cap. 3-hidratos de carbono y su metabolismo
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CAPITULO 3: HIDRATOS DE CARBONO Y SU METABOLISMO
Generalidades
Los carbohidratos o hidratos de carbono o azúcares o sacáridos o glúcidos, son
compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, aunque en algunos
tipos de carbohidratos también hay azufre y nitrógeno. Desde el punto de vista químico se
definen como derivados aldehídicos o cetónicos de alcoholes polihídricos, o sea, con varios
grupos –OH
Estas moléculas, también llamadas carbohidratos, azúcares o glúcidos, son de gran
importancia porque desempeñan funciones tales como reserva de energía en animales
(glucógeno) y vegetales (almidón), de estructura, como puede ser la celulosa en los
vegetales (principal constituyente de la pared celular) y la quitina (polisacárido
constituyente de la pared celular de la mayoría de los hongos).
Desde el punto de vista químico estas moléculas se definen como
polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas.
Los hidratos de carbono se pueden clasificar de acuerdo al número de unidades
estructurales que constituyen su molécula en a) monosacáridos, b) oligosacáridos y c)
polisacáridos.
a. Los monosacáridos se encuentran formados por un solo polihidroxi-aldehído o
polihidroxicetona. Entre los representantes de este grupo se destacan la glucosa, la
fructosa, la ribosa y la galactosa.
b. Los oligosacáridos están formados por 2 a 10 monosacáridos y de acuerdo al número
de monosacáridos constituyentes se tendrán disacáridos, trisacáridos, tetrasacáridos,
pentasacáridos, según estén formados por 2, 3, 4, o 5 monosacáridos
respectivamente. Los más importantes son los disacáridos: la sacarosa (que representa
la forma de transporte de los esqueletos carbonados en las plantas), la lactosa (azúcar
de la leche) y la maltosa.
c. Los polisacáridos están constituidos por más de 10 monosacáridos, formando largas
cadenas lineales o ramificadas. Como ejemplos de este grupo se pueden mencionar la
celulosa, el glucógeno, el almidón y la quitina.
Monosacáridos
Son polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas. Cuando presentan un grupo funcional
aldehído reciben el nombre de aldosas y cuando el grupo es cetona se llaman cetosas. Se
pueden clasificar teniendo en cuenta el número de átomos de carbono que posee la
molécula (triosas, tetrosas, pentosas, etc.); por lo tanto una cetopentosa será un
monosacárido constituido por 5 átomos de carbono que tiene un grupo funcional cetona,
mientras que una aldotriosa tendrá 3 átomos de carbono y un grupo aldehído. Como
ejemplos se pueden citar: gliceraldehído (aldotriosa), dihidroxiacetona (cetotriosa),
eritrosa (aldotetrosa) que participa en la vía de síntesis de los aminoácidos aromáticos
tales como fenilalanina y triptofano, ribosa (aldopentosa) constituyente de los nucleótidos
fosfato, ribulosa (cetopentosa), glucosa (aldohexosa), fructosa (cetohexosa) que es el
principal azúcar presente en los frutos maduros.
Pese a que se han presentado los monosacáridos como cadenas lineales de
carbono, se ha observado que la mayoría de los monosacáridos se pueden encontrar en
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forma de moléculas cíclicas. Esta ciclación da lugar a la formación de un nuevo carbono
anomérico o quiral. En el caso de las aldosas, el grupo aldehído presente en el C1 se
encuentra próximo al C5 y reaccionan mediante una unión hemiacetal (reacción entre un
aldehído o una cetona con un alcohol), dando lugar a la formación de un anillo
heterocíclico de seis carbonos que se considera derivado del pirano, por lo que estos
monosacáridos se denominan piranosas (Fig. 3-1).
Fig. 3-1. Estructura cíclica de las piranosas.
La forma cíclica de la hexosa, da lugar a la formación de dos isómeros que van a
depender de la posición del OH- del C1 con respecto al plano, si el OH- queda ubicado por
debajo del mismo (se representa con el OH- hacia abajo) se obtiene el isómero , en
cambio si el OH- se ubica por encima del plano (se representa con el OH- hacia arriba) se
está en presencia del isómero (Fig. 3-2).
Fig. 3-2. Estructura química de -glucosa y -glucosa.
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En el caso de las cetosas la formación de la unión hemiacetal ocurre por la
proximidad entre el grupo cetona presente en el carbono 2 y el OH- del carbono 5, dando
lugar a la formación de un anillo derivado del furano, por eso reciben el nombre de
furanosas (Fig. 3-3).
Fig. 3-3. Estructura cíclica de las furanosas
En este caso, al igual que en las aldosas, la ciclación de la molécula da lugar a la
formación de dos isómeros; denominados cuando el OH- queda ubicado por debajo del
plano, y cuando queda por encima del mismo (Fig. 1-4).
Fig.3-4. Estructura química de la -fructosa y -fructosa.
Los monosacáridos, en general, poseen poder reductor, es decir son moléculas
reductoras (se oxidan para reducir a otro compuesto). Esta capacidad reductora se
manifiesta cuando el oxidrilo hemiacetálico (del carbono 1 en las aldosas y del carbono 2
en las cetosas), se encuentra libre.
En las vías correspondientes al metabolismo de los hidratos de carbono, tales como
la glucólisis, gluconeogénesis y vía de las pentosas, es muy frecuente la formación de
ésteres fosfóricos, debido a la reacción entre el monosacárido y el ácido fosfórico, por
ejemplo la glucosa-1P (el éster fosfórico se forma a nivel del carbono 1), la glucosa-6P (la
esterificación es a nivel del carbono 6), la fructosa 1,6 bisfosfato (posee dos ésteres
fosfóricos, uno en el carbono 1 y otro en el carbono 6). Cuando la esterificación se produce
a nivel del carbono 1 de las aldosas, como en el caso de la glucosa-1P, la molécula pierde
la capacidad reductora, debido a que el oxidrilo hemiacetálico se encuentra ocupado por el
éster fosfórico. Esto no ocurre por ejemplo en el caso de la glucosa-6P, debido a que el
oxidrilo del carbono 1 se encuentra libre.
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Oligosacáridos
Dentro de este grupo se hará referencia fundamentalmente a los disacáridos,
moléculas formadas por la unión de dos monosacáridos, esta unión se produce con pérdida
de una molécula de agua y se denomina enlace glicosídico.
Se prestará atención a tres disacáridos de gran importancia biológica como son la
maltosa, la lactosa y la sacarosa.
Maltosa
Es el azúcar de la malta y uno de los principales productos de la hidrólisis del
almidón por acción de dos enzimas amilolíticas: -amilasa y -amilasa. Este proceso es
muy activo durante la germinación de las semillas farináceas (avena, cebada, trigo, maíz,
centeno), cuando después de ocurrida la imbibición, se desencadena la movilización de las
reservas, con la finalidad de obtener las moléculas y la energía necesarias para todo el
metabolismo de la plántula.
La maltosa, es un disacárido formado por la unión de 2 glucosas. El enlace
glicosídico se produce entre el carbono 1 de una glucosa y el carbono 4 de la otra y es de
tipo (1-4) (Fig. 3-5).
Fig. 3-5. Estructura química de la maltosa
Como se puede observar el oxidrilo hemiacetálico de la segunda glucosa queda
libre, por lo tanto este disacárido posee poder reductor.
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Lactosa
Este disacárido es el principal carbohidrato de la leche, está constituido por la unión
de una galactosa y una glucosa con un enlace glicosídico (1-4) (Fig. 3-6).
Fig. 3-6. Estructura química de la lactosa.
Debido a que la glucosa presenta su oxidrilo hemiacetálico libre, la lactosa posee
poder reductor.
Sacarosa
Es uno de los azúcares más abundantes en la caña de azúcar y la remolacha
azucarera. Los monosacáridos constituyentes de esta molécula son la fructosa y la
glucosa, con un enlace glicosídico de tipo 21 (Fig.3-7).
Fig. 3-7. Estructura química de la sacarosa
Como se puede observar el enlace glicosídico se produce entre el carbono 2 de la
fructosa y el carbono 1 de la glucosa, es decir que en el enlace se encuentran
comprometidos los dos oxidrilos hemiacetálicos, esto hace que la sacarosa no tenga poder
reductor. Por esto y por tratarse de una molécula relativamente pequeña, la sacarosa
cumple una función muy importante en los vegetales, representa la forma en que se
transportan los esqueletos carbonados en las plantas.
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Polisacáridos
Están constituidos por la unión de muchas unidades de monosacáridos a través de
enlaces glicosídicos. Los monosacáridos pueden ser de un solo tipo, recibiendo el nombre
de homopolisacáridos, o diferentes, denominándose heteropolisacáridos.
Entre los homopolisacáridos se pueden mencionar: el almidón, el glucógeno y la
celulosa, todos constituidos por moléculas de glucosa; la quitina, esta molécula está
formada por N-acetil-glucosamina.
Como ejemplo de heteropolisacáridos se tiene el ácido hialurónico, cuya unidad
estructural es un disacárido constituido por el ácido glucurónico y la N-acetil-glucosamina.
Este polisacárido forma el líquido sinovial que se encuentra en aquellas partes del cuerpo
animal sometidas a frecuentes fricciones, como son las articulaciones. Otro
heteropolisacárido es la goma guar, que es un galactomanano (manosa 1-4 + galactosa 1-
6) obtenido desde la semilla de una leguminosa cultivada en Pakistán y la India y que se
utiliza como aditivo alimentario.
En forma general, se puede decir que los polisacáridos no poseen poder reductor,
ya que al presentar solamente el oxidrilo del último monosacárido libre en una cadena de
gran longitud, dicha capacidad reductora no se puede manifestar.
Almidón
Este homopolisacárido está constituido por dos fracciones, la amilosa y la
amilopectina. El monosacárido constituyente de ambos es la glucosa.
La amilosa es una larga cadena lineal de glucosas unidas por enlaces glicosídicos
1-4. Este tipo de enlace le permite a la molécula adoptar una disposición helicoidal en el
espacio estabilizada por uniones puente hidrógeno. Esta estructura crea un ambiente
interno hidrofóbico en la que los oxidrilos están ubicados hacia el exterior de la hélice.
El reactivo de Lugol (I-IK) se utiliza para determinar la presencia de almidón, ya
que el iodo, al ser una molécula pequeña y apolar, puede disponerse en el interior de la
hélice de amilosa, formando un complejo iodo-amilosa de color azul (Fig. 3-8).
Fig. 3-8. Formación del complejo Iodo-amilosa
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La amilopectina es una cadena lineal de glucosas unidas por enlaces glicosídicos
(1-4), pero se diferencia de la amilosa debido a que cada siete moléculas de glucosa
aproximadamente, presenta una larga ramificación unida por un enlace glicosídico 1-6, y
estas ramificaciones, a su vez, pueden volver a dividirse (Fig. 3-9 y 3-10).
El almidón desempeña el papel de reserva de carbohidratos en los vegetales.
Fig. 3-9 estructura del almidón.
a)
b)
Fig 3-10. Esquema de a) amilopectina y b) amilosa
Dextrinas
Son parte del producto de la hidrólisis parcial del almidón por acción de enzimas
amilolíticas o de ácidos. La -amilasa hidroliza enlaces glicosídicos 1-4 a partir del
extremo no reductor de la cadena, dando como producto final maltosa. Esta enzima no
rompe los enlaces 1-6, por lo que la actividad de la -amilasa se detendrá en el
momento en que alcance los puntos de ramificación de la amilopectina, quedando de esta
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manera un grupo de glucosas no hidrolizadas que recibe el nombre de “dextrina límite”
(Fig. 3-11).
Fig. 3-11 estructura de las dextrinas
Glucógeno
Es un polímero de glucosas que presenta una estructura muy ramificada. La cadena
lineal de glucosas está unida por enlaces glicosídicos 1-4 y en los puntos de ramificación
se encuentran enlaces glicosídicos 1-6. Mientras que en la amilopectina las
ramificaciones se presentan cada 7 glucosas, en el glucógeno se producen cada 4
glucosas, haciendo que la molécula de glucógeno sea mucho más ramificada que la de
amilopectina (Fig. 3-12). La función biológica del glucógeno es constituir el polisacárido de
reserva en los animales.
Fig. 3-12 Estructura del glucógeno
Celulosa
Es un polímero lineal de glucosas unidas por enlaces glicosídicos 1-4 (Fig. 3-13).
Debido a la geometría de este enlace la molécula de celulosa adopta una disposición lineal
en el espacio y no tiene posibilidad de formar una estructura helicoidal. Esto tiene gran
importancia porque las moléculas de celulosa se pueden unir entre sí por medio de
uniones puente hidrógeno, permitiendo de esa manera la formación de fibrillas, esta
disposición hace de la celulosa una molécula muy hidrofóbica.
Los animales superiores no poseen enzimas capaces de hidrolizar enlaces 1-4, por
lo que la celulosa no puede ser utilizada como alimento por los animales monogástricos.
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En cambio, los rumiantes (caprinos, ovinos y bovinos), presentan bacterias en el rumen
que tienen capacidad de secretar celulasa: enzima responsable de hidrolizar los enlaces
de la celulosa. Este mecanismo simbiótico por el que la enzima degrada la celulosa, da
lugar a la formación de ácidos grasos volátiles (AGV) como el acético, el propiónico y el
butírico que podrán ser utilizados para la alimentación del animal.
La función de la celulosa es estructural, ya que es el principal carbohidrato
constituyente de la pared celular de los vegetales. Es la encargada de dar forma y
protección a la célula.
Fig. 3-13 Estructura de la celulosa
Metabolismo de hidratos de carbono
El metabolismo de los hidratos de carbono es una de las principales rutas del
metabolismo celular. Entre los azúcares utilizados como fuente de energía para la célula,
destaca uno principalmente, la glucosa que, como ya se ha visto en el capítulo 2, es la
base de muchos polisacáridos.
Las principales rutas metabólicas que se van a estudiar están relacionadas
estrechamente con la producción de energía y de poder reductor, ya que la energía que se
utiliza normalmente procede principalmente del metabolismo de los azúcares, sobre todo
de la glucosa.
Las rutas relacionadas con el glucógeno, polisacárido de reserva energética a corto
plazo en los animales. Es de gran importancia para mantener un correcto estatus
energético en el organismo, especialmente en músculo e hígado. La glucogenólisis
comprende las reacciones de degradación, mientras que la glucogenogénesis incluye
las vías de síntesis a partir de la glucosa.
Las rutas relacionadas con los monosacáridos. Entre ellas la principal ruta catabólica es
la glucólisis, ruta degradativa de la glucosa que sirve para obtener energía de esta
molécula y también de otras hexosas y monosacáridos. La gluconeogénesis es la
principal ruta anabólica que sintetiza glucose a partir de intermediarios metabólicos. La
ruta de las pentosas fosfato es la principal fuente de obtención de poder reductor en
forma de NADPH, aunque también es de gran interés debido a que permite obtener
una gran variedad de monosacáridos.
Como intermediario metabólico, el piruvato juega un importante papel como vía de
entrada en las rutas catabólicas de fermentaciones (láctica y alcohólica) y la
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descarboxilación oxidativa del piruvato. También servirá de sustrato para la síntesis
de glucosa.
Glucolisis
La glucólisis es la ruta degradativa de la glucosa, la principal molécula energética
del organismo.
La palabra glucólisis se origina en los vocablos gluco = glucosa y lisis = romper.
Constituye una secuencia ordenada de reacciones catabólicas que transforman la glucosa
en dos moléculas de ácido pirúvico, con la producción concomitante de energía en forma
de ATP. Es una vía universal, ya que se encuentra en todos los tipos de células existentes.
Las reacciones que constituyen la glucólisis se encuentran localizadas en el citoplasma de
la célula.
La glucólisis tiene lugar en el citosol o citoplasma de la célula, tanto de células
eucariotas como procariotas, si bien en células vegetales algunas de las reacciones
glucolíticas se encuentran también en el ciclo de Calvin (fase de fijación del C 0 2 de la
fotosíntesis) que ocurre en los cloroplastos. Clásicamente la glucólisis se divide en dos
fases: la fase preparativa y la fase de beneficios o de rendimiento energético.
La fase preparativa: implica la transformación y escisión de la glucosa en dos triosas
fosfato, el gliceraldehído-3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato, entre las cuales existe
un equilibrio. En esta fase se produce un gasto energético: dos moléculas de ATP por
molécula de glucosa. La finalidad de esta fase es la de activar y preparar las moléculas
de glucosa, para su posterior procesamiento. Las dos moléculas de ATP que se
consumen durante esta fase son una inversión ya que esta fase crea los sustratos
reales de la oxidación de una forma que se atrapan dentro de la célula
La fase de beneficios o de rendimiento energético: implica la transformación de
la molécula de gliceraldehído-3 -fosfato en piruvato, mediante una serie de reacciones
que liberan energía. Se obtienen cuatro moléculas de ATP y dos de NADH + H+ por
molécula de glucosa, por lo que se libera más energía que la gastada en la fase
preparatoria, lo que da una ganancia neta de 2 ATP y 2 NADH + H+ por molécula de
glucosa. La energía que se obtiene de la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato (G3P) la
aprovecha la célula para desempeñar todo tipo de funciones celulares. Esta fase de
rendimiento se produce dos veces por cada molécula de glucosa que se hidroliza, ya
que en cada una de las vueltas se metaboliza una de las dos triosas fosfato en las que
se escindió la glucosa.
La glucólisis implica diez pasos enzimáticos (Fig. 10-14)
Fase preparativa
1) Fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato: requiere el gasto de una
molécula de ATP y, en las condiciones fisiológicas, es una reacción irreversible. Esta
reacción está catalizada por la hexoquinasa, si bien en el hígado también la puede
realizar la glucoquinasa.
2) Conversión de la glucosa-6-fosfato a fructosa-6-fosfato: es una reacción
reversible catalizada por la fosfoglucosa-isomerasa.
3) Fosforilación de la fructosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bisfosfato: requiere el
gasto de una segunda molécula de ATP y, en las condiciones fisiológicas, en una
reacción irreversible. Está catalizada por la fosfofructoquinasa-1.
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4) Escisión de la fructosa-1,6-bisfosfato en dos triosas fosfato: la
dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído-3-fosfato: es una reacción reversible
catalizada por la aldolasa.
5) Interconversión de las triosas fosfato: es un equilibrio catalizado por la enzima
triosa fosfato isomerasa. Dicho equilibrio se encuentra desplazado hacia la formación
de gliceraldehído-3-fosfato, puesto que es el compuesto que puede ser metabolizado
en los siguientes pasos de la glucólisis, en la fase de beneficios.
Fase de rendimiento energético
6) Oxidación del gliceraldehído-3-fosfato a 1,3-bisfosfoglicerato: en este paso se
oxida el grupo aldehido hasta una forma ácido, lo cual permite obtener una molécula
de NADH + H+, a la vez que se aprovecha para fijar un grupo fosfato, que permitirá
en la siguiente reacción obtener energía en forma de un nucleótido trifosfato. Esta
reacción es reversible y está catalizada por la enzima gliceraldehído-3-fosfato
deshidrogenasa. Constituye el primer paso de la fase de beneficios, paso que se
repetirá posteriormente con la molécula de dihidroxiacetona que, por acción de la
triosa fosfato isomerasa, se convertirá en una nueva molécula de gliceraldehído-3-
fosfato.
7) Primera fosforilación a nivel de sustrato: en esta reacción se produce la síntesis
de una molécula de ATP, gracias a la transferencia de un grupo fosfato desde el 1,3-
bisfosfoglicerato hasta un ADP, liberando ATP y 3-fosfoglicerato. La enzima que
cataliza es la fosfoglicerato quinasa, y la reacción es reversible.
8) Conversión del 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato: por medio de la
fosfoglicerato mutasa, es una reacción reversible.
9) Deshidratación del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato: reacción reversible
catalizada por la enolasa. Esta reacción permite la creación de un enlace fosfato de
alta energía, que será aprovechado en el siguiente paso para obtener energía en
forma de un nucleótido trifosfato.
10) Segunda fosforilación a nivel de sustrato: en esta reacción se produce la síntesis
de una molécula de ATP, gracias a la transferencia de un grupo fosfato desde el
fosfoenolpiruvato hasta un ADP, liberando ATP y piruvato, mediante la enzima
piruvato quinasa. Esta reacción es irreversible en condiciones fisiológicas.
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a)
b)
Fig 3-14 a) Fase preparativa de la glucolisis b) Fase de rendimiento energético de la
glucolisis
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Tabla 3.1. Enzimas que participan en las reacciones que constituyen la glucólisis.
Reacción Enzima ATP Coenzimas
Reducidas
1 Hexoquinasa -1 ATP
2 Fosfo-glucoisomerasa
3 fosfo-fructoquinasa -1 ATP
4 Aldolasa
5 Triosa fosfato isomerasa
6 gliceraldehído-3-fosfato
deshidrogenasa 2 x 1 NADH
7 fosfo-glicerato quinasa 2 x 1 ATP
8 fosfo-glicerato mutasa
9 Enolasa
10 Piruvato quinasa 2 x 1 ATP
Balance de masa y energía de la glucólisis
En cuanto al balance de masa se puede observar que partiendo de una glucosa,
cuando se produce la reacción catalizada por la aldolasa se forman 2 compuestos de C3,
por lo tanto se obtienen como producto final 2 moléculas de piruvato.
Con respecto al balance de energía, por cada molécula de glucosa que ingresa a la
glucólisis se consumen 2 moléculas de ATP y se forman 4, por lo que el balance final es la
producción de 2 moléculas de ATP; también se producen 2 moléculas de NADH.
Ecuación General:
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Destinos del Piruvato
El piruvato se puede obtener desde hidratos de carbonos, como vimos en la
glucólisis, y desde otros metabolismos, como el de los aminoácidos. Ese piruvato puede
seguir distintos caminos metabólicos de acuerdo a los requerimientos de la célula:
a) Fermentación (Fig. 3.15-3.16).
b) Gluconeogénesis.
c) Síntesis de Acetil-CoA:
i. para producir energía pasando por Ciclo de Krebs
ii. para hacer síntesis de ácidos grasos.
d) Síntesis de aminoácidos.
Cuando la carga energética de la célula es baja y la presión de oxígeno también
(condiciones anaeróbicas), el piruvato se desvía hacia procesos de fermentación cuya
finalidad es regenerar NAD+ para que pueda continuar la glucólisis, abasteciendo de NAD+
la reacción catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, permitiendo que
continúe la producción de ATP. Como consecuencia de la fermentación se obtienen algunos
productos como etanol (fermentación alcohólica), ácido láctico (fermentación láctica),
ácido acético (fermentación acética), ácido butírico, ácido propiónico, u otros productos de
fermentación.
Fig. 3-15. Fermentación alcohólica
Esta es la fermentación que producen las levaduras y se usa para la obtención de
vino, cerveza, sidra y bebidas alcohólicas similares, donde los hidratos de carbono son
convertidos en alcohol por estos microorganismos.
Figura 3.16. Fermentación láctica.
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Este tipo de reacción ocurre en microorganismos y en el músculo esquelético de
animales con baja oxigenación. En los animales, el lactato que se produce es transportado
por vía sanguínea hasta el hígado, donde los hepatocitos regeneran piruvato por la misma
reacción pero en sentido inverso.
Gluconeogénesis
Consiste en una serie de reacciones anabólicas por las cuales dos moléculas de
piruvato se utilizan para sintetizar glucosa.
La mayoría de las reacciones de la gluconeogénesis son reversión de las
reacciones de la glucólisis, es decir, son catalizadas por la misma enzima en sentido
contrario. Sin embargo hay 3 reacciones que son irreversibles.
1) De fosfoenolpiruvato a piruvato (Piruvato quinasa)
2) De fructosa-6-fosfato a fructosa-1-6-bifosfato (fosfofructo quinasa).
3) De glucosa a glucosa-6-fosfato (hexoquinasa).
Algunas plantas poseen una enzima en sus cloroplastos, que cataliza la reacción
inversa y les permite regresar de piruvato a fosfoenolpiruvato.
Pero en los animales no existe esta enzima, y el piruvato sólo puede realizar el
camino inverso ingresando a la matriz mitocondrial y carboxilándose a oxalacetato, en una
reacción catalizada por la piruvato carboxilasa. Como la membrana mitocondrial interna no
es permeable al oxalacetato, este compuesto tiene dos alternativas:
1) Formar fosfoenolpiruvato catalizado por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, o
2) Formar malato gracias a la acción del malato deshidrogenasa.
Tanto el malato como el fosfoenolpiruvato pueden atravesar la membrana de la
mitocondria por difusión facilitada.
En el caso que la célula siga la alternativa 1, el fosfoenolpiruvato, una vez en el
citoplasma, puede continuar el camino inverso de las reacciones reversibles de la
glucolisis. En el caso que se realice la alternativa 2, el malato cuando sale al citoplasma
forma oxalacetato, reacción catalizada por una malato deshidrogenasa citoplasmática, y
este oxalacetato forma fosfoenolpiruvato, mediante una fosfoenolpiruvato carboxiquinasa
citoplasmática. A partir de este fosfoenolpiruvato continúa la gluconeogénesis como una
reversión de la glucólisis (Fig. 3-17).
La reacción para obtener Fructosa-6-fosfato a partir de fructosa-1-6-bifosfato y
glucosa a partir de glucosa-6-fosfato no son reversible respecto de la glucólisis, por lo
tanto para que ocurran estas reacciones son necesarias enzimas diferentes, éstas son la
fructosa-1-6-bifosfatasa y la glucosa-6-fosfatasa, respectivamente. Es decir si se compara
glucólisis con gluconeogénesis, hay tres puntos que no son reversibles y se requieren ya
sea de enzimas diferentes o de caminos metabólicos diferentes. Estos tres puntos de
irreversibilidad son puntos muy importantes para la regulación de estas vías metabólicas,
en donde participan muchas enzimas alostéricas.
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Fig. 3-17. Glucólisis y gluconeogénesis. Reacciones reversible e irreversibles
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Tabla 3-2. Cuadro comparativo entre glucólisis y gluconeogénesis
Reacción entre Enzima de glucólisis Enzima de gluconeogénesis
Glucosa yglucosa-6-
fosfato
hexoquinasa Glucosa-6-fosfatasa
Fructosa-6-fosfato
yfructosa-1-6-fosfato
fosfofructoquinasa Fructosa-1-6-bifosfatasa
Fosfoenelpiruvato
yPiruvato
Piruvatoquinasa Piruvato carboxilasa y
fosfoenelpiruvato carboxiquinasa
Balance de masa y energía de Gluconeogénesis
Para formar una molécula de glucosa por gluconeogénesis, se necesitan dos
moléculas de piruvato. En la reacción de gliceraldehído-3-fosfato + hidroxiacetona fosfato
estas dos moléculas de 3 C se unen para formar 1 fructosa-1-6-bifosfato de 6 C.
Ecuación general de gluconeogénesis:
Formación del enlace glicosídico
Para el caso de la formación del enlace glicosídico, es necesario que ocurra la
activación previa de la Glucosa-6-P.
Para ello la primera reacción que sufre la glucosa es una fosforilación catalizada por
la glucoquinasa y/o hexoquinasa para formar glucosa-6-fosfato, reacción ya descrita en la
glucólisis. La glucosa-6-fosfato en lugar de continuar hacia la vía glucolítica, se desvía a la
síntesis de di, oligo o poli-sacaridos y se isomeriza a glucosa-1-fosfato, reacción catalizada
por la fosfoglucomutasa (Fig. 3-18).
Fig 3-18. Isomerización de la glucosa-6P a glucosa-1P
Todo monosacárido para que pueda formar una unión glicosídica debe previamente
activarse, y para ello se une a un nucleótido. En esa unión se encuentra la energía
necesaria para que se produzca la unión glicosídica (Fig. 3-19).
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Fig. 3-19- Activación de la glucosa
El pirofosfato es rápidamente hidrolizado a fosfato por una pirofosfatasa, haciendo
esta reacción irreversible.
Interconversión de azucares
Para la síntesis de glucógeno la glucosa se activa uniéndose a UTP para formar
UDP-glucosa, mediante la uridina difosfato glucosa pirofosfatasa.
Para la síntesis de almidón la glucosa se activa uniéndose a ATP para formar ADP-
glucosa, mediante la adenina difosfato glucosa pirofosfatasa.
Para la síntesis de celulosa la glucosa se activa uniéndose a GTP para formar GDP-
glucosa, mediante la guanidina difosfato glucosa pirofosfatasa.
Para la síntesis de sacarosa la glucosa se activa uniéndose a UTP para formar UDP-
glucosa, mediante la uridina difosfato glucosa pirofosfatasa.
La razón por la cual la glucosa-1-P se activa con diferentes nucleótidos es para su
identificación por parte de la enzima específica que participa en la síntesis de cada uno de
los diferentes sacáridos.
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Metabolismo del glucógeno
Síntesis de glucógeno
La síntesis de glucógeno o glucogenogénesis comprende reacciones que conducen a
la síntesis de glucógeno a partir de moléculas de glucosa. Esta vía metabólica es exclusiva
de células de organismos animales.
El glucógeno es la reserva de glucosa que tienen los organismos animales.
Este compuesto se sintetiza en el hígado que suele tener hasta un 5% de su peso en
glucógeno y en el músculo donde significa hasta el 1% del peso del tejido muscular.
Para la síntesis de glucógeno la glucosa se activa uniéndose a UTP para formar
UDP-glucosa, mediante la uridina difosfato glucosa pirofosfatasa.
Una vez que la glucosa está activada como UDP-glucosa, se une a un resto de
glucógeno preexistente. Esta reacción es catalizada por la enzima glucógeno sintetasa, que
es la responsable de formar la unión 1-4 entre la nueva glucosa y el extremo no
reductor del C4 de una glucosa terminal del glucógeno (Fig. 3-20).
Fig. 3-20 Sintesis de glucógeno
Las uniones glucosídicas 1-6 presentes en las ramificaciones, son catalizadas por
la enzima denominada ramificante o glucano transferasa. Esta enzima toma fragmentos
de 6 glucosas o más y los une a una cadena vecina por una unión 1-6.
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Fig. 3-21. Formación de la ramificación en la molécula de glucógeno.
En el caso que haya una ausencia total de glucógeno en la célula, existe una
enzima iniciadora de glucógeno que utiliza una proteína como aceptor, donde se une una
glucosa y luego se van uniendo las otras unidades de glucosa para ir formando la molécula
de glucógeno por enlaces 1-4. Sobre esta base, posteriormente continúa actuando la
glucógeno sintetasa y la ramificante. Este tipo de síntesis que comienza sin una base
preexistente de glucógeno se denomina síntesis de novo.
Balance de energía
En la síntesis de glucógeno por cada glucosa que se une al glucógeno se
gasta un ATP para formar la glucosa-6-fosfato y un UTP para activar la glucosa como UDP-
glucosa. La ecuación general de la síntesis:
Degradación del glucógeno o Glucogenólisis
No es un proceso inverso a la glucogenogénesis, ya que las reacciones de síntesis
son irreversibles, por lo tanto para la degradación se requieren enzimas diferentes.
a) Fosforilasa: Inicia el proceso de degradación desde el extremo C4 no reductor
formando glucosa-1-fosfato. El fosfato se obtiene del medio y no es necesario el gasto
de ATP.
b) Amilo-1-6-glucosidasa o enzima desramificante: hidroliza uniones 1-6 dejando
moléculas de glucosa libres.
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Previo a la acción de la desramificante debe intervenir una enzima, oligo ( 1-4)
glucano transferasa, que actúa cuando quedan cuatro residuos de glucosa previo a una
ramificación, y pasa tres residuos finales de glucosa hacia otra ramificación dejando sólo la
glucosa que está unida por la unión 1-6. En ese momento es cuando por acción de la
enzima desramificante se puede hidrolizar este enlace glicosídico y liberar esa glucosa.
c) Fosfoglucomutasa: Esta enzima isomeriza la glucosa-1-fosfato a glucosa-6-fosfato, que
puede seguir la vía de glucólisis o gluconeogénesis según las necesidades energéticas
de la célula.
Vía de las pentosas fosfato
Es una vía alternativa a la glucólisis, donde se pueden generar productos que son
útiles para otras vías metabólicas como el NADPH que sirve para biosíntesis reductivas; la
ribosa-5-fosfato que forma parte de nucleótidos que se usan para formar el ATP, ácidos
nucleicos, coenzima A, coenzimas de óxido-reducción.
Se dice que es una alternativa de la glucólisis porque la glucosa-6-fosfato, en
determinadas condiciones celulares, en lugar de seguir el camino glicolítico se desvía y
entra a la vía de las pentosas para sintetizar 6-fosfogluconato, reacción catalizada por la
glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, con la formación de una molécula de NADPH. Luego
ocurre otra reacción de óxido reducción y se forma ribulosa-5-fosfato por descarboxilación
del 6-fosfogluconato. Esta reacción es catalizada por la 6-fosfogluconato deshidrogenasa y
aquí se forma otra molécula de NADPH.
Fig. 7-10. Reacciones de fase oxidativa de la vía de las pentosas
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Esta primera etapa de la vía de las pentosas son reacciones de óxido reducción, por
ello se la denomina fase oxidativa de la vía de las pentosas. Por cada glucosa-6-P que
ingresa a esta vía metabólica como producto se forman 2 moléculas de NADPH y una de
pentosa a partir de una glucosa.
Las reacciones que ocurren a continuación son de intreconversión entre
monosacáridos de 3, 4, 5, 6 y 7 átomos de carbonos. Esta etapa se denomina fase no
oxidativa de la vía de las pentosas y son reacciones reversibles.
La ribulosa-5-fosfato se puede isomerizar a ribosa-5-fosfato, en un paso metabólico
catalizado por la fosfopentosa isomerasa, o bien a xilulosa-5-fosfato en una reacción
mediada por la fosfopentosa epimerasa.
Las pentosas, por acción de las enzimas transaldolasa (transfiere de a 3 carbonos)
y transcetolasa (transfiere de a 2 carbonos), se transforman en nuevos monosacáridos.
Estas reacciones son reversibles.
Intermediarios y productos de la vía de las pentosas
a) NADPH: Se obtiene en la fase oxidativa y sirve para síntesis reductivas como la
síntesis de ácidos grasos. Por esta vía se aporta el 40% del NADPH que se necesita en
dicha biosíntesis.
b) Ribosa-5-P: Es un intermediario en la fase no oxidativa. Sirve para la producción de
nucleótidos que se usan en la síntesis de ADN, ARN, ATP, coenzimas, etc.
c) Eritrosa-4-P: Es un intermediario en la fase no oxidativa. Sirve como precursor en la
vía del ácido siquímico para la biosíntesis de aminoácidos aromáticos.
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Alternativas de la vía de las pentosas
De acuerdo a los requerimientos celulares, las moléculas pueden seguir distintas
alternativas metabólicas utilizando la vía de las pentosas. La concentración del NADP+ es
una de los principales factores que interviene en la regulación de esta vía.
a) Cuando la célula requiere mayor cantidad de NADPH: Esta vía es estimulada por
alta concentración de NADP+ y ocurre cuando es necesario NADPH para la síntesis de
ácidos grasos. Abarca las fases oxidativa y no oxidativa completas y gluconeogénesis
para regenerar glucosa-6-P para que pueda continuar en una especie de
funcionamiento cíclico.
Ecuación:
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b) Cuando la célula requiere NADPH y Ribosa-5-P: Comprende reacciones de la fase
oxidativa y una reacción de la fase no oxidativa que termina cuando se forma ribosa.
Ecuación:
c) Cuando la célula requiere mayor proporción de Ribosa-5-P: En este caso sólo ocurre la
reversión de la fase no oxidativa.
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d) Cuando la célula requiere NADPH y ATP: Comprende la fase oxidativa, la fase no
oxidativa y los productos de esta última siguen el camino de la glucólisis, ciclo de
Krebs y cadena respiratoria para poder producir energía.
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