CAPÍTULO 8: Metabolismo de los carbohidratos

Sinopsis

LOS CARBOHIDRATOS TIENEN NUMEROSAS FUNCIONES CRUCIALES EN LOS PROCESOS METABÓLICOS DE LOS SERES VIVOS. SIRVEN COMO FUENTES DE ENERGÍA Y como elementos estructurales de las células. Este capítulo se enfoca en el estudio de una de las funciones de los carbohidratos, la producción de energía. En virtud de que el monosacárido glucosa es una fuente de energía notable en casi todas las células, se hace gran énfasis en su síntesis, degradación y almacenamiento.

Las células se encuentran en un estado de actividad incesante. Para mantenerse “vivas”, las células dependen de reacciones bioquímicas complejas y muy coordinadas. Los carbohidratos son una fuente importante de la energía que impulsa estas reacciones. En este capítulo se revisan las vías del metabolismo de los carbohidratos. Durante la glucólisis, una vía antigua que se encuentra en casi todos los organismos, se captura una cantidad pequeña de energía al convertir una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato. El glucógeno, una forma de almacenamiento de glucosa en los vertebrados, se sintetiza por glucogénesis cuando la concentración de glucosa es alta y se degrada por glucogenólisis cuando el aporte de glucosa es insuficiente. La glucosa también puede sintetizarse a partir de precursores distintos de los carbohidratos por medio de reacciones denominadas gluconeogénesis. La vía de las pentosas fosfato permite a las células convertir la glucosa-6-fosfato, un derivado de la glucosa, en ribosa-5-fosfato (el azúcar que se utiliza para sintetizar los nucleótidos y los ácidos nucleicos) y en otras clases de monosacáridos; en esta vía también se produce NADPH (fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido), un agente reductor celular importante. En el capítulo 9 se considera el ciclo del glioxilato, utilizado por algunos organismos (principalmente plantas) para producir carbohidratos a partir de ácidos grasos. En el capítulo 13 se describe la fotosíntesis, un proceso en el cual se captura energía lumínica para impulsar la síntesis de carbohidratos.

La síntesis y la utilización de la glucosa, el combustible principal de la mayoría de los organismos, son el centro de cualquier exposición sobre el metabolismo de los carbohidratos. En los vertebrados, la glucosa se transporta en la sangre por todo el cuerpo. Cuando las reservas de energía celular son bajas, la glucosa se degrada por la vía glucolítica. Las moléculas de glucosa que no se requieren para producir energía inmediata se almacenan en forma de glucógeno en el hígado y en los músculos. La satisfacción de los requerimientos de energía de muchos tejidos (p. ej., el encéfalo, los eritrocitos y las células de los músculos esqueléticos en actividad) depende de un flujo ininterrumpido de glucosa. Según sean las necesidades metabólicas de la célula, la glucosa también puede utilizarse para sintetizar, por ejemplo, otros monosacáridos, ácidos grasos y determinados aminoácidos. En la figura 8.1 se resumen las principales vías del metabolismo de los carbohidratos en los animales.

La glucólisis ocurre en casi todas las células vivas, al menos en poca cantidad. Se cree que esta serie de reacciones está entre las más antiguas de todas las vías bioquímicas. Tanto las enzimas como el número y los mecanismos de los pasos de la vía son muy semejantes en las procariotas y en las eucariotas. Además, la glucólisis es un proceso anaerobio, que debió ser necesario en la atmósfera carente de oxígeno de la Tierra pre-eucariota.

En la glucólisis, que también se denomina vía de Embden-Meyerhof-Parnas, cada molécula de glucosa se divide y se transforma en dos unidades de tres carbonos (piruvato). Durante este proceso se oxidan numerosos átomos de carbono. La pequeña cantidad de energía que se captura durante las reacciones glucolíticas (alrededor del 5% de la total disponible) se almacena de forma temporal en dos moléculas de ATP (trifosfato de adenosina o adenosina trifosfato) y una de NADH (dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido) (la forma reducida de la coenzima NAD⁺). El destino metabólico subsiguiente del piruvato depende del organismo que se considere y de sus circunstancias metabólicas. En los organismos anaerobios (aquellos que no utilizan oxígeno para generar energía), el piruvato puede convertirse en productos de desecho como etanol, ácido láctico, ácido acético y moléculas semejantes. Utilizando el oxígeno como aceptor electrónico terminal, los organismos aerobios, como los animales y los vegetales, oxidan por completo el piruvato para formar CO₂ y H₂O en un complejo mecanismo escalonado, conocido como respiración aerobia (caps. 9 y 10).

La glucólisis (fig. 8.2), que consta de 10 reacciones, sucede en dos fases:

1. La glucosa se fosforila dos veces y se fracciona para formar dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (G-3-P). Las dos moléculas de ATP que se consumen durante esta fase son como una inversión, porque esta etapa crea los sustratos reales de la oxidación.

2. El gliceraldehído-3-fosfato se convierte en piruvato. Se producen cuatro moléculas de ATP y dos de NADH. Debido a que se han consumido dos ATP en la primera fase, la producción neta de moléculas de ATP por molécula de glucosa es dos.

La vía glucolítica puede resumirse en la siguiente ecuación:

Reacciones de la vía glucolítica

En la figura 8.3 se resume la glucólisis. Las 10 reacciones de la vía glucolítica son las siguientes:

1. Síntesis de glucosa-6-fosfato. Justo después de entrar en una célula, la glucosa y otras moléculas de azúcar se fosforilan. Este proceso impide el transporte de la glucosa hacia afuera de la célula y aumenta la reactividad del oxígeno en el éster fosfato resultante. Numerosas enzimas, denominadas hexocinasas, catalizan la fosforilación de las hexosas en todas las células del organismo. El ATP, un cosustrato de la reacción, forma complejos con el Mg²⁺. (Los complejos ATP-Mg²⁺ son comunes en las reacciones catalizadas por cinasas.) En condiciones intracelulares la reacción es irreversible; es decir, la enzima no tiene capacidad para retener o acomodar el producto de la reacción en su sitio activo, sin importar la concentración de G-6-P.

   

2. Conversión de la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato. Durante la reacción 2 de la glucólisis, la aldosa glucosa-6-fosfato se convierte en la cetosa fructosa-6-fosfato por medio de la fosfoglucosa isomerasa (PGI) en una reacción fácilmente reversible:

   

   Recuérdese que la reacción de isomerización de la glucosa y de la fructosa comporta un intermediario enodiol (fig. 7.16). Esta transformación hace que el C-1 del producto de fructosa esté disponible para la fosforilación. El grupo hidroxilo hemiacetal de la glucosa-6-fosfato es más difícil de fosforilar.

3. Fosforilación de la fructosa-6-fosfato. La fosfofructocinasa-1 (PFK-1) cataliza de forma irreversible la fosforilación de la fructosa-6-fosfato para formar fructosa-1,6-difosfato:

   

   La reacción catalizada por PFK-1 es irreversible en las condiciones celulares. Por lo tanto, es el primer paso específico en la glucólisis. A diferencia de la glucosa-6-fosfato y la fructosa-6-fosfato, sustrato y producto respectivos de la reacción previa, la fructosa-1,6-difosfato no puede ser revertida a fructosa-6-fosfato utilizando la misma enzima o desviarse a otras vías. La inversión de una segunda molécula de ATP tiene varios propósitos. En primer lugar, debido a que el ATP se utiliza como agente fosforilante, la reacción procede con un gran descenso de energía libre. Tras sintetizarse la fructosa-1,6-difosfato, la célula queda comprometida para la glucólisis. Como al final la fructosa-1,6-difosfato se divide en dos triosas, otra finalidad de la fosforilación es prevenir que cualquier producto ulterior difunda fuera de la célula, porque las moléculas con carga eléctrica no cruzan las membranas con facilidad.

4. Desdoblamiento de la fructosa-1,6-difosfato. La fase 1 de la glucólisis finaliza con el desdoblamiento de la fructosa-1,6-difosfato en dos moléculas de tres carbonos: gliceraldehído-3-fosfato (G-3-P) y fosfato de dihidroxiacetona (DHAP). Esta reacción es una escisión aldólica, de ahí el nombre de la enzima: aldolasa. Las escisiones aldólicas son inversas a las condensaciones aldólicas. En las escisiones aldólicas los productos son un aldehído y una cetona.

   

   Aunque el desdoblamiento de la fructosa-1,6-difosfato es en la mayor parte de los casos desfavorable (ΔG°′ = +23.8 kJ/mol), la reacción ocurre debido a que los productos se consumen con rapidez en la siguiente reacción de la vía.

5. Interconversión del gliceraldehído-3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato. De los dos productos de la reacción de la aldolasa, sólo el G-3-P se utiliza como sustrato para la reacción siguiente de la glucólisis. Para que la otra unidad de tres carbonos entre a la vía de la glucólisis, la triosa fosfato isomerasa cataliza la conversión reversible del DHAP en G-3-P:

   

   Tras esta reacción, la molécula original de glucosa se ha convertido en dos moléculas de G-3-P.

6. Oxidación del gliceraldehído-3-fosfato. Durante la reacción 6 de la glucólisis, el G-3-P se oxida y se fosforila. El producto, el glicerato-1,3-difosfato contiene un enlace de alta energía fosfoanhídrido, que puede utilizarse en la siguiente reacción para generar ATP:

   

   Este proceso complejo está catalizado por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, un tetrámero formado por cuatro subunidades idénticas. Cada subunidad contiene un sitio de unión para el G-3-P y otro para el NAD⁺ un agente oxidante. Al formar la enzima un enlace covalente tioéster con el sustrato (fig. 8.4), se transfiere al NAD⁺, un ion hidruro (H:⁻) en el sitio activo. El NADH, la forma reducida del NAD⁺, abandona el sitio activo y es reemplazado por un NAD⁺ que ingresa. El aducto acilo-enzima es atacado por el fosfato inorgánico y el producto abandona el sitio activo.

7. Transferencia del grupo fosfato. En esta reacción se sintetiza ATP al catalizar la fosfoglicerato cinasa la transferencia de un grupo fosfato de energía elevada del glicerato-1,3-difosfato al ADP:

   

   La reacción 7 es un ejemplo de fosforilación en nivel del sustrato. Debido a que la síntesis de ATP es endergónica, requiere una fuente de energía. En las fosforilaciones en el nivel del sustrato se produce el ATP debido a la transferencia de un grupo fosfato desde un sustrato con un potencial elevado de transferencia de grupo fosfato (1,3-difosfoglicerato) (véase el cuadro 4.1) para producir un compuesto con menor potencial de transferencia (ATP) y por tanto ΔG <0. Debido a que se forman dos moléculas de glicerato-1,3-difosfato por cada molécula de glucosa, esta reacción produce dos moléculas de ATP y se recupera la inversión de energía de los enlaces fosfato. Cualquier síntesis posterior de ATP puede considerarse un rendimiento de esta inversión. La síntesis de ATP en la vía más adelante representa una ganancia neta.

8. Interconversión del 3-fosfoglicerato y del 2-fosfoglicerato. El glicerato-3-fosfato tiene un potencial bajo de transferencia de grupo fosfato. Como tal, es un mal candidato para la síntesis posterior de ATP (el valor de ΔG°′ para la síntesis de ATP es de −30.5 kJ/mol). Las células convierten el glicerato-3-fosfato, éster fosfato de baja energía, en fosfoenolpiruvato (PEP), que posee un potencial de transferencia de grupo fosfato excepcionalmente elevado. (Las energías libres estándar de la hidrólisis del glicerato-3-fosfato y del PEP son −12.6 y −61.9 kJ/mol, respectivamente.) En el primer paso de esta conversión (reacción 8), la fosfoglicerato mutasa cataliza la conversión de un compuesto fosforilado en C-3 en uno fosforilado en C-2 a través de un ciclo de adición/eliminación de dos pasos.

   

9. Deshidratación del 2-fosfoglicerato. La enolasa cataliza la deshidratación del glicerato-2-fosfato para formar PEP:

   

   El PEP posee un potencial de transferencia de grupo fosfato mayor que el glicerato-2-fosfato debido a que contiene un grupo enol-fosfato en lugar de un éster fosfato simple. La razón de esta diferencia queda clara en la siguiente reacción. Los aldehídos y las cetonas tienen dos formas isoméricas. La forma enol contiene un doble enlace carbono-carbono y un grupo hidroxilo. Los enoles se encuentran en equilibrio con la forma ceto, más estable, que contiene el carbonilo. La interconversión de las formas ceto y enol, que también se llaman tautómeros, se denomina tautomerización:

   

   Esta tautomerización está restringida por la presencia del grupo fosfato, igual que la estabilización de resonancia del ion fosfato libre. Como consecuencia, en la reacción 10 está muy favorecida la transferencia del fosfato al ADP.

10. Síntesis de piruvato. En la reacción final de la glucólisis, la piruvato cinasa cataliza la transferencia de un grupo fosfato desde el PEP al ADP. Se forman dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.

    

    Esta reacción es irreversible por el alto potencial de transferencia del grupo fosforilo de PEP (cuadro 4.1). La conversión espontánea (tautomerización) de la forma fenólica de piruvato a la forma ceto más estable produce una pérdida enorme de energía libre. La figura 8.4 ilustra las 10 reacciones de la glucólisis.

Destinos del piruvato

En términos de energía, el resultado de la glucólisis es la producción de dos moléculas de ATP y dos de NADH por cada molécula de glucosa. El piruvato, el otro producto de la glucólisis, es aún una molécula con abundante energía que produce una cantidad sustancial de ATP. Sin embargo, el que pueda producirse más energía o no depende del tipo celular y de la disponibilidad de oxígeno. En condiciones aerobias, la mayoría de las células del cuerpo convierte el piruvato en acetil-CoA, que es el sustrato entrante para el ciclo del ácido cítrico, una vía anfibólica que oxida por completo dos carbonos del grupo acetilo para formar CO₂, y las moléculas reducidas NADH y FADH₂. (Una vía anfibólica funciona en los procesos anabólicos y en los catabólicos.) El sistema de transporte electrónico, una serie de reacciones de oxidación-reducción, transfiere electrones desde el NADH y desde el FADH₂ hasta el O₂ para formar agua. La energía liberada durante el transporte de electrones está acoplada a un mecanismo que sintetiza ATP. En condiciones anaerobias se impide la oxidación posterior del piruvato. Un gran número de células y de organismos lo compensan convirtiendo esta molécula en un compuesto orgánico más reducido y regenerando el NAD⁺ que se requiere para que continúe la glucólisis (fig. 8.5). (Recuérdese que la molécula NAD⁺ aceptora del ion hidruro es un cosustrato en la reacción catalizada por gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa.) Este proceso de regeneración del NAD⁺ se denomina fermentación. Las células musculares y determinadas especies bacterianas (p. ej., Lactobacillus) producen NAD⁺ al transformar el piruvato en lactato:

En las células musculares que se contraen rápidamente la demanda de energía es elevada. Tras reducirse el suministro de O₂, la fermentación del ácido láctico proporciona NAD⁺ suficiente para permitir que continúe la glucólisis (con su bajo nivel de producción de ATP) durante un periodo corto (fig. 8.6).

En las levaduras y en ciertas especies bacterianas, el piruvato se descarboxila para formar acetaldehído, que posteriormente se reduce por el NADH para formar etanol. (En una reacción de descarboxilación, un ácido orgánico pierde un grupo carboxilo en forma de CO₂.)

Este proceso, llamado fermentación alcohólica, se utiliza comercialmente para producir vino, cerveza y pan. Determinadas especies bacterianas producen alcoholes diferentes al etanol. Por ejemplo, Clostridium acetobutylicum, un microorganismo relacionado con el agente causal del botulismo y con el del tétanos, produce butanol. Hasta hace poco, este microorganismo se utilizaba comercialmente para sintetizar butanol, un alcohol que se emplea para producir detergentes y fibras sintéticas. En la actualidad, un proceso de síntesis que emplea petróleo ha sustituido a la fermentación microbiana.

Producción de energía a través de la glucólisis

Durante la glucólisis, la energía liberada cuando la glucosa se degrada a piruvato se acopla a la fosforilación de ADP, con un rendimiento neto de dos ATP. Sin embargo, la evaluación de los cambios de energía libre estándar de las reacciones individuales (fig. 8.7) no explica la eficacia de esta vía. Un método más útil para valorar las variaciones de energía libre considera las condiciones (p. ej., el pH y las concentraciones de metabolitos) en las que operan en realidad las células. Como se muestra en la figura 8.7, las variaciones de energía libre medidas en los eritrocitos indican que sólo tres reacciones (la 1, la 3 y la 10, véase fig. 8.4) poseen valores de ΔG significativamente negativos. Estas reacciones, catalizadas (respectivamente) por la hexocinasa, la PFK-1 y la piruvato cinasa, para todos los fines prácticos son irreversibles; es decir, cada una se produce hasta completarse en el sentido en que están escritas.

Los valores de las reacciones restantes (la 2 y de la 4 a la 9) son tan cercanos a cero que operan cerca del equilibrio. En consecuencia, estas últimas reacciones son fácilmente reversibles; las variaciones sutiles de las concentraciones de los sustratos o de los productos pueden alterar la dirección de cada reacción. No es sorprendente que en la gluconeogénesis (sección 8.2), la vía por la que puede generarse glucosa a partir de piruvato y de otros sustratos específicos, participen todas las enzimas glucolíticas excepto las que catalizan las reacciones 1, 3 y 10. La gluconeogénesis utiliza enzimas diferentes para evitar los pasos irreversibles de la glucólisis.

Regulación de la glucólisis

El ritmo al que opera la vía glucolítica en la célula se controla sobre todo por las propiedades cinéticas de sus isoenzimas hexocinasa y la regulación alostérica de las enzimas que catalizan las tres reacciones irreversibles: hexocinasa, PFK-1 y piruvato cinasa.

LAS HEXOCINASAS El hígado animal tiene cuatro hexocinasas. Tres de estas enzimas (hexocinasas I, II y III) se encuentran en concentraciones variables en otros tejidos, donde se unen de manera reversible con un conducto aniónico (llamado porina) en la membrana externa de las mitocondrias. Como resultado, el ATP es accesible. Estas isoenzimas tienen gran afinidad por la glucosa en relación con su concentración sanguínea; o sea que alcanzan la mitad de su saturación con concentraciones menores de 0.1 mM, aunque la concentración de glucosa sea cercana a 4 a 5 mM. Además, las hexocinasas I, II o III se inhiben por la glucosa-6-fosfato, el producto de la reacción. Cuando la concentración sanguínea de glucosa es baja, estas proteínas permiten que las células como las del cerebro y el músculo obtengan glucosa suficiente. Cuando la concentración sanguínea de glucosa es alta, las células no fosforilan más moléculas de glucosa de las que necesitan para cubrir sus necesidades inmediatas. La cuarta enzima, llamada hexocinasa IV (o glucocinasa), cataliza la misma reacción, pero sus propiedades cinéticas son distintas. La glucocinasa (GK) se encuentra en el hígado y en ciertas células del páncreas, intestino y cerebro; requieren una concentración de glucosa mucho más alta para su actividad óptima (cerca de 10 mM) y no se inhibe con glucosa-6-fosfato. En el hígado, la GK desvía la glucosa para almacenarla como glucógeno. Esta capacidad aporta los recursos usados para mantener la glucemia, una función primordial del hígado. Por consiguiente, después de una comida con carbohidratos, el hígado no extrae grandes cantidades de glucosa de la sangre para la síntesis de glucógeno hasta que otros tejidos han satisfecho sus requerimientos de esta molécula. Se cree que en los tipos celulares en los que existe, GK actúa como sensor de glucosa. Como la glucocinasa no suele funcionar a su ritmo máximo, es muy sensible a los pequeños cambios en la glucosa sanguínea. Su actividad está vinculada con una vía de transducción de señal. Por ejemplo, la liberación de insulina (la hormona que favorece la captación de glucosa en las células musculares y del tejido adiposo) desde las células β pancreáticas, como respuesta a la concentración creciente de glucosa, se inicia por la GK. La regulación hepática de la GK implica su unión con la proteína reguladora de GK (GKRP), un proceso iniciado por las concentraciones altas de fructosa-6-fosfato. Después, GKRP/GK se traslada al núcleo. Cuando la glucemia se eleva después de una comida, GKRP libera GK (causada por el intercambio con fructosa-1-fosfato) y GK regresa por los poros nucleares para fosforilar de nuevo a la glucosa.

REGULACIÓN ALOSTÉRICA DE LA GLUCÓLISIS Las reacciones catalizadas por las hexocinasas I, II y III, PFK-1 y piruvato cinasa pueden activarse y desactivarse mediante efectores alostéricos. En general, los efectores alostéricos son moléculas cuya concentración en las células es un indicador sensible del estado metabólico de las mismas. Algunos efectores alostéricos son productos metabólicos. Por ejemplo, las hexocinasas I, II y III se inhiben por el exceso de glucosa-6-fosfato. Varias moléculas relacionadas con la obtención de energía también actúan como efectores alostéricos. Por ejemplo, una concentración elevada de AMP (indicador de baja producción energética) activa la piruvato cinasa. En contraste, estas enzimas se inhiben por la concentración alta de ATP (indicador de que los requerimientos energéticos de la célula están cubiertos). El acetil-CoA, que se acumula cuando hay abundancia de ATP, inhibe la piruvato cinasa.

De las tres enzimas clave de la glucólisis, la PFK-1 es la que se regula en forma más estricta. Su actividad se inhibe alostéricamente por concentraciones altas de ATP y citrato, indicadores de que la carga energética celular está cubierta y de que el ácido cítrico, el principal elemento de la capacidad generadora de energía celular, redujo su actividad. El AMP es un activador alostérico de PFK-1. La concentración de AMP, que aumenta cuando la carga energética de la célula es baja, es un mejor factor predictivo del déficit de energía que la concentración de ADP. La fructosa-2,6-difosfato, un activador alostérico de la actividad de PFK-1 en el hígado, se sintetiza por acción de la fosfofructocinasa-2 (PFK-2) como respuesta a las señales hormonales relacionadas con la glucemia (fig. 8.8). Cuando la concentración sérica de glucosa es alta, el aumento de fructosa-2,6-difosfato estimulado por hormonas incrementa la actividad de PFK-1 (activa la glucólisis) y disminuye la actividad de la enzima que cataliza la reacción inversa, la fructosa-1,6-difosfatasa (inhibe la gluconeogénesis, sección 8.2). El AMP es un inhibidor alostérico de la fructosa-1,6-difosfatasa. La PFK-2 es una enzima con doble función que se comporta como fosfatasa cuando se fosforila como respuesta a la hormona glucagon (se libera a la sangre en respuesta a la glucemia baja, véase más adelante), y actúa como cinasa cuando se desfosforila como respuesta a la hormona insulina (glucemia elevada). La fructosa-2,6-difosfato, producida por la modificación covalente de la PFK-2 inducida por medios hormonales, es un indicador de concentraciones elevadas de glucosa disponible y activa alostéricamente la PFK-1. La fructosa-1,6-difosfato que se acumula, activa la piruvato cinasa, proporcionando un mecanismo de control de alimentación positiva (es decir, la fructosa-1,6-difosfato es un activador alostérico). La regulación alostérica de la glucólisis se resume en el cuadro 8.1.

REGULACIÓN HORMONAL La glucólisis también es regulada por las hormonas peptídicas glucagon e insulina. El glucagon, liberado por las células α del páncreas cuando la glucemia es baja, activa la función fosfatasa de la PFK-2, con lo que reduce la concentración de fructosa-2,6-difosfato en la célula. Como resultado, disminuyen la actividad de la PFK-1 y el flujo a través de la glucólisis. En el hígado, el glucagon también desactiva la piruvato cinasa. Los efectos del glucagon, inducidos por la unión a su receptor en las superficies de las células diana, son mediados por AMP cíclico (cAMP). El AMP cíclico (cAMP) se sintetiza a partir de ATP en una reacción catalizada por adenilato ciclasa, una proteína de la membrana plasmática. Una vez sintetizado, el cAMP se une a la proteína cinasa A (PKA) y la activa. La PKA inicia entonces una cascada de reacciones de fosforilación/desfosforilación que modifican las actividades de un conjunto diverso de enzimas y de factores de transcripción. Los factores de transcripción son proteínas que regulan o inician la síntesis de RNA al unirse a secuencias específicas de DNA llamadas elementos de respuesta.

La insulina es una hormona peptídica que las células β del páncreas secretan cuando la glucemia se eleva. Sus efectos en la glucólisis incluyen activación de la función cinasa de PFK-2, lo que incrementa la concentración de fructosa-2,6-difosfato en la célula; esto a su vez aumenta el flujo glucolítico. En células que contienen transportadores de glucosa sensibles a la insulina (el músculo y el tejido adiposo pero no el hígado ni el encéfalo), esta última promueve la transposición de transportadores de glucosa a la superficie celular. Cuando la insulina se une a su receptor de superficie celular, la proteína receptora experimenta varias reacciones de autofosforilación, que desencadenan numerosas cascadas de señalización intracelular que implican la fosforilación y la desfosforilación de enzimas y de factores de transcripción diana. Muchos de los efectos de la insulina en la expresión génica son mediados por la SREBP1c, una proteína de unión al elemento regulador esterol. Como resultado de la activación de la SREBP1c, aumenta la síntesis de glucocinasa y de la cinasa de piruvato.

AMPK: UN INTERRUPTOR MAESTRO METABÓLICO La proteína cinasa activada por AMP (AMPK) es una enzima con una función crucial para el metabolismo energético. Al principio se descubrió como un regulador del metabolismo de lípidos, ahora se sabe que la AMPK influye también en el metabolismo de la glucosa. Una vez activada la AMPK como resultado de aumento de la proporción AMP:ATP de la célula, la AMPK fosforila proteínas diana (enzimas y factores de transcripción). La AMPK desactiva vías anabólicas (p. ej., la síntesis de proteínas y la producción de lípidos) y activa vías catabólicas (p. ej., la glucólisis y la oxidación de ácidos grasos). Entre los efectos reguladores de la AMPK en la glucólisis se incluyen los siguientes. En músculo cardiaco y en los músculos esqueléticos, la AMPK promueve la glucólisis al facilitar el reclutamiento (inducido por estrés o ejercicio) de transportadores de glucosa en la membrana plasmática. En células cardiacas, la AMPK estimula la glucólisis al activar la PFK-2. La estructura y las propiedades funcionales de la AMPK se describen en el capítulo 12.

La gluconeogénesis, la formación de moléculas nuevas de glucosa a partir de precursores que no son carbohidratos, ocurre principalmente en el hígado. Los precursores son el lactato, el piruvato, el glicerol y determinados α-cetoácidos (moléculas que derivan de los aminoácidos). En determinadas situaciones (p. ej., acidosis metabólica o inanición) el riñón puede producir pequeñas cantidades de glucosa. Entre las comidas se mantienen concentraciones sanguíneas adecuadas de glucosa por medio de la hidrólisis del glucógeno hepático. Cuando se agota el glucógeno hepático (p. ej., por un ayuno prolongado o por ejercicio vigoroso), la vía de la gluconeogénesis proporciona al organismo la cantidad de glucosa adecuada. El cerebro y los eritrocitos dependen exclusivamente de la glucosa como fuente de energía.

Reacciones de la gluconeogénesis

La secuencia de reacciones de la gluconeogénesis es, en gran medida, la inversa de la glucólisis. Sin embargo, es importante recordar que tres reacciones glucolíticas (las reacciones catalizadas por la hexocinasa, la PFK-1 y la piruvato cinasa) son irreversibles. En la gluconeogénesis, para evitar estos obstáculos, se utilizan reacciones alternativas catalizadas mediante enzimas diferentes. Después se resumen las reacciones únicas de la gluconeogénesis. En la figura 8.9 se presentan la vía gluconeogénica completa y sus relaciones con la glucólisis. Las reacciones de circunvalación de la gluconeogénesis son las siguientes:

1. Síntesis de PEP. La síntesis de PEP a partir de piruvato requiere dos enzimas: la piruvato carboxilasa y la PEP carboxicinasa. La piruvato carboxilasa, que se encuentra dentro de las mitocondrias, convierte el piruvato en oxaloacetato (OAA):

   

   La transferencia de CO₂ para formar el producto OAA está mediada por la coenzima biotina, que se une de manera covalente dentro del sitio activo de la enzima. El OAA se descarboxila y se fosforila por medio de la PEP carboxicinasa en una reacción impulsada por la hidrólisis del trifosfato de guanosina (GTP):

   

   La PEP carboxicinasa se encuentra dentro de las mitocondrias de algunas especies y en el citoplasma de otras. En el ser humano, esta actividad enzimática se encuentra en ambos compartimientos. Debido a que la membrana mitocondrial interna es impermeable al OAA, las células que carecen de PEP carboxicinasa (PEPCK) mitocondrial transfieren el OAA al citoplasma utilizando, por ejemplo, la lanzadera del malato. En este proceso, el OAA se convierte en malato por la malato deshidrogenasa mitocondrial. Posterior al transporte del malato a través de la membrana mitocondrial, la reacción inversa (para formar OAA) es catalizada por la malato deshidrogenasa citoplásmica. La lanzadera de malato permite que la gluconeogénesis continúe porque aporta el NADH necesario para la reacción catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato-deshidrogenasa.

   

2. Conversión de la fructosa-1,6-difosfato en fructosa-6-fosfato. La reacción irreversible de la glucólisis catalizada por la PFK-1 se evita por la fructosa-1,6-difosfatasa:

   

   Esta reacción exergónica (ΔG°′ = −16.7 kJ/mol) es también irreversible en condiciones celulares. El ATP no se regenera, y también se produce fosfato inorgánico (P_i). La fructosa-1,6-difosfatasa es una enzima alostérica. Su actividad la estimula el citrato y la inhiben el AMP y la fructosa-2,6-difosfato.

3. Formación de glucosa a partir de glucosa-6-fosfato. La glucosa-6-fosfatasa, que sólo se encuentra en el hígado y el riñón, cataliza la hidrólisis irreversible de la glucosa-6-fosfato para formar glucosa y P_i. A continuación, la glucosa se libera en el torrente sanguíneo.

   Como se ha señalado, cada una de las reacciones anteriores está empatada con una reacción opuesta irreversible en la glucólisis. Cada conjunto de estas reacciones emparejadas se denomina ciclo de sustrato. Debido a que están reguladas de forma coordinada (un activador de la enzima que cataliza la reacción directa sirve como inhibidor de la enzima que cataliza la reacción inversa), se desperdicia muy poca energía a pesar de que ambas enzimas pueden estar funcionando en cierto nivel al mismo tiempo. El control de flujos (la regulación del flujo de sustrato y la eliminación del producto) es más eficaz si la acumulación transitoria de un producto se encauza de vuelta al ciclo. La velocidad catalítica de la enzima en sentido directo permanecerá elevada si la concentración del sustrato se maximiza. La ganancia de eficacia catalítica compensa con creces la pequeña pérdida de energía del reciclado del producto.

   La gluconeogénesis es un proceso que consume energía. En lugar de generar ATP (como la glucólisis), la gluconeogénesis requiere la hidrólisis de seis enlaces fosfato de alta energía.

Sustratos de la gluconeogénesis

Como se mencionó antes, numerosos metabolitos son precursores gluconeogénicos. Se describen de forma breve tres de los sustratos más importantes.

El lactato lo liberan los eritrocitos y otras células que carecen de mitocondrias o que tienen concentraciones bajas de oxígeno. En el ciclo de Cori, las células musculares liberan lactato durante el ejercicio (fig. 8.10). Después de transferir el lactato al hígado, se reconvierte en piruvato a través de la lactato deshidrogenasa y luego en glucosa por gluconeogénesis.

El glicerol, un producto del metabolismo de las grasas en el tejido adiposo, se transporta al hígado en la sangre y luego se convierte en glicerol-3-fosfato por medio de la glicerol cinasa. La oxidación del glicerol-3-fosfato para formar DHAP ocurre cuando la concentración citoplásmica de NAD⁺ es relativamente elevada.

De todos los aminoácidos que pueden convertirse en intermediarios glucolíticos (moléculas denominadas glucogénicas), la alanina es quizá el más importante. Cuando el músculo en ejercicio produce cantidades grandes de piruvato, parte de estas moléculas se convierten en alanina por medio de una reacción de transaminación con participación del glutamato:

Después de su transporte al hígado, la alanina se reconvierte en piruvato y luego en glucosa. El ciclo glucosa-alanina (fig. 8.11) tiene numerosos propósitos. Además de su función en el reciclaje de cetoácidos α entre el músculo y el hígado, el ciclo glucosa-alanina es un mecanismo de transporte del nitrógeno en forma de grupo amino al hígado. En los α-cetoácidos, que en ocasiones se les denomina esqueletos de carbono, un grupo carbonilo está unido directamente al grupo carboxilo. Una vez que la alanina llega al hígado se reconvierte en piruvato. El nitrógeno amino se incorpora luego en la urea o se transfiere a otros α-cetoácidos para restaurar el balance de aminoácidos en el hígado (cap. 15).

Regulación de la gluconeogénesis

Igual que en otras vías metabólicas, la velocidad de la gluconeogénesis está afectada en primer lugar por la disponibilidad de los sustratos, por los efectores alostéricos y por las hormonas. No es sorprendente que la gluconeogénesis sea estimulada por las concentraciones elevadas de lactato, de glicerol y de aminoácidos. Una alimentación abundante en grasas, la inanición y un ayuno prolongado proporcionan grandes cantidades de estas moléculas.

Las cuatro enzimas clave de la gluconeogénesis (la piruvato carboxilasa, la PEP carboxicinasa, la fructosa-1,6-difosfatasa y la glucosa-6-fosfatasa) son afectadas en grados variables por los moduladores alostéricos. Por ejemplo, a la fructosa-1,6-difosfatasa la activa el ATP y la inhiben el AMP y la fructosa-2,6-difosfato. La acetil-CoA activa la piruvato carboxilasa. (La concentración de acetil-CoA, un producto de la degradación de los ácidos grasos, es especialmente elevada durante la inanición.) La figura 8.12 presenta las generalidades de la regulación alostérica de la glucólisis y la gluconeogénesis.

Como en otras vías bioquímicas, las hormonas afectan la gluconeogénesis al modificar las concentraciones de efectores alostéricos y enzimas clave determinantes de la velocidad. Como se mencionó antes, el glucagon deprime la síntesis de fructosa-2,6-difosfato, lo que libera la inhibición de la fructosa-1,6-difosfatasa y desactiva la enzima glucolítica piruvato cinasa a través de una reacción de fosforilación iniciada por el cAMP. Las hormonas también influyen en la gluconeogénesis al alterar la síntesis enzimática. Por ejemplo, la síntesis de enzimas gluconeogénicas es estimulada por el cortisol, una hormona esteroidea producida en la corteza de las glándulas suprarrenales que facilita la adaptación del organismo a condiciones estresantes. Por último, la acción de la insulina provoca la síntesis de nuevas moléculas de glucocinasa, de PFK-1 (inducida por la SREBP1c) y de PFK-2 (favorecida por la glucólisis). La insulina también deprime la síntesis (una vez más a través de la SREBP1c) de PEP carboxicinasa, fructosa-1,6-difosfatasa y glucosa-6-fosfatasa. La acción del glucagon conduce a la síntesis de más moléculas de PEP carboxicinasa, de fructosa-1,6-difosfatasa y de glucosa-6-fosfatasa.

Estas hormonas realizan dicha función alterando el estado de fosforilación de determinadas proteínas diana de las células hepáticas, que a su vez modifican la expresión de los genes. El punto clave a recordar es que la insulina y el glucagon tienen efectos opuestos en el metabolismo de los carbohidratos. La dirección del flujo de metabolitos (o sea, si se activa la glucólisis o la gluconeogénesis) depende sobre todo de la relación insulina/glucagon. Tras una comida con carbohidratos, dicho cociente se eleva y predomina en el hígado la glucólisis sobre la gluconeogénesis. Tras un periodo de ayuno o luego de una comida con pocos carbohidratos y muchas grasas, el cociente insulina/glucagon es bajo y predomina en el hígado la gluconeogénesis sobre la glucólisis. El segundo regulador importante del control recíproco de la glucólisis y de la gluconeogénesis es la disponibilidad de ATP, ya que las cantidades elevadas de AMP, el producto de baja energía de la hidrólisis del ATP, incrementan el flujo a través de la glucólisis a expensas de la gluconeogénesis, y las cantidades bajas de AMP incrementan el flujo a través de la gluconeogénesis a expensas de la glucólisis. Aunque el control del ciclo PFK-1/fructosa-1,6-difosfatasa podría parecer suficiente para esta vía, el control en la etapa de la piruvato cinasa es clave debido a que permite la retención máxima de PEP, una molécula con un potencial de transferencia de fosfato muy elevado.

La ruta de las pentosas fosfato es otra vía metabólica de oxidación de la glucosa en la que no se genera ATP. Sus productos principales son el NADPH (fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido), un agente reductor que se requiere en varios procesos anabólicos, y la ribosa-5-fosfato, un componente estructural de los nucleótidos y de los ácidos nucleicos. La vía de las pentosas fosfato se produce en el citoplasma en dos fases: la oxidativa y la no oxidativa. En la fase oxidativa de la vía, la conversión de la glucosa-6-fosfato en ribulosa-5-fosfato va acompañada de la producción de dos moléculas de NADPH. En la fase no oxidativa se producen la isomerización y la condensación de varias moléculas de azúcar diferentes. Tres intermediarios de este proceso que son útiles en otras vías son la ribosa-5-fosfato, la fructosa-6-fosfato y el gliceraldehído-3-fosfato.

La fase oxidativa de la vía de las pentosas fosfato consta de tres reacciones (fig. 8.13a). En la primera reacción, la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G-6-PD) cataliza la oxidación de la glucosa-6-fosfato. La 6-fosfogluconolactona y el NADPH son los productos de esta reacción. A continuación la 6-fosfo-d-glucono-δ-lactona se hidroliza para producir 6-fosfo-d-gluconato. Durante la descarboxilación oxidativa del 6-fosfogluconato, una reacción que produce ribulosa-5-fosfato, se produce una segunda molécula de NADPH.

Estas reacciones proporcionan una cantidad sustancial del NADPH que se requiere para los procesos reductores (p. ej., la biosíntesis de lípidos) y los mecanismos antioxidantes. Por esta razón, esta vía es más activa en las células en las que se sintetizan cantidades relativamente grandes de lípidos, por ejemplo, en las del tejido adiposo, de la corteza de las glándulas suprarrenales, de las glándulas mamarias y del hígado. El NADPH también es un antioxidante potente. (Los antioxidantes son sustancias que impiden la oxidación de otras moléculas. En el capítulo 10 se describen sus acciones en los procesos vitales.) Por consiguiente, la fase oxidativa de la vía de las pentosas fosfato también es bastante activa en las células con riesgo alto de experimentar daño oxidativo, como los eritrocitos.

La fase no oxidativa comienza con la conversión de la ribulosa-5-fosfato en ribosa-5-fosfato, por medio de la ribulosa-5-fosfato isomerasa, o en xilulosa-5-fosfato, a través de la ribulosa-5-fosfato epimerasa. Durante las reacciones restantes de la vía (fig. 8.13b), la transcetolasa y la transaldolasa catalizan las interconversiones de triosas, pentosas y hexosas. La transcetolasa es una enzima que requiere TPP (pirofosfato de tiamina) que transfiere unidades de dos carbonos de una cetosa a una aldosa. (El TPP es la forma coenzimática de la tiamina, conocida también como vitamina B₁.) La transcetolasa cataliza dos reacciones. En la primera, la enzima transfiere una unidad de dos carbonos de la xilulosa-5-fosfato a la ribosa-5-fosfato, produciendo gliceraldehído-3-fosfato y sedoheptulosa-7-fosfato. En la segunda, una unidad de dos carbonos de otra molécula de xilulosa-5-fosfato se transfiere a la eritrosa-4-fosfato para formar una segunda molécula de gliceraldehído-3-fosfato y fructosa-6-fosfato. La transaldolasa transfiere unidades de tres carbonos desde una cetosa a una aldosa. En la reacción catalizada por la transaldolasa, se transfiere una unidad de tres carbonos desde la sedoheptulosa-7-fosfato al gliceraldehído-3-fosfato. Los productos que se forman son fructosa-6-fosfato y eritrosa-4-fosfato. El resultado de la fase no oxidativa de la vía es la síntesis de ribosa-5-fosfato y de los intermediarios glucolíticos gliceraldehído-3-fosfato y fructosa-6-fosfato.

Cuando no se requieren azúcares pentosas para las reacciones de biosíntesis, los metabolitos de la porción no oxidativa de la vía se convierten en intermediarios glucolíticos que pueden degradarse posteriormente para generar energía o convertirse en moléculas precursoras para procesos de biosíntesis (fig. 8.14). Por esta razón, la vía de las pentosas fosfato también se denomina derivación de las hexosas monofosfatadas. En los vegetales, la vía de las pentosas fosfato participa en la síntesis de glucosa durante las reacciones oscuras de la fotosíntesis (cap. 13).

La vía de las pentosas fosfato se regula para satisfacer los requerimientos momentáneos de NADPH y de ribosa-5-fosfato. La fase oxidativa es muy activa en células como los eritrocitos o los hepatocitos, donde las demandas de NADPH son elevadas. (La síntesis de lípido es un consumidor principal de NADPH.) Por el contrario, la fase oxidativa está virtualmente ausente en células como las de los músculos, que sintetizan pocos lípidos o que no lo hacen. La G-6-PD cataliza un paso regulador clave en la vía de las pentosas fosfato. La inhibe el NADPH y la estimulan el GSSG, la forma oxidada del glutatión antioxidante, y glucosa-6-fosfato. Además, la alimentación con un elevado contenido de carbohidratos incrementa la síntesis de G-6-PD y de fosfogluconato deshidrogenasa.

Otros azúcares diferentes de la glucosa son importantes en los vertebrados. Los más notables son la fructosa, la galactosa y la manosa. Junto con la glucosa, estas moléculas son los azúcares que se encuentran con mayor frecuencia en los oligosacáridos y en los polisacáridos. Son también fuentes importantes de energía. En la figura 8.15 se presentan las reacciones por medio de las cuales estos azúcares se convierten en intermediarios glucolíticos. Enseguida se discute el metabolismo de la fructosa, un componente importante de la alimentación del ser humano.

Metabolismo de la fructosa

Las fuentes alimentarias de fructosa son las frutas, la miel, la sacarosa y el jarabe de maíz con grandes cantidades de fructosa (también llamado simplemente alta fructosa), un edulcorante de bajo costo utilizado en una gran variedad de alimentos y de bebidas procesados.

La fructosa, la segunda fuente de carbohidratos en la alimentación humana (sólo detrás de la glucosa), puede entrar en la vía glucolítica por dos caminos. En el hígado, la fructosa se convierte en fructosa-1-fosfato por medio de la fructocinasa:

Cuando la fructosa-1-fosfato penetra en la vía glucolítica, primero se divide en fosfato de dihidroxiacetona (DHAP) y gliceraldehído mediante la fructosa-1-fosfato aldolasa. Luego el DHAP se convierte en gliceraldehído-3-fosfato por medio de la triosa fosfato isomerasa. El gliceraldehído-3-fosfato se genera a partir de gliceraldehído y de ATP por la cinasa de gliceraldehído.

La conversión de la fructosa-1-fosfato en intermediarios glucolíticos evita dos pasos reguladores (las reacciones catalizadas por la hexocinasa y por la PFK-1); de esta forma, en comparación con lo que ocurre con la glucosa, la entrada de la fructosa en la vía glucolítica es esencialmente no regulada.

En los músculos y en el tejido adiposo, la fructosa se convierte en el intermediario glucolítico fructosa-6-fosfato por conducto de la hexocinasa. Debido a que las hexocinasas tienen baja afinidad por la fructosa, esta reacción tiene una importancia menor a no ser que el consumo de fructosa sea excepcionalmente elevado.

El glucógeno almacena la glucosa. La síntesis y la degradación del glucógeno se regulan con precaución para que pueda disponerse de suficiente glucosa para las necesidades energéticas del organismo. La glucogénesis y la glucogenólisis están controladas principalmente por tres hormonas: insulina, glucagon y epinefrina.

Glucogénesis

La síntesis de glucógeno ocurre después de una comida, cuando la concentración sanguínea de glucosa se eleva. Se sabe desde hace mucho tiempo que después de ingerir una comida con carbohidratos ocurre la glucogénesis hepática. La síntesis de glucógeno a partir de glucosa-6-fosfato implica la siguiente serie de reacciones.

1. Síntesis de glucosa-1-fosfato. La glucosa-6-fosfato se convierte de forma reversible en glucosa-1-fosfato a través de la fosfoglucomutasa, una enzima que contiene un grupo fosfato unido a un residuo de serina reactivo:

   

   El grupo fosfato de la enzima se transfiere a la glucosa-6-fosfato, formando glucosa-1,6-difosfato. Al formarse la glucosa-1-fosfato, el grupo fosfato unido a C-6 se transfiere al residuo de serina de la enzima.

2. Síntesis de UDP-glucosa. La formación del enlace glucosídico es un proceso endergónico. La formación de productos derivados del azúcar con un buen grupo saliente proporciona la fuerza impulsora para la mayoría de las reacciones de transferencia de azúcares. Por esta razón, la síntesis de un nucleótido-azúcar es una reacción común que precede a la transferencia de azúcar y a los procesos de polimerización. El difosfato de uridina-glucosa (UDP-glucosa) es más reactiva que la glucosa y se mantiene de forma más segura en el sitio activo de las enzimas que catalizan las reacciones de transferencia (denominadas glucosil transferasas). La formación de UDP-glucosa, cuyo valor de ΔG°′ es cercano a cero, es una reacción reversible catalizada por la UDP-glucosa pirofosforilasa:

   

   Sin embargo, la reacción se completa debido a que el pirofosfato (PP_i) es hidrolizado de inmediato y de forma irreversible por la pirofosforilasa con una pérdida grande de energía libre (ΔG°′ = −33.5 kJ/mol):

   

   (Recuérdese que la eliminación del producto desplaza el equilibrio de la reacción hacia la derecha. Esta estrategia celular es habitual.)

3. Síntesis de glucógeno a partir de UDP-glucosa. La formación de glucógeno a partir de UDP-glucosa requiere dos enzimas: (a) de la glucógeno sintasa, que cataliza la transferencia del grupo glucosilo del UDP-glucosa a los extremos no reductores del glucógeno (fig. 8.16a), y (b) de la amilo-α(1,4→1,6)-glucosil transferasa (enzima ramificante), que crea los enlaces α(1,6) para las ramificaciones de la molécula (fig. 8.16b).

   La síntesis de glucógeno requiere de un tetrasacárido preexistente formado por cuatro residuos glucosilo con enlaces α(1,4). El primero de estos residuos se une a un residuo de tirosina específico en una proteína “cebadora” que recibe el nombre de glucogenina. Después, la sintasa de glucógeno y una enzima ramificante extienden la cadena de glucógeno. En el citoplasma de las células hepáticas y en las musculares de animales bien alimentados pueden observarse gránulos grandes de glucógeno, cada uno formado por una sola molécula de glucógeno muy ramificada. Las enzimas causales de la síntesis y de la degradación del glucógeno recubren cada gránulo.

Glucogenólisis

La degradación del glucógeno requiere las dos reacciones siguientes:

1. Eliminación de la glucosa de los extremos no reductores del glucógeno. La glucógeno fosforilasa utiliza fosfato inorgánico (P_i) para romper los enlaces α(1,4) de las ramificaciones externas del glucógeno para formar glucosa-1-fosfato. La glucógeno fosforilasa se detiene cuando llega a cuatro residuos de glucosa del punto de ramificación (fig. 8.17). (Una molécula de glucógeno que se ha degradado hasta estos puntos de ramificación se denomina dextrina límite.)

2. Hidrólisis de los enlaces glucosídicos α(1,6) en los puntos de ramificación del glucógeno. La amilo-α(1,6)-glucosidasa, que también se denomina enzima desramificante, comienza a eliminar los puntos de ramificación α(1,6) al transferir los tres residuos de glucosa más externos de los cuatro unidos al punto de ramificación a un extremo no reductor cercano. Luego elimina al único residuo de glucosa unido en cada punto de ramificación. El producto de esta última reacción es glucosa libre (fig. 8.18).

La glucosa-1-fosfato, principal producto de la glucogenólisis, es desviada a la glucólisis en las células musculares con el propósito de generar energía para la contracción muscular. En los hepatocitos la glucosa-1-fosfato se convierte en glucosa, por medio de la fosfoglucomutasa y de la glucosa-6-fosfatasa, y se libera en la sangre. En la figura 8.19 se presenta un resumen de la glucogenólisis.

Regulación del metabolismo del glucógeno

El metabolismo del glucógeno es regulado cuidadosamente para evitar el derroche de energía. Tanto la síntesis como la degradación son controladas por un mecanismo complejo en el que participan la insulina, el glucagon, la epinefrina y reguladores alostéricos. El páncreas libera glucagon cuando la glucemia decae en las horas posteriores a una ingestión. Éste se une a receptores en los hepatocitos e inicia un proceso de transducción de señales que eleva las concentraciones intracelulares de cAMP. El segundo mensajero, cAMP, amplifica la señal original del glucagon e inicia una cascada de fosforilación que conduce a la activación de la glucógeno fosforilasa, junto con varias otras proteínas. En segundos, la glucogenólisis provoca la liberación de glucosa en el torrente sanguíneo.

Cuando está ocupado, el receptor de insulina se convierte en una enzima tirosina cinasa activa que produce una cascada de fosforilación, que en última instancia tiene un efecto opuesto al del sistema glucagon/cAMP: las enzimas de la glucogenólisis se inhiben y las enzimas de la glucogénesis se activan. La insulina aumenta también la velocidad de captación de glucosa por numerosos tipos de células diana, pero no en las células hepáticas o en las cerebrales.

El estrés emocional o la agresión física liberan epinefrina de la médula suprarrenal. La epinefrina estimula la glucogenólisis e inhibe la glucogénesis. En situaciones de urgencia, cuando se libera epinefrina en cantidades relativamente grandes, la producción masiva de glucosa proporciona la energía que se requiere para controlar la situación. Este efecto se denomina respuesta de lucha o huida. La epinefrina inicia el proceso al activar la adenilato ciclasa en las células hepáticas y en las musculares. También se cree que otros dos segundos mensajeros, los iones calcio y el inositol trifosfato (cap. 16), participan en la acción de la epinefrina.

Tanto la glucógeno sintasa (GS) como la glucógeno fosforilasa poseen conformaciones activas e inactivas que se interconvierten por modificación covalente. La forma activa de la glucógeno sintasa, conocida como forma I (independiente), se convierte en la forma inactiva o D (dependiente) mediante fosforilación. La actividad de la GS puede someterse a modulación fina en respuesta a una gama de intensidades de señal, porque es desactivada por reacciones de fosforilación catalizadas por una gran cantidad de cinasas. Desde el punto de vista fisiológico, las cinasas más importantes son la glucógeno sintasa cinasa 3 (GSK3) y la caseína cinasa 1 (CS1). A diferencia de lo que ocurre en el caso de la GS, la forma inactiva de la glucógeno fosforilasa (fosforilasa b) se convierte en la forma activa (fosforilasa a) por la fosforilación de un residuo específico de serina. La enzima fosforilante se denomina fosforilasa cinasa. La fosforilación de la glucógeno sintasa y de la fosforilasa cinasa está catalizada por una proteína cinasa, PKA, que se activa por medio del cAMP. La síntesis de glucógeno tiene lugar cuando la glucógeno sintasa y la glucógeno fosforilasa se han desfosforilado. Esta conversión está catalizada por la fosfoproteína fosfatasa 1 (PP1), que también inactiva a la fosforilasa cinasa. Vale la pena mencionar que la PP1 se mantiene unida tanto con la glucógeno sintasa como con la glucógeno fosforilasa por una proteína de ancla llamada PTG (proteína dirigida a glucógeno, por sus iniciales en inglés). Los efectos del glucagon, insulina y epinefrina en el metabolismo del glucógeno se resumen en la figura 8.20.

Numerosos reguladores alostéricos también regulan el metabolismo del glucógeno. En las células musculares, tanto los iones calcio liberados durante la contracción muscular como el AMP se unen a sitios en la glucógeno fosforilasa b y promueven su conversión en fosforilasa a. El proceso inverso, la conversión de fosforilasa a en fosforilasa b, es promovido por altas concentraciones de ATP y de glucosa-6-fosfato. La actividad de la glucógeno sintasa es estimulada por la glucosa-6-fosfato. En los hepatocitos, la glucosa es un regulador alostérico que promueve la inhibición de la fosforilasa de glucógeno.

Resumen del capítulo

1. La glucosa domina el metabolismo de los carbohidratos, puesto que es un combustible importante en la mayoría de los organismos. Si las reservas de energía son bajas, la glucosa se degrada mediante la vía glucolítica. Las moléculas de glucosa que no se requieren para la producción inmediata de energía se almacenan en forma de glucógeno (en los animales) o de almidón (en los vegetales).

2. Durante la glucólisis, la glucosa se fosforila y se fracciona para formar dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. Cada una de ellas se convierte después en una molécula de piruvato. Una pequeña cantidad de energía se captura en dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH. En los organismos anaerobios el piruvato se convierte en productos de desecho. Durante este proceso se regenera el NAD⁺, en la forma que pueda continuar la glucólisis. En presencia de O₂, los organismos aerobios convierten el piruvato en acetil-CoA y después en CO₂ y en H₂O. La glucólisis se controla en primera instancia mediante la regulación alostérica de tres enzimas —la hexocinasa, la PFK-1 y la piruvato cinasa— y por las hormonas glucagon e insulina.

3. Durante la gluconeogénesis se sintetizan moléculas de glucosa a partir de precursores que no son carbohidratos (lactato, piruvato, glicerol y determinados aminoácidos). La secuencia de las reacciones de la gluconeogénesis es, en gran medida, la inversa de la glucólisis. Las tres reacciones glucolíticas irreversibles (la síntesis de piruvato, la conversión de fructosa-1,6-difosfato en fructosa-6-fosfato y la formación de glucosa a partir de glucosa-6-fosfato) se sustituyen por reacciones alternativas energéticamente favorables.

4. La vía de las pentosas fosfato, en la que se oxida la glucosa-6-fosfato, se produce en dos fases. En la fase oxidativa se forman dos moléculas de NADPH al convertirse la glucosa-6-fosfato en ribulosa-5-fosfato. En la fase no oxidativa se sintetizan ribosa-5-fosfato y otros azúcares. Cuando las células necesitan más NADPH que ribosa-5-fosfato, un componente de los nucleótidos y de los ácidos nucleicos, los metabolitos de la fase no oxidativa se convierten en intermediarios glucolíticos.

5. Otros tipos de azúcares diferentes a la glucosa son importantes en el metabolismo de los carbohidratos. Entre éstos se encuentran la fructosa, la galactosa y la manosa.

6. El sustrato en la síntesis de glucógeno es el UDP-glucosa, una forma activada del azúcar. La UDP-glucosa pirofosforilasa cataliza la formación de UDP-glucosa a partir de glucosa-1-fosfato y UTP (trifosfato de uridina). La glucosa-6-fosfato se convierte en glucosa-1-fosfato mediante la fosfoglucomutasa. La síntesis de glucógeno requiere dos enzimas: la glucógeno sintasa y la enzima ramificante. La degradación de glucógeno requiere de la glucógeno fosforilasa y de la enzima desramificante. El equilibrio entre la glucogénesis (síntesis de glucógeno) y la glucogenólisis (degradación de glucógeno) está regulado de forma cuidadosa por varias hormonas (insulina, glucagon y epinefrina) y por reguladores alostéricos.

Lecturas recomendadas

Palabras clave

• antioxidante

• ciclo de Cori

• ciclo del ácido cítrico

• ciclo glucosa-alanina

• descarboxilación

• elementos de respuesta

• epinefrina

• escisión aldólica

• factores de transcripción

• fermentación

• fosforilación en nivel del sustrato

• glucagon

• glucogénesis

• glucogenólisis

• glucólisis

• gluconeogénesis

• hipoglucemia

• insulina

• lanzadera del malato

• organismos anaerobios

• respiración aerobia

• sistema de transporte electrónico

• tautomerización

• tautómeros

• vía anfibólica

• vía de las pentosas fosfato

Estas preguntas están diseñadas para poner a prueba el conocimiento del lector sobre los conceptos clave expuestos en este capítulo, antes de pasar al siguiente.

1. Definir los términos siguientes:

   1. Glucólisis

   2. Vía de la pentosa fosfato

   3. Gluconeogénesis

   4. Glucogenólisis

   5. Glucogénesis

2. Describa las funciones de las siguientes moléculas:

   1. insulina

   2. glucagon

   3. fructosa-2,6-difosfato

   4. UDP-glucosa

   5. cAMP

   6. GSSG

   7. NADPH

3. ¿En qué lugares de la célula eucariota ocurren los siguientes procesos?

   1. gluconeogénesis

   2. glucólisis

   3. vía de las pentosas fosfato

4. Defina la fosforilación en el nivel del sustrato. ¿Qué dos reacciones de la glucólisis se encuentran dentro de esta categoría?

5. ¿Cuál es la razón principal por la que los organismos como las levaduras producen alcohol?

6. ¿Por qué no se oxida el piruvato a CO₂ y a H₂O en condiciones anaerobias?

7. Describa la forma en la que la epinefrina estimula la conversión de glucógeno en glucosa.

8. La glucólisis ocurre en dos fases. Describa lo que sucede en cada fase.

9. ¿Qué efectos tienen las siguientes moléculas sobre la gluconeogénesis?

   1. lactato

   2. ATP

   3. piruvato

   4. glicerol

   5. AMP

   6. acetil-CoA

10. Describa las condiciones fisiológicas que activan la gluconeogénesis.

11. Las dos reacciones siguientes constituyen un ciclo derrochador:

    $Glucosa+ATP→glucosa-6-fosfatoGlucosa-6-fosfato+H2O→glucosa+Pi$

    Sugiera cómo se evitan o se controlan estos ciclos derrochadores.

12. Explique por qué la hidrólisis de ATP ocurre en una fase tan temprana de la glucólisis, una vía productora de ATP.

13. Describa las diferentes funciones del glucógeno en el hígado y en los músculos.

14. Describa el destino del piruvato en condiciones tanto anaerobias como aerobias.

El objetivo de estas preguntas es reforzar la comprensión de todos los conceptos clave expuestos en el libro hasta el momento. Es factible que no tengan sólo una respuesta correcta.

1. La síntesis de glucógeno requiere una pequeña cadena cebadora. Explique, dada esta limitación, cómo se sintetizan las moléculas nuevas de glucógeno.

2. ¿Por qué se metaboliza la fructosa con mayor rapidez que la glucosa?

3. En la oxidación aerobia, el oxígeno es el agente oxidante principal (aceptor electrónico). Nómbrense dos agentes oxidantes comunes en la fermentación anaerobia.

4. ¿Por qué es importante que la gluconeogénesis no sea la vía inversa exacta de la glucólisis?

5. Compare las fórmulas estructurales del etanol, del acetato y del acetaldehído. ¿Qué molécula está más oxidada? ¿Cuál es la más reducida? Explíquense las respuestas.

6. El consumo de grandes cantidades de gaseosas y de alimentos procesados que se edulcoran con jarabe de maíz alto en fructosa se ha vinculado con obesidad. Después de revisar las figuras 8.1 y 8.16, sugiera una razón probable para este fenómeno.

7. Las dietas drásticas causan tanto reducción de las reservas de grasa como pérdida de la masa muscular. Utilice reacciones bioquímicas para rastrear la conversión de las proteínas musculares en moléculas de glucosa.

8. Las células de un cultivo se nutren con moléculas de glucosa marcadas con ¹⁴C en el carbono 2. Rastréese la etiqueta radiactiva durante una ronda completa de la vía de las pentosas fosfato.

8.1

El gran exceso de NADH que producen estas reacciones impulsa la conversión del piruvato en lactato.

8.2

El cromo actúa como cofactor.

8.3

En ausencia de O₂, la energía sólo se produce mediante glucólisis, un proceso anaerobio. La glucólisis produce menos energía por molécula de glucosa que la respiración aerobia. Por consiguiente, para cubrir las necesidades energéticas de la célula deben metabolizarse más moléculas de glucosa. Cuando está presente el O₂ se reduce el flujo de glucosa a través de la glucólisis.

8.4

En tres puntos estratégicos, las reacciones glucolíticas y gluconeogénicas son catalizadas por enzimas diferentes. Por ejemplo, la fosfofructocinasa y la fructosa-1,6-difosfatasa catalizan reacciones opuestas. Si ambas reacciones ocurren de modo simultáneo (en un ciclo inútil) en grado significativo, la hidrólisis de ATP en la reacción catalizada por la fosfofructocinasa libera grandes cantidades de calor. Si éste no se disipa con rapidez, una persona afectada podría morir de hipertermia.

8.5

En la gluconeogénesis, el piruvato se convierte en oxaloacetato. Se requieren NADH y H⁺ para reducir el glicerato-1,3-difosfato a gliceraldehído-3-fosfato. El NAD⁺ es la forma oxidada del NADH que también se produce en esta reacción. Se necesita ATP a fin de proporcionar la energía para carboxilar el piruvato a oxaloacetato y fosforilar el gliceraldehído-3-fosfato para formar glicerato-1,3-difosfato. Ambas reacciones producen también ADP y P_i. El GTP convierte el oxaloacetato en fosfoenolpiruvato. Esta reacción también es fuente de GDP y P_i. El agua participa en las reacciones de hidrólisis del ATP a ADP y P_i, la conversión del fosfoenolpiruvato en 2-fosfoglicerato y la hidrólisis del glucosa-6-fosfato en glucosa. Cuando se hidrolizan cuatro moléculas de ATP y dos moléculas de GTP se forman seis protones.

8.6

Sin actividad de glucosa-6-fosfatasa, la persona no libera glucosa a la sangre. La concentración sanguínea de glucosa debe mantenerse con el consumo frecuente de carbohidratos. El exceso de glucosa-6-fosfato se convierte en piruvato, que es reducido entonces por el NADH para formar lactato.

8.7

Las deficiencias enzimáticas impiden la degradación del glucógeno. Debido a que las enzimas de síntesis son activas, continúa produciéndose un poco de glucógeno, lo que hace que el hígado se agrande. Debido a la función estratégica del hígado en el mantenimiento de la glucemia, una enzima desramificante defectuosa causa hipoglucemia.

PREGUNTAS DE REVISIÓN

4

La fosforilación en el nivel del sustrato es la síntesis de ATP (a partir de ADP y P_i) acoplada con la degradación exergónica de un sustrato orgánico de alta energía. Son ejemplos de este proceso en la glucólisis las conversiones de glicerato-1,3-difosfato en glicerato-3-fosfato (a través de la cinasa de fosfoglicerato) y de fosfoenolpiruvato en piruvato (por medio de la piruvato cinasa).

7

La adrenalina (epinefrina) promueve la conversión de glucógeno en glucosa al activar la adenilato ciclasa, una enzima cuyo producto, el cAMP, inicia una cascada de reacciones que activan la enzima que degrada glucógeno llamada fosforilasa de glucógeno.

10

La gluconeogénesis ocurre principalmente en el hígado. Es activada por procesos que agotan la glucosa sanguínea, como el ayuno y el ejercicio. Los ciclos inútiles se previenen catalizando las reacciones directas e inversas con diferentes enzimas, ambas reguladas de manera independiente.

14

El destino del piruvato en condiciones anaeróbicas es la fermentación. En las células musculares, el lactato es el único producto, en las células de levaduras los productos son etanol y CO₂, y algunos microorganismos producen lactato y otros ácidos o alcoholes. Todas estas reacciones de fermentación conducen a la regeneración de NAD⁺ para que la glucólisis continúe. El destino del piruvato en condiciones aeróbicas es la oxidación completa para formar CO₂ y H₂O.

PREGUNTAS DE ANÁLISIS

16

En el hígado, la fructosa se metaboliza con más rapidez que la glucosa porque su metabolismo evita dos pasos reguladores en la vía glucolítica: la conversión de glucosa en glucosa-6-fosfato y la de fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-difosfato. Recuerde que la fructosa-1-fosfato se divide en gliceraldehído y DHAP, los cuales se convierten luego en gliceraldehído-3-fosfato.

18

Si la gluconeogénesis y la glucólisis fueran inversos exactos una de la otra, habría ciclos inútiles y se desperdiciaría mucha energía. Además, sería imposible almacenar glucógeno o liberar glucosa a la sangre según fuera necesario.

20

En concentraciones altas, la fructosa puede evitar la mayoría de los pasos reguladores del ciclo glucolítico. En lugar de almacenarse en moléculas de glucógeno, los esqueletos de carbono de las moléculas excesivas de fructosa se convierten a través del piruvato y acetil-CoA en ácidos grasos de las moléculas de triacilglicerol.

22

Refiérase a las figuras 8.14a y 8.14b, que ilustran la vía del fosfato de pentosa. Observe que la marca ¹⁴C en C-2 de la glucosa-6-fosfato es C-1 en la ribulosa-5-fosfato como resultado de una reacción de descarboxilación. Cuando la ribulosa-5-fosfato entra a la fase no oxidativa de la vía del fosfato de pentosa, la marca radiactiva aparece como C-1 de la ribosa-5-fosfato, xilulosa-5-fosfato, sedoheptulosa-7-fosfato y fructosa-6-fosfato.