Capitulo glucolisis

Glucólisis

5n el verano de 1897, se desacreditó la doctrina del vitalismo por un experimento que marcó el nacimiento de la bioquímica. Un químico alemán, Martin Hahn, in- tentaba extraer proteínas de la levadura triturando células de levadura en un mor- tero con arena fina y tierra de diatomeas. La mezcla fue envuelta en lienzo de algodón y colocada en una prensa. El extracto de levadura resultante era difícil de conservar. Recordando que las conservas de frutos se hacen adicionando azúcar, Hans Buchner, un colega, sugirió le agregara sacarosa a los extractos de levadura. La idea fue ensayada por el hermano de Hans. Eduard, quien descubrió que se desprendían burbujas de la mezcla. Eduard Buchner llegó a la conclusión de que se estaba llevando a efecto una,ft.nnentnción. proceso que Louis Pasteur había ca- racterizado como "vida sin aire". En un manuscrito en el que informaba su ha- llazgo el año siguiente, Eduard Buchner Ilegó a la conclusión de que "no se requiere un aparato tan complicado como la célula de levadura. Se considera que lo que lleva a cabo la acción de fermentación del jugo obtenido de la prensa es tal vez una sustancia disuelta, sin duda una proteína; esta recibió el nombre de zyrnn- .va." Por su descubrimiento de la fermentación. libre de células, Eduard Buchner recibicí el Premio Nobel en 1907.

El uso de preparaciones libres de células condujo a nuevos descubrimientos, incluyendo el aislamiento y la purificación de las enzimas. Ahora se reconoce que la "zymasa" de los extractos de levadura es en realidad una mezcla de enzimas que juntas catalizan las reacciones de glueólisis; la primera vía en ser examinada en nuestro estudio del metabolismo.

Parte 3 Metabolismo y bioenerc

Figura 12.1 Conversión de la glucosa en piruvato por glucólisis. La vía glucolítica existe práctica- mente en todos los tipos de células. Nótese la división entre hexosas (C,) y triosas (C3) . Después de la reacción de interconversión en la que participan el gliceraldehido 3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato, cada reacción de glucólisis es recorrida por dos moléculas de triosas por cada molécula de hexosa que se ha metabolizado. Se consume el ATP en la etapa de hexosas y se genera en la etapa de triosas.

12.1 La glucólisis es una vía celular ubicua

La vía de la glucólisis (del griego glykys, dulce; lysis, disolución) es una sec cia de reacciones catalizadas por enzimas que convierten a la glucosa en pirul La conversión de una molécula de glucosa a dos moléculas de piruvato se ac paña de Iü conversión neta de dos moléculas de ADP en ATP. La vía glucol se encuentra en prácticamente todas las células; para algunas. es la única vía producir ATP.

La reacción neta de glucólisis se muestra en la ecuación 12.1. Además (

producción de ATP, dos molécula5 de NADO se reducen a NADH.

Glucosa + 2 ADP + 2 N A D ' ~ + 2 P, + (1

2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H~ + 2 H20

Glucosa

k" Glucosa 6-fosfato

Fructosa 6-fosfato

I Dihidroxiacetona , Gliceraldehido

fosfato - 3-foafato

4, 2-Fosfoglicerato

L H P Fosfoenolpiruvato

Triosa , /~ i~f 'a to

iwnzerasrr

Capítulo 12 Glucólisis

El piruvato producido por glucólisis tiene varios destinos posibles. En condiciones de anaerobiosis, en el músculo, el piruvato es convertido a lactato, que se acompaña de la regeneración del NADO. En condiciones también anaerobias en ciertos microorganismos, es posible la formación de otros productos diferentes del lactato. Por ejemplo, en la levadura, el pimvato es convertido a etanol. En presencia de oxígeno, el piruvato puede ser oxidado por completo a bióxido de carbono y agua por las vías metabólicas subsiguientes.

La vía glucolítica se puede dividir en dos etapas, como se muestra en la figura 12.1. Arriba de la línea punteada, todos los intermediariarios en esa vía son hexosas. En la línea punteada, la hexosa fructosa l,6-bisfosfato es rota, y a partir de esta ruptura los intermediarios de la vía son triosas. Nótese que las dos triosas producidas por la reacción de ruptura sufren una interconversión con una de las triosas. el gliceraldehido 3-fosfato, continuando a través de la vía. Así, todas las etapas subsiguientes de la etapa de triosa de la glucólisis son recorridas por dos moléculas por cada molécula de glucosa metabolizada.

En la etapa de hexosas de la glucólisis, dos moléculas de ATP son converti- das en ADP. En la etapa de triosas, se forman cuatro moléculas de ATP a partir de ADP por cada molécula de glucosa metabolizada. Nótese que la vía contiene dos etapas de formación de ATP, cada una de las cuales es recorrida por ambas moléculas que provienen de la ruptura de la molécula de hexosa. Así, la produc- ción neta de ATP por la glucólisis es de dos moléculas de ATP por molécula de glucosa.

ATP consumido por glucosa 2 (etapa de hexosa) ATP producido por glucosa - 4 (etapa de triosa) (12.2) Producción neta de ATP por glucosa: 2

Ahora analicemos por turno cada una de las reacciones de glucólisis. Las reacciones individuales se han enlistado en la tabla 12.1.

Tabla 12.1 Las reacciones enzimáticas de la glucólisis

No. Reacción química Enzima

I Glucosa + ATP + Hexocinasa, glucocinasa Glucosa 6-Fosfato + ADP + H ''

3 Fructosa 6-fosfato + ATP + Frucrosa 1.6-l~i~fosfato + ADP + H"'

4 Fructosn I .6-bisfosfato e Dihidroxiacetona fosfato + Gliceraldehido -3-fosfato

.5 Dihidroxiacetona fosfato Glicer~ldrhido 3-fosfiito

6 Gliceraldehido 3-fosfato + NADII' + P, 1.3-Bisfosfogliccrato + NADH + H+:'

7 1,3-Bi.tfosfoglicernto + ADP e 3-fosfogliceratv + ATP

Y 2-Fosfoglicerato FJ Fosfoenolpiruvalo + HzO

10 Fosfoenolpiruvato + ADP + H ' ~ - Piruvato + ATP

Glucosa 6-fosfato isomerasa

Fosfofructocinasa

Aldolasa

Triosa fosfato i\omerasa

Gliceraldehido 3-fosfriro deshidrogenasa

Fosfoglicerato

cinasa

Fosfoglicerato mutasa

Enolasa

Piruvato cinasa

Parte 3 Metabolismo y bioenergética

Figura 12.2 Reacción de transferencia de grupo fosforilo, catalizada por la hexocinasa. Esta reaccón tiene lugar por ataque del grupo hidroxilo en C-6 de la glucosa sobre el fósforo-y de M ~ A TP " ' Se desplaza M~ADP") y se genera glucosa 6-fosfato. El ion ~ ~ ' " u e se muestra de manera explícita aquí, está tarn- bién presente eri otras reacciones de cinasas, en este capítulo, aunque rio se muestre. ("Ado" representa las mitades adenosilo del ATP y ADP).

12.2 La hexocinasa cataliza la fosforilación de la glucosa para formar glucosa 6-fosfato, consumiendo una molécula de ATP

En la primera reacción de la glucólisis, la glucosa es fosforilada en la posición 6, para producir glucosa 6-fosfato. Esta reacción de transfcrencia de grupo fosforilo es catalizada por la hexocinasa y consume una molécula de ATP (figura 12.2).

Un cambio de conformación notable en la hexocinasa acompaña la fijación de la glucosa. Como se puede ver en la figura S1 2.la, la hexocinasa de levadura contiene dos dominios unidos por una región de bisagra. Cuando la enzima se fija a la glucosa, los dos dominios se cierran y giran alrededor de 12". situando en po- sición el grupo hidroxilo en C-6 de la glucosa para la catálisis (figura S12.1b). [<os cambios de conformación de este tipo se han denominado ajuste inducido. En la conformación cerrada, el sitio activo es relativamente hidrofóbico. Así, el grupo hidroxilo en C-6 de la glucosa y el grupo y-fosforilo del ATP no están sol- vatados, evitjndose así la hidrólisis del ATP a ADP + P,. La yuxtaposición de los sustratos facilita la fosforilación de la glucosa por el ATP.

La reacción catalizada por la hexocinasa es irreversible metabólicamente y es una de las etapas reguladas de la glucólisis. El factor regulador clave es la concenti-ación del producto, glucosa 6-fosfato, la cual inhibe alostéricamente la hexocinasa. La hexocinasa está sometida a una regulación por la concentración de glucosa 6-fosfato en la mayor parte de las células de mamíferos, con la excepción de las células hepáticas y pancreáticas, las cuales contienen una isozima de la hexocinasa llamada glucocinasa que no es afectada por la concentración de glucosa 6-fosfato. (Las isozimas son proteínas no idénticas que catalizan las mismas reacciones.) La glucocinasa tiene características adecuadas a la función fisiológica del hígado y del páncreas en el manejo del suministro de glucosa a todo el organismo. La K,, de la glucocinasa para la glucosa, esto es, la concentración a la cual la glucocinasa está semisaturada, es alrededor de 10 mM, mucho mayor que la K,n de otras hexocinasas para la glucosa (alrededor de 0.1 mM). En la mayor parte de las células de mamíferos, la concentración intracelular de glucosa está controlada por transportadores de glucosa regulados que extienden la membrana celular y que son mucho menores que la concenti-ación de glucosa en sangre. La fosforila- ción de la glucosa está regulada en estas células por señales internas, en especial la concentración de glucosa 6-fosfatu, respondiendo en esta forma, en tandem con el transporte regulado de la glucusü a las necesidades de la célula. En contraste. la glucosa penetra libremente en las células del hígado y del páncreas, y la concen-

Hexocinasa -

H OH

Glucosa 6-fosfato


Figura S12.1 Modelos de llenado de espacio de la hexocinasa de levadura La hexocinasa de levadura contiene dos dominios estructurales conectados por una region en bisagra Des- pues de fijarse a la glucosa (en gris oscuro), estos dominios se cierran protegiendo al sitio activo del agua (a) Conformacion abierta (b) Conformacion cerrada (Coorderadas para (a) proporcionadas por T Steitz, C Anderson y R Stenkamp, coordenadas para (b) proporcionadas por W Bennett, Ir y T Steitz )


tración de glucosa en estas células concuerda con la concentración en la sangre. La concentración de glucosa en sangre es, por lo común 5 mM, y después de in- gerir comida puede elevarse a cerca de 10 mM. Como la K,,, de la glucocinasa para la glucosa es 10 mM, la glucocinasa del hígado y el páncreas nunca se satura con glucosa. Por consiguiente, el tejido hepático y el pancreático responden a los incrementos de concentración sanguínea de glucosa por medio de incrementos proporcionales en la fosforilación de la glucosa, atendiendo a las necesidades de todo el organismo, más que a las de una célula individual. Así, las características de las diferentes isozimas son las adecuadas para los diferentes objetivos fisioló- gicos.

12.3 La glucosa 6-fosfato isomerasa cataliza la conversión de glucosa 6-fosfato a fructosa 6-fosfato

En la segunda etapa de la glucólisis, la glucosa 6-fosfato isomerasa cataliza la conversión de la glucosa 6-fosfáto a fructosa 6-fosfato. Esta reacción es un ejemplo de una isomerización aldosa-cetosa (figura 12.3). Las formas anulares pirano- sa y furanosa son las formas más estables en solución. La forma anular de la glucosa 6-fosfato que se muestra en la figura 12.3 (a-D-glucopiranosa 6-fosfato) se fija de preferencia a la glucosa 6-fosfato isomerasa. La forma en cadena abierta de la glucosa 6-fosfato se genera entonces en el sitio activo de la enzima, y ocurre una conversión aldosa-cetosa a través de un intermediario enodiolato (figura 12.4). La glucosa 6-fosfato isomerasa cataliza una reacción cercana al equilibrio en las células y por consiguiente no es un punto de control para la glucólisis. (Las interrelaciones entre el estado de equilibrio y la regulación ya se consideraron en la sección 1 1.4.)

12.4 La fosfofructocinasa-1 cataliza una etapa reguladora clave de la glucólisis y consume una segunda molécula de ATP

La fosfofructocinasa-1 (PFK- 1) es una enzima reguladora crítica para la glucólisis en la mayor parte de las células. Esta enzima cataliza la conversión de fructosa 6- fosfato a fructosa l,6-bisfosfato (figura 12.5). Como la hexocinasa, la PFK- 1 cataliza una reacción irreversible metabólicamente que consume una molécula de ATP

Figura 12.3 Conversión de la glucosa 5-fosfato a fructo- y da como resultado la fosforilación de un grupo hidroxilo del azúcar sustrato.

sa 6-fosfato. La reacción es una isomeriza- ción aldosa-cetosa catalizada por la glucosa 6-isomerasa.

Glucosa 6-fosfato I lor-nia u-D-glucopifiinosa)

H - 2 ~ - OH Glucosa ,c = 0 I

I 6-fosfato I @O,POCH, H O , C -H . isomerasa HO,C-H

I I I H,C-OH 1 - H -4C 1 - OH .y&:0H H 4 3

H ,C - OH H ,C - OH I I OH H I I

,cH,oP@~@ , C H , O P O ~ Fructosa 6-fosfato (forma de u-o-fmctofuranosa)

Glucosa 6-fosfato Fructosa 6-fosfato (forma de cadena abierta) (forma de cadena abierta)

Capitulo 12 Glucólisis

1 H-C-OH /'

r' l C H , O P O ~ \.

H-C-OH

Gl~icosa 6-fosfaio Enodiolato

El ATP es tanto un sustrato de PFK- I como Lin inhibidor alostérico de la enzima. in vitro. El ATP ocasiona una afinidad disminuida de PFK-1 por las fructosa 6-fosfato, mientras que ADP y AMP son activadores alostéricos que increnientan la afinidad de PFK-1 por la fructosa 6-fosfato. Sin embargo. en la mayor parte de las células. la concentración de ATP varía poco, a pesar de los cambios en la velocidad de su formación y utilización. En estudios en los que se ha empleado la técnica no destructiva de la espectroscopía de resonancia inagné- tica nuclear. se ha encontrado que las concentraciones in vivo de ATP en los músculos de varios anfibios, aves, y mamíferos no presentan cambios que puedan medirse durante un periodo de observación de varias horas. Ocurren cambios sig- nificativos en ADP y AMP, debidos sobre todo a que se encuentran en las células en concentraciones menores que el ATP. y cambios muy pequeños en el ATP pueden ocasionar cambios proporcionalmente mayores en ADP y AMP. No obstante, las variaciones en ADP y AMP no parecen ser de gran importancia para la regulación de PFK-1 en las células vivas, excepto bajo condiciones fuera de lo común. por e.jemplo en anoxia.

El citrato. un intermediario del ciclo del ácido cítrico (capítulo 13), es un inhibidor fisiológicamente importante de la reacción catalizada por PFK-l. El ciclo del ácido cítrico que examinaremos en el capítulo siguiente, conecta la oxidación parcial de la glucosa a piruvato con la oxidación completa de piruvato a bióxido de carbono y agua. Una concentración elevada de citrato sirve como un indicador de que está entrando mucho sustrato en el ciclo del ácido cítrico. El efecto regulador del citrato sobre la PFK- 1 es un ejemplo de inhibiciónpor retroalimentación que regula el suininistro de piruvato al ciclo del ácido cítrico.

L,a friictosa 2,6-bisfosfato (figura 12.6), descubierta en 1980. es un activador potente de la PFK-1, efectiva a niveles micromolares. L,a fructosa 2,6-bisfosfato se fornia a partir de la fructosa 6-fosfato por medio de la acción de la enzima fosfofructocinasa-2 (PFK-2). Sorprendentemente, en los animales un sitio activo di- ferente de la misma proteína cataliza la desfosforilación de la fructosa 2,h-hi.~fosfato. volviendo a formar fructosa 6-fosfato. Esta actividad de la enzima. se llama fructosa 2,6-bisfosfatasa (ecuación 12.3).

Fructosa h-fosfaio

Figura 12.4 Mecanismo de la reacción catalizada por la glucosa 6-fosfato isomerasa. Se forma un intermediario cis-enodiolato por abstracción de protón, y la conversión aldosa en cetosa se completa por adición de u n protón a C-1

OH H Fructosa b-f«sfaio

OH H Fruciosa I .h-bi.rfosfato

Figura 12.5 Conversión de fructosa 6-fosfato a fructosa 1,6-bisfosfato. La reacción es catalizada por la fosfofructocinasa-1 . En la mayor parte de las células, esta reacción es una etapa reguladora crítica de la glucólisis.

ATP ADP \ .f'


Figura 12.6 Estructura de la b-o-fructosa 2,6-bisfosfato, la forma que predomina en las células

Figura 12.7 Control de PFK-1 por el glucagón Cuarido la concentración de glucagón es elevada, de- crece la formación del potente activador de P F K - 1 , la fructosa 2,ó-bisfosfato, y se incre- menta la degradación del activador. Como resultado se retarda la velocidad de la glu- cóllsls.

La bifuncionalidad de esta enzima presenta un problema de nomenclatura. La eii- zinia se podría llamar fosfofructocinasa-2lfructosa 2,6-hisfosfatasa. Por ello sen- cillamente se le llama fosfofructocinasa-2, el "2" indica que la enzima cataliza la fosforilación de la fructosa en la posición C-2. Es conveniente hacer notar que la numeración de la PFK-1 y la PFK-2 reflejan tanto el orden de descubrimiento como la numeración de los átomos de carbono sobre los cuales actúan las enzimas. Las actividades duales de PFK-2 controlan la concentración en estado uniforme de la fructosa 2.6-bisfosfato.

En el hígado, la actividad de PFK-2 está ligada a la acción del glucagón, una hormona producida por el páncreas en respuesta a bajo nivel de azúcar en sangre. Cuando la concentración de glucagón en la sangre es elevada, se dispara una serie de eventos en las células del hígado que culminan en la fosforilación de un residuo de serina en PFK-2, catalizada por la cinasa dependiente de AMPc (véase el recuadro 12.1). La fosforilación disminuye la actividad de la cinasa de enzima bifuncional e increnienta su actividad de fosfatasa (figura 12.7). Así, el nivel de fructosa 2.6-bisfosfato decae, la PFK-1 se hace menos activa. y la glucólisis se deprime. En condiciones en las que la glucosa es metabolirada con rapidez, la concentración de fructosa 6-fosfato aumenta. y se forma más fructosa 2,6-hisfosfato, debido a que la fructosa 6-fosfato es tanto un sustrato de PFK-2 como un inhibidor potente de la fructosa 2,6-hisfosfatasa. Así, en las células del hígado, el control de la glucólisis por el glucagón y la glucosa se obtiene a través del control de la enzima bifuncional cuya actividad establece la concentración de estado uniforme de la fructosa 2,6-bisfosfato.

Mientras otras células tienen sistemas de regulación diferentes de los del hí- gado, muchas contienen fructosa 2.6-bisfosfato y la mayor parte de las isozimas conocidas de la PFK- 1 son estimuladas por este compuesto. Además, las isozimas de la PFK-1 en la mayor parte de tipos de células son inhibidas por citrato. Existe otra conexión más entre el citrato y la fructosa 2,6-hisfosfato: el citrato es un inhibidor de PFK-2. Así, el citrato atenúa la actividad de la PFK-1 en dos formas: por inhibición direcla y por bloqueo de la formación del activador de PFK-1, la fructosa 2.6-hisfosfato.

Recuadro 12.1 Glucagón y el hígado: acción de la hormona y segundo mensajero

La acción de las hormonas ha sido investigada, tanto por fisiólogos como por bioquímicos. Las hormonas regulan el nivel de todo el organismo. represen- tando un sistema de control de interés para los fisiólogos, y disparan una serie de eventos intracelulares que han sido el objeto de estudio para los bioquímicos. El glucagón es una hormona polipeptídica secretada a la sangre por el páncreas. El efecto del glucagón sobre las células hepáticas ha sido en especial bien aclarado. En el capítulo 15, analizaremos con detalle el papel regulador de varias hormonas asociadas con el metabolismo de los carbohi- d ra to~ , incluyendo entre ellas el glucagón. Por ahora, daremos una visión breve de como el glucagón afecta la regulación de la glucólisis.

La fijación del glucagón a un receptor en la membrana de la célula hepá- tica está acoplada a la formación en el interior de la célula de una inolécula mensajera. la adenosina 3',5'-rnonofosfato cíclica, o AMPc (figura 1). La for- mación de AMPc es catalizada por la adenilato ciclasa, la cual está incluida en la membrana plasmática de la célula con su sitio activo de cara al citosol.

Como el glucagón se considera el primer mensajero de la célula. al AMPc se le llama el segundo mensajero. Una vez que se forma el AMPc, activa una enzima del citosol que se conoce como proteína cinasa dependien-

Capitulo 12 Glucolisis

te de AMPc. que también se denomina proteína cinasa A. La proteína cinasa dependiente de AMPc está compuesta por una subunidad dimérica reguladora y dos subunidades catalíticas. La enzima ensamblada por completo es inactiva. Cuando la concentración de AMPc aumenta, cuatro moléculas de AMPc se fijan a la subunidad reguladora de la proteína cinasa dependiente de AMPc, ocasionando la liberación de las subunidades catalíticas, las cuales entonces son activas (figura 2). La proteína cinasa AMPc dependiente puede alterar profundamente el metabolismo celular catalizando la fosforilación de varias enzimas interc~nvertibles~ ya sea incrementando o decreciendo sus actividades. La fosforilación de las enzimas es invertida por la acción de prote- ína fosfatasas que catalizan la remoción del grupo fosfori lo unido covalentemente. restaurando las enzimas a sus estados no fosforilados. Como las enzimas sujetas a la fosforilación y desfosforilación son enzimas regula- doras, este tipo de rriodificación covalente sirve como un mecanismo para la regulación del flujo a través de las vías completas. Las enzimas glucolíticas PFK-2 y la piruvato cinasa (sección 12.1 1 ) son sustratos de la proteína cinasa dependiente de AMPc. La acción de la proteína ciiiasa AMPc dependiente sobre estas enzimas da como resultado una disminución en la velocidad de gluccílisis.

O o O II II l l

@o-P-o-P-O-P-O-CH~ 1 1 1 Adenilato cicln\n o0 o0

ATP H PPI

7- 1 E \ ~ a c i v extracelular

proteína cinaia dependieiite de AMPc

. 1 K = Suhunidad

(díriiero) reguladora

(AMF'C)~ C = Subiinidnd

cntalitico

Recuadro 12.1 Figura 1 Conversión del ATP a AMP cíclico (AMPc), catalizada Dor la adenilato ciclasa.

O=P- o OH 1 AMP 3',S9-cíclico

O0 (AMPc)

Recuadro 12.1 Figura 2 Mensajeros primero y segundo en la acción de las hormonas. (1) El sistema de traduc- ción del glucagón incluye el receptor del glu- cagón, las proteínas de acoplamiento, y la enzima adenilato ciclasa. Cuando el gluca- gón se fija a su receptor, se activa la cidenila- t o ciclasa, y en el interior de la célula se forma el segundo mensajero, el AMP cíclico (AMPc). (2) AMPc se fija a la subunidad reguladora (R) de la proteína cinasa dependiente de AMPc, la cual libera subunidades catalíticas activas (C), (3) Las subunidades C catalizan la fosforilación de las enzimas mar- cadas. La fosforilación puede ser incremento o decremento de las actividades de esas en- rimas blanco de su acción.

Parte 3 Metabolismo y bioenei

Figura 12.8 Ruptura de la fructosa 1,6-b~sfosfato catalizada por aldolasa, a dihidroxiacetona fo3fato y gliceraldehido 3-fosfato Goservese que la dihidroxiacetona fosfato deriva del C-1 al C- 3 de la fructosa l,6-bisfosfato y que el gliceraldehido 3-fosfato deriva del C-4 al C-6 de la hexosa

12.5 ~a aldolasa cataliza la ruptura de la fructosa 1,6-bisfosfato, formando dos triosa fosfatos

Las reacciones de transferencia de grupo fosforilo, catalizadas por la hexoc y la PFK-1 preparan a la hexosa para la ruptura en dos triosa fosfatos. glii dehido 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato. La enzima que cataliza esta rea se denomina fructosa I ,6-bisfosfato aldolasa, nombre que con frecuencia se ta a aldolasa (figura 12-8).

La aldolasa cataliza una reacción cercana al equilibrio en las células, : tanto no es punto de control de la glucólisis. El inecariismo de la aldola! músculo -típica de las aldolasas vegetales y animales- se ilustra en la f 12.9. Un evento clave es la formación de una base de Schiff (etapa 1 en la ra 12.9) entre un residuo de lisina de la enzima y el grupo carbonilo del sus. La base de Schiff ancla el sustrato a la enzima y proporciona un átomo de r geno cargado positivamente que sirve como un vertedero de electrones en la! pas subsiguientes. La reacomodación de los electrones se inicia por el a tiolato de un residuo desprotonado de cisteína de la enzima y culmina en la n ra del primer producto, el gliceraldehido 3-fosfato, y la formación de una en na (ctapa 2). Después de la tautornerización de la enamina (etapa 3), la hidrc de la base de Schiff libera la dihidroxiacetona fosfato (etapa 4).

H -5C - OH l

,CH,OPO,@

Fructosa 1 -6-hi.rfosfato

Dihidroxiacetona Gliceraldehido fosfato 3-fosfato


En la i'igiir;~ 12.1 1 se ilustra el destino de los Lítomos dc carbono individuales de una molécula de glucosa n-ietabolizadu a dos inoléculas de gliceraldehido 3- foqfato. Se ha determinado mediante estiidios dc rastreo radioisotópico en uria va- riedad de organismos. Nótese que los carbonos l , 2. y 3 de una molécula de gliceraldehido 3-fosfato derivan de los carbonos 3, S, y 6 de la glucosa, en tanto que los c;irbonos 1 , 2. y 3 de la segunda molécula del gliceraldehido 3-fosfato (que proviene de la conversión de la dihidroxiacetoria fosfato) se originan en los c:trbonos 3, 2, y 1 de la glucosa.

12.7 La gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa cataliza la única reacción de oxidación de la glucólisis

La gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa cataliza la oxidación y la fosforila- cióii del gliceraldehido 3-fosfato a 1,3-1)isfosfoglicerato (figura 12.12). En el proceso una molécula de N A D ~ es reducida a NADH. En las células la reacción genernl esti cerca del equilibrio. A pesar de ello, la reacción genera un enlace de alta energía cn el I,3-bisfosfoglicerato; el contenido de energía del grupo aldehi- do del gliceraldehido 3-fosfato disminuye cuando es oxidado a su ácido, y parte de esa energía se conserva en el enlace anhídrido de ácido del 1,3-bisfosfoglicera- to. En la etapa siguiente de la glucólisis, la energía de este enlace anhídrido-ácido contribuye a la formacion de ATP a partir de ADP.

El mecanismo catalítico de la gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa se puede ilustrar en cinco etapas (figura 12.13, página siguiente). En la etapa 1 , el grupo -S' de un residuo de cisteína ataca al grupo carboiiilo del gliceraldehido 3-fosfato. dando como resultado la formación de un tiohemiacetal unido covalentemente. En la etapa 2, se remueve un ion hidruro del C-1 del tiohemiacetal por N A D ! . Los productos de esta etapa son NADH y un grupo tioacilo fijo unido covalenteinente a la enzinia. En la etapa 3, se disocia la NADH de la enzima, y es remplazada por N A D ' ~ . En la etapa 4. el fosfatn se fija en el sitio activo y ataca al grupo carbonilo del intermediario tioacil-enzima. En la etapa final, el producto 1,3-hi,sfost'oglicerato se disocia del sitio activo de la enzima, termiiiando el ciclo catalítico.

El arsénico, como el fósforo, está en el grupo V de la tabla periódica, y el ar- ,. \

senato (Aso4 ") es un análogo del fosfato inorgánico. El arsenato compite con fosfato para entrar dentro del sitio activo dc la gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa. Coino el fosfato. el arsenato rompe al intermediario rico en energía, la tioacil-enzima, proceso que sc llama arsenólisis. La reaccióii de arsenólisis, es pa- ralela a la etapa 4 en la figura 12.13. No obstante, la arsenólisis produce un análo- go inestable del I ,3-bisfosfoglicerato, el 1 -arseno-3-fosfoglicerato, el cual es

0 (3liccraldchido O o p 0 3 Figura 12.12 \C/H Conversión del gliceraldehido 3-fosfato a

3-Tosfato

l l 1.3-bisfosfoglicerato, catalizada por la glice-

deshidrogcrias;~ H-C-OH + N A D O + pi H-C-OH + NADH + H@ raldehido 3-fosfato deshidrogenasa.

I 1

Parte 3 Metabolismo y bioenergétic

" _--- -_ -..

His .\, 1

NADH

Figura 12.13 Mecanismo de reaccion de gliceraldehido un intermediario de tioacil-enzima (3) El 3-fosfato dehidrogenasa (1) Un grupo NADH se separa y es sustituido por cisteina sulfhidrilo ionizado ataca a C- l NAD " (4) El fosfato se une y desplaza de gliceraldehido 3-fosfato para formar al intermerdiario tioacil-enzima lo cual da un tiohemiacetal (2) Un ion hidrilo del por resultado la formacion de 1,3-bafo- tiohemiacetal reduce a N A D ' ~ y forma sofglicerato, que se separa de la enzima

hidrolizado con rápidez por contacto con el agua (figura 12.13). Esta hidrólisis no enzirnática produce 3-fosfoglicerato y regenera el arsenato inorginico. el cual de nuevo reacciona con un intermediario tioacil-enzima. La glucólisis puede conti- nuar del 3-fosfoglicerato, pero la reacción de producción de ATP en la que parti- cipa el 1.3-hisfosfoglicerato no se efectúa. Como resultado no hay una formación neta de ATP por glucólisis. con consecuencias letales en potencia.

12-8 El A-rP es generado por la acción de la fosfoglicerato cinasa

La fosfoglicerato cinasa cataliza la transferencia del grupo fosforilo desde el 1,3- hisfosfoglicerato, anhidrido mixto rico en energía, al ADP, generando ATP y 3- fosfoglicerato (figura 12.15). La formación de ATP por transferencia de un grupo fosforilo a partir de un compuesto rico en energía a ADP se denomina fosforila- ción a riivel de sustrato. Esta reacción es la primera etapa de la glucólisis genera- dora de ATP, aunque es una reacción que en las células está cerca del equilibrio y por consiguiente no es una etapa reguladora. Esto contrasta con otras reacciones glucolíticas que comprenden la producción o el consumo de ATP. cada una de las cuales es una etapa reguladora de la vía.

12.9 La fosfoglicerato mutasa cataliza la conversión de 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato

La fosfoglicerato mutasa cataliza una reacción cercana al equilibrio en la cual el 3-fosfoglicerato y el 2-fosfoglicerato son interconvertidos (figura 12.16). Se co- nocen dos mecanismos diferentes para las isozimas fosfoglicerato mutasa. Uno está asociado con las mutasas animales y de levadura, el otro con la fosfoglicera- to inutasa de vegetales.

El mecanismo de la enzima animal y de levadura se caracteriza por la forma- ción de un intermediario el 2,3-hi.c.fosfoglicerato (2,3BPG) como se ilustra en la figura 12.17 (página siguiente). La enzima activa es fosforilada en un residuo de histidina antes de fijarse al 3-fosfoglicerato. Después que se lleva a cabo la fija- ción al sustrato, la enzima transfiere su grupo fosforilo al sustrato para formar 2,3 BPG. En la etapa siguiente, el fosfato de la posición 3 del 2,3BPG es transferido de nuevo a la enzima, de.jando 3-fosfoglicerato.

I r11~1tasa H- C- OH

I H - c - 0 ~ 0 , ~

Figura 12-14 Hidrólisis espontánea de 1-arseno-3-fosfoglicerato. El arsenato inorgánico puede susti- tuir al fosfato inorgánico como u n sustrato para gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa, formando el análogo inestable 1 -arseno de 1,3-bisfosfoglicerato.

I H- C- OH

ATP

Figura 12.15 Transferencia de grupo fosforilo de 1,3-b~s- fosfoglicerato a ADP, catalizado por fosfoglicerato cinasa. Esta reacción es la primera etapa de producción de ATP de la glucólisis.

Figura 12.16 Conversión de 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato, catalizada por fosfoglicerato rnutasa

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