La ruta de las pentosas fosfato

La ruta de las pentosas fosfato
La ruta de las pentosas fosfato es una derivación del metabolismo central de los
hidratos de carbono que las células utilizan principalmente para obtener NADPH y
ribosa 5-fosfato. Como veremos, una gran cantidad de azúcares pueden ser obtenidos
como producto final de esta ruta.
El NADPH es un reductor celular que se utiliza en la síntesis de ácidos grasos y
de colesterol y se lo asocia con numerosas reducciones en otras rutas anabólicas. En
los vertebrados, esta coenzima también se utiliza como parte de un mecanismo de
protección contra el daño oxidante. Por ejemplo, en los glóbulos rojos, donde la
concentración de oxígeno es muy alta, y el potencial de daño oxidante es grande (ya
que se forman radicales libres del tipo del O2•–, no enzimáticamente), el NADPH se
utiliza como reductor controlando la liberación de los mismos. Por ello, en los hematíes,
la ruta de las pentosas fosfato puede llegar a representar alrededor del 10% del
consumo total de glucosa. En otras células, por ejemplo las de los músculos y las del
cerebro, la ruta de las pentosas fosfato cuenta muy poco en el consumo general de
glucosa. En estos casos su función principal es la formación de ribosa 5-fosfato para la
biosíntesis de nucleótidos.
La ruta de las pentosas fosfato se puede dividir en dos etapas, una oxidante y
otra no oxidante. En la etapa oxidante, la glucosa 6-fosfato es descarboxilada para ser
convertida en ribulosa 5-fosfato. En esta etapa se produce todo el NADPH que se
obtiene de esta ruta. En la etapa no oxidante, la ribulosa 5-fosfato es convertida en una
serie de azúcares fosfato, hasta llegar a dos intermediarios de la ruta glucolítica
(fructosa 6-fosfato y gliceraldehido 3-fosfato). La ribosa 5-fosfato es uno de los
intermediarios de esta etapa no oxidante, y en determinadas condiciones puede ser el
producto final de la ruta.
La primera reacción de la etapa oxidante, catalizada por la glucosa-6-fosfato
deshidrogenasa, es la conversión de la glucosa 6-fosfato en 6-fosfogluconolactona. En
esta reacción el carbono 1 de la glucosa (en su forma cíclica) es oxidado desde el
estado de hemiacetal hasta el estado de lactona (o lo que es lo mismo desde aldehído
hasta ácido). La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa es el principal punto de regulación
de la ruta de las pentosas fosfato. La enzima es inhibida alostéricamente por NADPH,
por lo que la producción del NADPH por la ruta de las pentosas fosfato es
autolimitante. La siguiente enzima de la fase oxidante es una hidrolasa
(gluconolactonasa), la cual cataliza la hidrólisis de la 6-fosfogluconolactona para formar
el derivado ácido correspondiente (6-fosfogluconato). Finalmente, la enzima
fosfogluconato deshidrogenasa cataliza la oxidación del 6-fosfogluconato, produciendo
una segunda molécula de NADPH. El producto inmediato de esta oxidación es un
compuesto inestable, que se descarboxila transformándose en ribulosa 5-fosfato y
CO2.
Glucosa-6-P
Deshidrogenasa
O
O
H2C
H
HO
H
O
P
OH
O
O
OH
H
NADPH + H+
NADP+
OH
OH
Fosfogluconato
Deshidrogenasa
Lactonasa
H2C
H
O
P
OH
O
O
H
H2O
OH
O
OH
O
H C OH
HO C H
HO
H
C
NADPH +
NADP+
H C OH
H C OH
H2C
O
6-fosfogluconolactona
O H
H
H C OH
CO2
H C OH
O
P
OH
6-fosfogluconato
H2C
O
H C OH
C O
C O
H C OH
H C OH
O
Glucosa-6-P
H+
C
H C OH
O
P
O
OH
H2C
O
O
P
O
Ribulosa-5-P
OH
La etapa no oxidante de la ruta de las pentosas fosfato tiene dos funciones
principales: por un lado, como ya dijimos, proporciona azúcares de cinco carbonos para
biosíntesis (fundamentalmente de nucleótidos) y por el otro, posibilita la incorporación a
la glucólisis o a la gluconeogénesis de otros azúcares, que son intermediarios de esta
vía. La mayoría de las reacciones de esta etapa se encuentran muy cerca del
equilibrio, por lo que casi todos los azúcares fosfato que consideraremos forman parte
de un pool metabólico, análogo a los que analizamos en la glucólisis.
Para comenzar esta etapa la ribulosa 5-fosfato es modificada por dos isomerasas.
Una de ellas es, más específicamente hablando, una epimerasa que modifica la
estereoisomería del carbono 3 de la ribulosa-5-fosfato, permitiendo la formación de
xilulosa 5-fosfato. La otra es una isomerasa similar a las isomerasas de la glucólisis
(hexosa-fosfato isomerasa o triosa-fosfato isomerasa) que catalizan la interconversión
entre aldosas y cetosas. En este caso la ribulosa 5-fosfato es convertida en ribosa 5fosfato. La ribosa-5-fosfato es el producto final de esta ruta si la célula la requiere como
precursor de compuestos derivados de nucleótidos (los nucleótidos propiamente
dichos, muchas coenzimas como el NADH, el FAD o la CoA, o los polinucleótidos como
el RNA y el DNA).
Las etapas restantes son tres y se utilizan para convertir los azúcares de cinco
carbonos en intermediarios glucolíticos de seis y de tres carbonos. En estas etapas
intervienen dos enzimas. Primero una transcetolasa, luego una transaldolasa y por
último nuevamente una transcetolasa.
O
H
H
Isomerasa
H C OH
H C OH
C O
H C OH
HO C H
P
Transcetolasa
P
Epimerasa
OH
HO C H
H C OH
O
H C OH
O
Transaldolasa
H2C
P
OH
O
O
O
P
OH
O
Fructosa-6-P
Sedoheptulosa-7-P
H C OH
O
C O
O
Ribulosa-5-P
H C OH
H2C
H
O
C O
H C OH
OH
Ribosa-5-P
H C OH
O
O
H C OH
H C OH
O
O
C O
H C OH
H2C
H
H C OH
H C OH
H
H2C
C
HO C H
H C OH
H2C
O
C
H
H C OH
H2C
O
P
O
Xilulosa-5-P
OH
O
O
O
P
C
H
H C OH
OH
H C OH
O
Gliceraldehido-3-P
H2C
O
O
P
Eritrosa-4-P
OH
O
H
Transcetolasa
H C OH
C O
HO C H
H C OH
H C OH
O
C
H
H C OH
H2C
H2C
O
O
P
OH
O
Fructosa-6-P
O
O
P
Gliceraldehido-3-P
O
OH
La transcetolasa y la transaldolasa son dos enzimas que poseen especificidades
no muy rigurosas con respecto a sus sustratos y catalizan el intercambio de fragmentos
de dos y de tres carbonos, respectivamente entre dos azúcares fosfato diferentes.
Ambas enzimas poseen dos sustratos y dos productos, uno de los cuales siempre es
una aldosa y el otro una cetosa, en cada caso.
La transcetolasa cataliza la transferencia del fragmento correspondiente a los dos
carbonos superiores de una cetosa (que contiene al grupo ceto) hacia una aldosa. En
esta reacción, la cetosa fosfato es acortada en dos carbonos y convertida en una
aldosa, y la aldosa fosfato es alargada en dos carbonos y convertida en una cetosa. La
enzima, que contiene el cofactor tiamina-pirofosfato (TPP), requiere que la fuente del
fragmento de dos carbonos, la cetosa, tenga una configuración en el C-3 de manera tal
que su oxidrilo se encuentre hacia la izquierda. De la misma manera, el producto de la
reacción que proviene de la fusión entre este fragmento de dos carbonos y la aldosa,
corresponde a una cetosa que tiene la misma configuración en su carbono 3. En la
figura siguiente se muestra el mecanismo de la transcetolasa, la cual ilustra el papel
esencial de la tiamina pirofosfato. Primero, el carbanión de la TPP ataca el carbono
carbonílico (ceto) de la cetosa utilizada como sustrato (en este caso de la xilulosa-5fosfato), produciendo el desplazamiento de los electrones de uno de los enlaces del
doble enlace C=O para generar un -OH. El compuesto que queda unido a la TPP sufre
un reordenamiento electrónico característico de las reacciones catalizadas por TPP.
Para ello, el enlace O-H de un oxidrilo adyacente al carbono unido a la TPP, se
desplaza para generar un doble enlace C=O con el carbono al que estaba unido ese
átomo de oxígeno (en este caso el C3). Este reordenamiento genera el desplazamiento
del enlace C-C entre el C2 y el C3. De esta manera, se libera de la enzima uno de sus
productos, el gliceraldehído 3-fosfato, y se mantiene unido a la TPP un fragmento de
dos carbonos. Este compuesto unido a la TPP está estabilizado por resonancia; una de
las formas de resonancia es un carbanión. Este carbanión ataca el carbono carbonílico
de la ribosa 5-fosfato, formando otro compuesto unido a la TPP. Un segundo
reordenamiento electrónico, exactamente inverso al que originó la unión del primer
sustrato con la TPP, regenera el carbanión original de la TPP y libera el segundo
producto, la sedoheptulosa 7-fosfato. De esta manera la cetosa sustrato (xilulosa-5H
R1
H3C
R1
H3C
N
S
+
C
R2
H
H C OH
H2C
H2C
O
P
H3C
O
Xilulosa-5-P
H2C
O
N
+
S
H
H C OH
C OH
-
O
C
H
H C OH
C O H
HO C H
H C OH
O
H C OH
H2C
O
O
P
O
H C OH
H2C
S
H
H C OH
H C OH
H C OH
Sedoheptulosa-7-P
C
R2
S
R2
P
OH
O
+
N
TRANSCETOLASA
C
O
Gliceraldehido-3-P
R1
HO C H
H C OH
OH
OH
OH
R1
H C OH
P
O
H3C
H C OH
O
P
O
O
O
O
H C OH
C O
O
H
H2C
H O C H
HO C H
R1
N
R2
C O
H C OH
H3C
S
C
H C OH
C OH
C
H C OH
+
C
R2
N
H
O
H C OH
+
Ribosa-5-P
O
P
OH
O
OH
fosfato) fue reducida en dos carbonos y los carbonos restantes fueron convertidos en
una aldosa (gliceraldehído 3-fosfato) mientras que la aldosa sustrato (ribosa-5-fosfato)
fue alargada en dos carbonos y convertida en una cetosa (sedoheptulosa 7-fosfato).
La transaldolasa cataliza la transferencia reversible de un fragmento de tres
carbonos de una cetosa fosfato a una aldosa fosfato. El mecanismo de reacción de la
transaldolasa es muy similar al de la aldolasa de la glucólisis. El sustrato inicial es una
cetosa fosfato, que tiene que tener su oxidrilo a la izquierda en el C-3 (como ocurre con
la fructosa-1,6-bisfosfato en la glucólisis). Inicialmente la cetosa (en este caso la
sedoheptulosa 7-fosfato) se escinde en una aldosa (en este caso la eritrosa-4-fosfato) y
en un carbanión de tres carbonos. Si la reacción fuera catalizada por una aldolasa
similar a la de la glucólisis, este carbanión se protonaría, liberando la dihidroxiacetonafosfato. Sin embargo, en la reacción catalizada por la transaldolasa, el fragmento que
contiene los primeros tres carbonos de la sedoheptulosa-fosfato permanece fijo a la
enzima y el carbanión no se protona sino que produce un ataque nucleofílico sobre el
carbono carbonílico de una aldosa (en este caso el gliceraldehido-3-fosfato). El
producto de este ataque es una cetosa que es liberada como segundo producto de la
reacción (en este caso la fructosa 6-fosfato).
TRANSALDOLASA
H
H
H
H C OH
H C OH
H C OH
C O
C O
C O
HO C H
HO C H
HO C H
-
H C O H
H C OH
H
H C OH
H C OH
H2C
O
H C OH
O
H2C
P
OH
O
Sedoheptulosa-7-P
C
O
O
H C OH
H2C
O
P
OH
O
O
P
OH
O
Fructosa-6-P
O
O
C
Gliceraldehido-3-P
H
H C OH
H C OH
H2C
O
O
P
OH
Eritrosa-4-P O
La fructosa-6-fosfato ya es un intermediario glucolítico. El segundo producto, la
eritrosa-4-fosfato, se transforma en otro intermediario glucolítico, por medio de una
segunda reacción catalizada por la transcetolasa. En esta segunda reacción de la
transcetolasa, la cetosa que reacciona es la misma que en la primer reacción (xilulosa5-fosfato) y la aldosa es una tetrosa en lugar de una pentosa. De esta manera uno de
los productos, el primero que se libera como producto de la ruptura de la xilulosa, es el
mismo que en la primer reacción (el gliceraldehido-3-fosfato). Por el contrario, el otro
producto, que proviene de la condensación del fragmento de dos carbonos unido a la
TPP con la aldosa es diferente ya que en este caso corresponde a una hexosa en lugar
de a una heptosa. Siguiendo el mismo mecanismo de reacción que en la primera de las
reacciones mostradas de la transcetolasa, este segundo producto corresponde a la
fructosa-6-fosfato.
En resumen por la ruta de las pentosas fosfato un azúcar de seis carbonos
(glucosa 6-fosfato) se convierte en un azúcar de cinco carbonos (ribulosa 5-fosfato) y
CO2, con la producción de NADPH. En seguida las reacciones de la epimerasa y la
isomerasa generan dos pentosas con las orientaciones estereoquímicas apropiadas
para que resulten sustratos de la transcetolasa y la transaldolasa, que actúan
secuencialmente. Estas reacciones, concertadas con otra reacción de transcetolasa,
generan una molécula de tres carbonos (gliceraldehido 3-fosfato) y dos moléculas de
seis carbonos (fructosa 6-fosfato) a partir de tres moléculas de cinco carbonos (dos
xilulosas-5-fosfato y una ribosa-5-fosfato).
Así, en cada una de las reacciones los átomos de carbono se equilibran:
5C + 5 C Æ 3 C + 7C
7C + 3 C Æ 4 C + 6C
4C + 5 C Æ 3 C + 6C
Transcetolasa 1
Transaldolasa
Transcetolasa 2
Y tomando la reacción global:
5C + 5C + 5 C Æ 3 C + 6C + 6C
Así, los productos de la reacción global descrita para la ruta de las pentosas
fosfato son gliceraldehído 3-fosfato, fructosa 6-fosfato, y CO2.
De aquí en adelante existen dos destinos posibles para el gliceraldehído 3-fosfato
y la fructosa 6-fosfato, ya que ambos son intermediarios de la glucólisis y de la
gluconeogénesis. Si consideramos la conversión de estos metabolitos por medio de la
ruta gluconeogénica hasta glucosa-6-fosfato, el resultado es una ruta cíclica con la
estequiometría general:
6 Glucosa 6-fosfato Æ 5 Glucosa-6-fosfato + 6 CO2 + 12 NADPH + Pi
y en definitiva:
Glucosa 6-fosfato Æ 6 CO2 + 12 NADPH + Pi
Justamente uno de los nombres alternativos para esta ruta es el de ciclo de las
pentosas fosfato. Esta formulación enfatiza que la mayor parte de la glucosa 6-fosfato
que entra en la ruta es recirculada: una sexta parte es convertida en CO2 y Pi con una
formación neta de NADPH. Cuantitativamente, la formación de NADPH es lo más
importante de esta ruta analizada en forma cíclica. Otro de los nombres asignado a
esta serie de reacciones, ruta de las pentosas fosfato oxidativa (para diferenciarlas de
las reacciones que ocurren en el ciclo de Calvin que analizamos en otro capítulo,
también denominado ruta de las pentosas fosfato reductiva) también enfatiza el hecho
de la producción de una coenzima reducida como principal producto de la vía.