del dinucleótido iniciador.
La entrada de los diferentes sustratos depende de la complementariedad con las
bases de la hebra del ADN que sirve de matriz.
Terminación de la transcripción:
1.
secuencia terminadora
reconocida por la enzima
2.
factor
de terminación
Ro
ADN
ARN
enzima
Ocurre por medio de dos mecanismos:
 Terminación codificada por una secuencia de ADN que es reconocido por la
enzima.
 Por medio de un factor proteico adicional el cual tiene la propiedad de causar
la terminación de la trascripción en sitios donde no funciona el primer
mecanismo.
Conclusión: la célula resuelve el "problema geográfico" transcribiendo la
información genética contenida en el ADN del núcleo en un ARN que actúa como
mensajero, pues lleva la información a los ribosomas citoplasmáticos donde se
realiza la síntesis proteica.
105
TEMA XXVI: EL CODIGO GENETICO
El codón: unidad de información, primeras ideas sobre la clave genética. Universalidad de la clave genética.
Vamos a considerar dos cuestiones:
1. ¿Cómo se traslada el lenguaje de cuatro letras de los ácidos nucleicos al de
veinte letras de las proteínas?
2. ¿Cuál es la correspondencia entre la secuencia nucleotídica y la secuencia de
aminoácidos?
Mediante consideraciones matemáticas, parecía probable que cada aminoácido
fuera codificado por un número pequeño de nucleótidos consecutivos de la cadena
ADN. Puesto que el ADN contiene sólo cuatro bases y las proteínas contienen veinte
aminoácidos, es obvio que se requiere más de un nucleótido para codificar cada
aminoácido. Si se disponen los nucleótidos en grupos de dos, rinden 4 2 16
combinaciones. Las 4 bases en combinaciones de 3, pueden codificar 4 3 64
aminoácidos distintos. O sea que un código de tripletes es utilizado para codificar
aminoácidos.
Composición de los Tripletes
Los experimentos que se realizaron para conocer la composición de los
tripletes fueron utilizando polirribonucleótidos sintéticos como mensajeros de
ribosomas aislados de E. Coli. Incubaron ácido uridílico (poli - U) en una serie de
tubos que contenían ribosomas de E. Coli privados de mensajero, además de todo lo
necesario para la síntesis proteica, incluyendo todos los aminoácidos. Este estudio
demostró que la cadena polipeptídica recién formada contenía solamente
fenilalanina. En consecuencia, sugirieron que el vocablo del código para la
fenilalanina era el triplete UUU.
Por experimentos similares hallaron que el poli C codifica prolina, el poli A
lisina, etc. Posteriormente prepararon polímeros de nucleótidos variando la relación
cuantitativa de los distintos mononucleótidos que permitió identificar la composición
de 50 vocablos del código para los distintos aminoácidos. Estos experimentos no
sólo permitieron establecer como se "deletrea" el vocablo del código de cada
aminoácido, sino que permitieron comprobar que algunos aminoácidos eran
codificados por más de un triplete.
Por ejemplo:
fenilalanina es cofificada por
UUU
UUC
serina es cofificada por
UCU
UCC
UCA
UCG
El triplete de bases nucleotídicas que se encuentran en el ARN m y que codifica un
aminoácido de denomina “codón”.
106
Características generales del código
El código aminoácido es un código degenerado, es decir que hay más de un
vocablo de codificación para la mayoría de los aminoácidos.
Otra característica del código genético consiste en que no requiere señal
indicadora del final de un codón y comienzo del siguiente.
3 de los 64 tripletes no codifican ninguno de los aminoácidos y son: UAG UAA - UGA. Estos tripletes constituyen una señal de terminación de las
cadenas polipeptídicas.
Universalidad del código
Los vocablos del código aminoácido son idénticos en el hombre, en virus y en
bacterias, es decir, es universal. A esta conclusión se llegó luego de una serie de
ensayos. Se comparó 50 aminoacil - ARNt diferentes procedentes de especies muy
distantes, y observaron sus respectivas capacidades para ser reconocidos por los
codones aminoácidos previamente establecidos de E. Coli. Para ello se ensayó la
capacidad de tales aminoacil - ARN t para unirse a ribosomas de E. Coli empleando
sintéticos y se halló que en todos los casos los aminoacil - ARN t respondían
perfectamente a los codones de E. Coli unidos a los ribosomas de este
microorganismo. Considerando conjuntamente este hallazgo sugieren que el
lenguaje genético es idéntico en todas las especies.
107
TEMA XXVII: LA TRADUCCION DE LA INFORMACION GENETICA
Necesidad de una molécula adaptadora: el ARN de transferencia. El anticodón.
Función de los ribosomas. El mecanismo de traducción: iniciación, elongación,
translocación y terminación.
Vamos a considerar ahora la tercera gran cuestión que plantea la continuidad
genética de los organismos vivos.
¿Cómo se traslada la información genética contenida en la secuencia nucleótida del
ARN m , de tal suerte que los aminoácidos se engarcen formando una cadena
polipeptídica con una secuencia aminoácida específica?
Trataremos los mecanismos enzimáticos por medio de los cuales se constituye la
cadena polipeptídica, es decir, como se realiza la síntesis proteica. Además veremos
el funcionamiento de los ribosomas asegurando la adecuada transferencia de la
información del ARN m , y el papel adaptador del ARN t .
Estructura ribosómica
Los ribosomas sometidos a condiciones especiales se disocian en dos subunidades
50 S y 30 S cada uno de los cuales contiene ARN y varias proteínas.
contiene dos componentes
50 S
30 S
ARN y 30 proteinas diferentes
contiene una molécula de ARN
ribosomático y 20 proteínas diferentes
Estructura del ARN de transferencia ( ARN t)
El ARN t , posee una conformación tridimensional similar a una hoja de trébol de
manera que presentan sus cadenas el máximo de aparejamiento intracatenario.
G
A
|
C
|
C
Locus de enlace aminoácido
108
Anticodón (unión al ARNm)
Todas las moléculas de ARN t tienen en un extremo la misma secuencia terminal
C C A . El último resto, el ácido adenílico, es el locus que se esterifica al resto
aminoácido. Además existe un triplete de bases que es distinto en todos los ARN t y
representa el anticodón es decir, el triplete nucleótido especifico complementario de
los tripletes del codón del ARN m .
La molécula de ARN t contiene otro locus de unión para la enzima activadora. Una
característica de la estructura es la presencia de bases secundarias además de las
normales A – U – G y C. La mayoría son formas metiladas de las bases principales.
El ARN t es solamente un "adaptador" de manera que puede ser adaptado al
lenguaje de tripletes nucleótidos del código genético.
Estadíos de la síntesis proteica
Primer estadio: activación
Los 20 AA se eterifican al ARN t correspondiente. Las enzimas que participan
son: aminoacil- ARN t -sintetasas que tienen:
a. tres locus de unión:
o para el AA
o para el ARN t
o para el ATP
b. son específicos:
o para cada AA
o para el correspondiente ARN t
La reacción tiene lugar en el citoplasma.
Primera fase de activación
Se forma un producto intermedio unido a la enzima:
Mg++
ácido amino acil adenílico + PPi
ATP + AA
O
H
O
C
C
P
R
O
P
O
P
O
OH +
CH2
O
OH
Adenina
NH2
R
H
O
C
C
NH2
O
O
P
OH
O
CH2
O
+
Adenina
PPi
109
Segunda fase de activación
Consiste en la transferencia del grupo aminoacilo del AMP al ARN t :
ácido-aminoacil.adenílico + ARNt
aminoacil - ARNt + ácido adenílico
O sea que la reacción global sería
AA + ARNt + ATP
aminoacil - ARNt + AMP + PPi
Tenemos entonces cada AA con su correspondiente ARN t .
Segundo estadío: ribosomal
En ribosomas. Los ribosomas tienen que captar al ARN m y al ARN t
AA .
30 S
LP
LA
50 S
Los ribosomas tienen dos locus de unión.
1. El locus peptidílico: (LP) para el ARNm que tiene unido el AA iniciador de
la síntesis que es la metionina, la cual tiene su grupo amino bloqueado por
un grupo formilo con el objeto de:
a. que el grupo amino no forme enlace peptídico.
b. que el locus peptidílico sólo acepte alARN t
que tiene metionina.
2. El locus aminoacílico: que permite la entrada secuencial de los
ARN t AA .
El ribosoma para que puedan unirse el ARN m y el ARN t AA debe disociarse en sus
dos subunidades. Participan en este proceso factores proteicos F1 F2 F3 (llamados
también disociasaribosomal) y GTP. Estos factores permiten la disociación de los
ribosomas y además la unión del ARN m en el lugar donde se inicia el mensaje.
110
30 S
30 S
30 S
50 S
AA
AA
50 S
Tercer Estadío: Elongación
La prolongación de una cadena tiene efecto en tres fases principales:
1.- Los ribosomas con su ARN m , tienen unido en el LP el ARN t AA iniciador de
la síntesis (metionina). En el estadío de elongación, al locus aminoácido se
une por su anticodón el ARN t AA de acuerdo al triplete de bases del
codón. Este proceso requiere GTP y un factor T que es una proteína que
cataliza este proceso de elongación.
LP
LA
(metionina) AA
AA
2.- En la segunda fase se forma el enlace peptídico por reacción entre el grupo
amino del nuevo aminoacil - ARN t captado con el grupo carboxilo del AA ya
existente en el LP.
111
NH
NH
R
CH
C
O
R
CH
O
C
HO
LP
O
LP descargado
NH
NH2
R
R
CH
C
O
C
H
C
LA
O
O
LA
O
ARNm
Para la formación del nuevo enlace peptídico es necesario una enzima
denominada peptidil-transferasa. El ARN t "descargado" que ya no lleva su
AA, continúa unido al LP. El peptidil ARN t recién alargado está unido al LA.
3.- En la tercera fase del ciclo de alargamiento el peptidil - ARN t se desplaza
físicamente desde el LA al LP y desaloja de este último al sitio del ARN t
“descargado”. Esta compleja reacción de translocación se cree que es
resultado de un cambio de conformación en el ribosoma, que tiene lugar a
costa de la hidrólisis del GTP. Para esta fase se requiere una proteína
especifica denominada factor G. Simultáneamente con la translocación del
peptidil - ARN t tiene lugar la del ARN m que desplaza un codón a lo largo del
ribosoma.
O
CH
NH
R
C
H
C O
LP
O
LA
El proceso se repite, es decir entrando ARN t
codifica la terminación.
AA al LA hasta que el ARN m
112
Cuarto Estadío: Terminación de la cadena polipeptídica
La terminación de una cadena polipeptídica completa y su despegue del
ribosoma está señalada en el ARN m por tres codones especiales de terminación. La
liberación del polipeptidil- ARN t del ribosoma, es inducido por un factor de liberación
protéico que está unido al ribosoma y provoca la hidrólisis del enlace éster entre el
polipéptido y el ARN t . El ribosoma 70 S se aparta del ARN m y queda libre. Cuando
experimenta disociación en sus subunidades 50 S y 30 S puede recomenzar un
nuevo ciclo.-
113
TEMA XXVIII: REGULACION DE LA SÍNTESIS PROTEICA
Teoría de Jacob y Monod: Regulación transcripcional. Inducción. Represión.
Las células vivas disponen de mecanismos que regulan la cantidad de proteínas que
se sintetizan.
Estos mecanismos de regulación fueron estudiados en células bacterianas y se
observó que la cantidad de enzimas que se acumula en el medio depende de la
naturaleza de los nutrientes. En base a todos estos estudios se distinguió dos tipos
de respuestas:
De inducción enzimática
De represión enzimática
INDUCCION
Si estamos en presencia de una inducción a la enzima que se induce a que se
sintetice se denomina enzima inducible. Esta enzima inducible se encuentra en
pequeña cantidad en el medio, pero cuando se agrega un sustrato sobre el cual
debe actuar su concentración aumenta para transformar a ese sustrato en un
metabolito que puede ser utilizado por la célula. Ej.: un tipo de E. coli usa como
fuente de carbono a la glucosa. Si en el medio en lugar de colocar glucosa
colocamos lactosa, la célula inmediatamente comienza a sintetizar β -galactosidasa
que desdobla la lactosa en galactosa y glucosa. Si volvemos a colocar glucosa, la
enzima β -galactosidasa deja de sintetizarse y alcanza un nivel bajo. La mayoría de
las enzimas inducibles catalizan las reacciones del catabolismo. Estas enzimas
inducibles son diferentes a las enzimas constitutivas que se forman a velocidades
constantes independientemente de la presencia del sustrato (por ej. las enzimas de
la glicólisis).
REPRESIÓN ENZIMATICA
La célula tiene enzimas requeridas para la síntesis de los 20 aminoácidos. Si
agregamos al medio un aminoácido, por ej. histidina, la enzima que le sintetizaba es
reprimida y desaparece de la célula. Todas las enzimas inducibles están codificadas
por genes. En los genes hay locus que determinan la formación de las enzimas. Un
locus se denomina gen estructural, que es el que determina la secuencia de
aminoácidos de la enzima. El otro locus, llamado gen regulador, es interruptor, es
decir, que está determinando si el gen estructural se transcribe o no. O sea que el
gen estructural codifica una enzima que se sintetiza normalmente siempre que el
gen regulador no reprima su síntesis.
Regulador
Estructural
114
¿Cómo funciona el gen regulador tanto en la represión como en la inducción?
Jacob y Monod formularon una hipótesis general respecto a la función de los genes
estructural y regulador) en los 2 procesos.
Inducción
El gen regulador transcribe un ARN mensajero que codifica una proteína
denominada represor.
ARNm
regulador
operador
estructural
represor
Este represor tiene un locus de unión específico próximo al gen estructural. Este
locus se denomina operador.
¿Qué sucede en una inducción, es decir, cuando se agrega al medio un sustrato que
debe degradarse? El sustrato, que sería el inductor, se combina con el represor
formando un complejo inductor-represor inactivo, que no puede unirse al operador.
represor
inductor
El gen estructural queda libre y comienza a transcribirse y por lo tanto se sintetiza la
enzima. La unión represor-inductor es reversible, o sea que cuando se elimina el
inductor la síntesis de la enzima que lo degrada es reprimida.
Represión
Si agregamos al medio un aminoácido por ej. histidina, la célula no necesita utilizar
las enzimas que lo sintetizan.
regulador
ARNm
operador
estructural
represor
115
En este caso, la histidina se une al represor y forma un complejo represorcorrepresor que se combina al operador; el gen estructural no se transcribe y por lo
tanto no se sintetiza histidina.
Regulación coordinada
También existe un mecanismo de regulación coordinada por el cual un grupo de
enzimas puede ser reprimida o inducida por un sólo represor o por un sólo inductor.
Por ejemplo, para sintetizar histidina se necesita un grupo de enzimas. Todas se
encuentran codificadas en los genes ocupando locus vecinos.
operador
z
x
a
b
codifican las síntesis de histidina
Este grupo de genes relacionados constituyen un operón; o sea que el operón se
encuentra codificando todas las enzimas que participan en la biosíntesis de histidina.
¿Cómo se reprime un operón completo actuando un represor?
Cuando el represor se une al operador no se sintetiza ninguna de las enzimas del
operón. Si se elimina el represar se sintetizan todas las enzimas que codifica el
operón.
116
BIBLIOGRAFIA
1. Blanco, A., (2008) Química Biológica. 8 Ed. Buenos Aires.
2. Griffihs, A. Miller, J., Suzuki, D., Lewontin, R., y Gelbart, W., (1995) Genética.
5°Ed. Editorial Interamericana. México.
3. Murray, R., Darylk, Granner, Meyer, P, & Rotewell, V., (1994) Bioquímica de
Harper 22° Ed. Editorial El Manual Moderno. México.
4. Kuchel, P., & Ralston, G., (1994) Bioquímica General. Editorial Mac Graw Hill
Interamericana. México.
5. Lehninger, A., (1981) “Bioquímica” Ediciones Omega. Barcelona.
6. MC Keen, T., 2003. Bioquímica. La base molecular de la vida. Mac Graw Hill
Interamericana.
7. Smith, C., & Wood, E., (1998) Biosíntesis. Tercera Edición. Editorial Addison.
Wesley Ibero
8. americana. USA.
9. Strayer, L., (1990) Bioquímica. Tomo I y II. Tercera Edición. Editorial Reverté.
Buenos Aires.
10. Strayer, L.,(1995) Biochemistry. Quinta Edición. Freedman and company.
USA.
11. Torres, H., Carminatti, H & Cardini, C., (1983) Bioquímica. Editorial El Ateneo.
Buenos Aires.
12. Watson, J., (1978) Biología molecular del gen. Fondo Educativo
Interamericano. España.
117