El metabolismo
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Parte II: EL METABOLISMO I/ Conceptos básicos: A/ INTRODUCCIÓN: 1 Generalidades: Recibe el nombre de Metabolismo el conjunto de todas las reacciones químicas que se producen en un organismo. El mantenimiento del organismo depende de todas y cada una de ellas. El Catabolismo es el conjunto de reacciones de Degradación por oxidación. Produce energía. Suele suceder en mitocondrias. El Anabolismo es el conjunto de reacciones de Biosíntesis por reducción. Gasta energía. Suele suceder en el citoplasma. Las Rutas Anfibólicas son rutas de degradación que crean precursores para la biosíntesis. Cada reacción metabólica está integrada en una compleja red de reacciones, controladas a su vez por distintos sistemas, a distintos niveles. 2 Control del metabolismo: La regulación del metabolismo tiene lugar por medio de distintos mecanismos: Por regulación de la actividad de cada enzima: Halosterismo. Polimerización/Despolimerización. Modificaciones covalentes reversibles. Por regulación de los niveles de concentración de enzima, por medio de la síntesis y degradación de la enzima. Por la separación de Anabolismo y Catabolismo en distintas rutas. Por los sistemas de endomembranas o compartimentación celular que permiten la separación física de las rutas en orgánulos. Por la compartimentación tisular en tejidos y órganos con distintas funciones metabólicas. Por la existencia de Isoenzimas: Distintas formas enzimáticas con la misma actividad, pero distintas cinética y localización celular y tisular. (Por ejemplo, Lactato dh (deshidrogenasa). Por mecanismos de comunicación celular, que mediante hormonas y neuropéptidos permiten el correcto funcionamiento, íntegro y coordinado, de cada tejido y órgano, en un organismo. Por el Estado Energético Celular, o niveles de ATP (y GTP), necesario para numerosas reacciones. Es responsable de la carga energética o Potencial de Fosforilación. 75 B/ TERMODINÁMICA: 1 Bases de la Termodinámica: Las variaciones energéticas acompañan a todas las reacciones químicas, y también a las metabólicas. Las variables de la termodinámica son las propiedades experimentales observables de un Sistema. Se trata de P, T, V, U (E interna), H (entalpía), S (entropía), G (E libre de Gibbs). Cuando un sistema bioquímico sufre una modificación, utilizamos estas variables para caracterizar físicamente la reacción. Las principales variables implicadas son G y H. Para calcular estas variables sólo se tienen en cuenta los estados inicial y final. Cuando el sistema capta del entorno son positivas, mientras que si cede tienen signo negativo. Para los estudios experimentales se han establecido las Condiciones Standard como: P = 1atm, T = 25ªC, y COSM = 1M. Se emplea el superíndice 0 para señalar que se han respetado dichas condiciones (Gº, Hº) Para los sistemas biológicos, se definen como Condiciones Biológicas Standard las mismas condiciones anteriores con un medio acuoso a pH = 7, es decir, [H+] = 1M. En estos casos el superíndice empleado es 0’ (G0’, H0’). 2 Clasificación Termodinámica de las Reacciones: Las reacciones se clasifican en termodinámica en función de si el sistema capta o cede al entorno. En función de la entalpía, el sistema cede o capta calor Q del medio: Exotérmicas: Cede Q; H<0. Endotérmicas: Capta Q;H>0. Para valorar la espontaneidad de la reacción utilizamos la Energía libre de Gibbs. Exergónicas: Espontáneas; G<0. Endergónicas: No espontáneas; G>0. Cuando G = 0, la reacción está en equilibrio. G = H – T.S En esta reacción, H representa el contenido calórico del sistema y T.H representa la energía perdida durante la reacción por movimientos moleculares. Gº = -R . T . ln Keq - Donde, para la reacción aA + bB cC + dD: Keq = [C]C.[D]D/ [A]A.[B]B 76 Las reacciones espontáneas liberan cierta energía. Otras reacciones no espontáneas suelen acoplarse a estas en el metabolismo, captando su energía liberada y pudiendo producirse. GT = G1 + G2 Por ejemplo, si las dos reacciones tienen un intermediario común, pueden acoplarse del siguiente modo: A + B C G1 = 0,8 kCal . mol-1 C + D E -1 G2 = -3 kCal . mol A + B + D E -1 GT = -2,2 kCal . mol ; Espontánea. C/ COMPUESTOS DE ELEVADA ENERGÍA DE HIDRÓLISIS: 1Generalidades: Existen sustratos, como los Nucleótidos Trifosfato, o el PPi, cuya hidrólisis es utilizada para impulsar muchas reacciones metabólicas endergónicas. Reciben el nombre de Compuestos de Elevada Energía de Hidrólisis. Su hidrólisis libera una importante cantidad de energía, y frecuentemente conlleva la liberación de un grupo fosfato P. A menudo estos P son transferidos a otros sustratos por enzimas. (Por ejemplo; Exoquinasa). Este tipo de Compuestos se clasifica a su vez en 5 tipos: Anhídridos: ATP, GTP, 1,3-BPG. Enolatos: Fosfoenolpiruvato (PEP). Fosfoguanidios: Arg-P, Creatina-P. Bioesteres: Acetil CoA. Compuestos sulfonados: S-Adenosilmetionina. La gran cantidad de energía liberada por estas hidrólisis puede deberse a distintas causas: Disminución de la repulsión electrostática entre cargas (en P se debe a las cargas negativas del oxígeno). Disminución de las posibles formas resonantes. Estabilización de los productos por tautomería cetoenólica (por ejemplo, en el caso del paso de PEP a Piruvato). Los productos presentan mayor solvatación que los sustratos. 2 El ATP y el GTP: Los Nucleótidos Trifosfato llevan una importante carga energética debida a la unión del último fosfato en . 77 Son, ante todo el ATP, las principales fuentes de energía en Biosíntesis, Trabajos Mecánicos y Transporte Activo transmembrana. Las reacciones endergónicas se acoplan a la fosfatación del ATP en ADP + Pi, ejerciendo así como moneda de cambio energética en el metabolismo. Posteriormente el ADP se fosforila gracias al P de un sustrato. La fosforilación puede ser: Fotosforilación Oxidativa: En Respiración o Fotosíntesis. Fosforilación a Nivel de Sustrato: Directamente en el transcurso de las rutas de degradación. La Carga Energética (CE, entre 0 y 1), y el Potencial de Fosforilación (Pot P) son los principales parámetros calculados del ATP en un tejido: CE = ([ATP] + ½[ADP]) / ([ATP] + [ADP] + [AMP]) Pot P = [ATP] / ([ATP] + [Pi]) D/ COMPUESTOS DE ELEVADA ENERGÍA DE PODER REDUCTOR: 1 Reacciones de Oxido-Reducción (Red-Ox): Se trata de un grupo especial de reacciones acopladas que proporcionan gran parte de la energía de los organismos. Se define como Reductor a aquel compuesto capaz de oxidarse cediendo sus electrones al entorno. La oxidación suele acompañarse por Deshidrogenación. Se define como Oxidante a aquel compuesto capaz de reducirse captando electrones del entorno. La reducción suele acompañarse por Hidrogenación. Dado que durante la oxidación, el Reductor pasa a ser Oxidante, y viceversa, se puede definir la pareja Red/Ox para una especie química dada. Hablamos de una Reacción Red-Ox cuando se acopla la reducción y oxidación respectivas de dos parejas Red/Ox; una sola pareja no cedería o captaría electrones si otra pareja no los captase o cediese. Durante una reacción Red-Ox, una especie química se oxida mientras la otra se reduce. 2 La Energía en las Reacciones Red-Ox: La Energía de este tipo de reacciones recibe también el nombre de Potencial de Reducción o Poder Reductor, y se mide en Voltios. Se conoce el Poder Reductor (E, ver tabla) de cada especie en condiciones biológicas estándar. Los E están basados en el estándar de Hidrógeno: E’0 = 0 V. Calculando E’0 a partir de los E’0 de ambas parejas Red/Ox podemos determinar si la reacción transcurre en sentido directo o inverso: E’0 = E’0Ox + E’0Red E’0 >0: Reacción espontánea 78 E’0 <0: Reacción inversa espontánea E’0 =0: Hay Equilibrio - E’0 es inversamente proporcional a G’0; en concreto: G’0 = -n . F . E’0 - En condiciones no Standard: E =E’0 – R.T / n.F . ln ([Productos] / [Reactivos]) 3 Poder Reductor en el Metabolismo: El Poder Reductor de un organismo se debe principalmente a las Coenzimas NADH, NADPH y FADH2. Estas Coenzimas adquieren un importante papel en el metabolismo por varios motivos: Por su capacidad de acoplarse y facilitar la reducción de precursores metabólicos en rutas de Biosíntesis. A su vez, las formas oxidantes pueden acoplarse a Oxidaciones en rutas de Degradación. Por último, por su capacidad de ceder electrones a las Cadenas de Transporte Electrónico Mitocondriales de la Respiración, permitiendo la síntesis de varios ATP, moneda de cambio energética. 79 I/ Metabolismo de Degradación de la Glucosa: A/ DEGRADACIÓN DE LA GLUCOSA A CO2: 1 Primera fase de la Glicólisis: La Glucosa (-D-Glucopiranosa) es degradada por nuestro organismo cada vez que ingerimos comida. Su degradación es útil tanto para producir energía, como precursores para otras rutas de Biosíntesis. - Las Enzimas Hexoquinasa (no específica) y Glucoquinasa catalizan su transformación en -D-Glucopiranosa-6-P, gastando un átomo de ATP para fosforilar el sustrato. A continuación, Fosfoglucoisomerasa cataliza la isomerización del sustrato, mediante la apertura del anillo y su posterior reciclación. La Aldosa se transforma así en Cetosa. La reacción es reversible. De este modo se forma -D-Fructofuranosa-6-P (Fructosa-6-P). A su vez, esta va a ser Fosforilada de nuevo por medio de la Fosfofructoquinasa, que va a fosforilar el sustrato a expensas de un ATP, formando-D-Fructofuranosa-1,6-di-P (Fructosa-1,6-di-P). La ruptura aldólica de esta molécula, catalizada por Aldolasa, da lugar a dos moléculas distintas; Dihidroxiacetona-P y D-Gliceraldehído-3-P. A su vez, Triosafosfato Isomerasa cataliza la isomerización de Dihidroxiacetona-P a DGliceraldehído-3-P. Estas reacciones son reversibles. 80 DHA-P G-3-P 2 Segunda fase de la Glicólisis: Una vez que toda la glucosa se ha transformado a G-3-P, gastando la energía de 2 ATP/glucosa (se forman dos G-3-P), comienza la segunda fase de la Glucólisis, el la que hay una producción neta de energía. Para comenzar tiene lugar la oxidación del Carbono 1’ de G-3-P y su consecutiva fosforilación de G-3-P en 1,3-di-Fosfoglicerato, por la Gliceraldehído3-P-dh. Esta reacción fuertemente exergónica libera energía química, permitiendo la reducción de un NAD+ en NADH. Se trata de nuevo de una reacción reversible. 1,3-di-P-G pierde entonces su grupo P, que sirve para fosforilar un ADP a nivel de sustrato, formándose 1 ATP, Gracias a la Fosfoglicerato Quinasa. Fosfoglicerato Mutasa cambia entonces la posición del P de 3’ a 2’, formándose 2Fosfoglicerato. La enzima Fosfoenolpiruvasa, a continuación, deshidrata el 2-PG transformándolo en Fosfoenolpiruvato (PEP), compuesto de muy elevado contenido energético. 81 La acción de Piruvato Kinasa, fuertemente Exergónica, Transforma el PEP en Piruvato, producto final de esta ruta. Tiene entonces lugar una segunda Fosforilación de ADP a nivel de sustrato, formándose 1 ATP. Sin embargo, PEP tiene más energía que aún contiene el Piruvato. La tendencia espontánea de la energía a disiparse hace que PEP tenga una alta tendencia a disociarse: Se trata de un Enol (alcohol secundario con doble enlace. El equilibrio entre las formas Enol y Ceto está muy desplazada hacia la forma Ceto. Enol Ceto Cuando PEP está fosforilado, P bloquea el grupo Enol, evitando que se transforme en Ceto. Por ello la acción de piruvato kinasa desencadena el desplazamiento brutal a Ceto, y la consiguiente liberación de energía. El producto final que deriva de la Glucólisis es una molécula de Piruvato. 3 Regulación de la Glicolisis: En el proceso de Glicolisis se distinguen tres reacciones irreversibles intracelulares: Hexoquinasa, Fosfofructoquinasa y Piruvato quinasa. Las tres son además marcadamente exergónicas, tanto es así que para la biosíntesis de Glucosa desde Piruvato, deben ser rodeadas por rutas alternativas. Fosfofructoquinasa es una enzima alostérica que regula la velocidad general de la glicolisis: ATP es su sustrato (centro activo) y también su inhibidor (centro regulador). KM<<<KI, por lo que el centro activo presenta mucha mayor afinidad que el regulador; ATP sólo llega a este último cuando se encuentra en alta concentración. De hecho, las relaciones ATP/ADP y ATP/AMP regulan a esta enzima: ATP (al igual que NADH) la inhibe mientras ADP y AMP la excitan. Por ello se puede decir que el estado energético de la célula controla muy sensiblemente la glicólisis. También es inhibida alostéricamente por Citrato, producto intermedio del ciclo TCA, y por AG (ácidos grasos), combustibles celulares energéticamente muy cargados. Otras enzimas reguladas son Gliceraldehído-3-P dh (excitada por NAD+) y Piruvato kinasa (inhibida por ATP). 4 Degradación anaeróbica del Piruvato: Este tipo de degradación recibe el nombre de Fermentación: se trata de la reducción (de Ceto a Alcohol) anaeróbica del Piruvato. En función del tipo de 82 organismo, los productos de la Fermentación pueden ser distintos, distinguiéndose principalmente las Fermentaciones láctica y la alcohólica. Tiene lugar en microorganismos, como las levaduras y bacterias homolácticas; Bacillus y Lactobacillus. También sucede en el músculo esquelético de vertebrados superiores, tanto más cuanto mayor es la deficiencia en aporte de oxígeno libre, como los instantes de elevada demanda energética. CO2 FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA: NADH NAD+ CH3-CO-COOCH3-CHO Piruvato Acetaldehído Piruvato descarboxilasa CH3-CH2OH Etanol Alcohol dh Las Isoenzimas Lactato dh catalizan la fermentación láctica, y se encuentran en los tejidos de animales superiores. Existen 5 formas isoenzimáticas, formadas por dos tipos de subunidades, M y H: M4, M3H, M2H2, MH3, H4. El coenzima NADH porta los e- necesarios para la reducción del piruvato. Generalmente este NADH proviene de la reacción de la enzima Gliceraldehído-3P-dh, acoplándose ambas reacciones. La fermentación se caracteriza de hecho por reoxidar este NADH. En presencia de oxígeno, este NADH cede su e- a la cadena Respiratoria. FERMENTACIÓN LÁCTICA: Piruvato M4 Lactato + CH3-CO-COO + NADH + H CH3-CHOH-COO- + NAD+ M3H, M2H2, MH3, H4 Lactato dh M4 es exclusiva del músculo esquelético. Es la única forma enzimática que cataliza la formación de Lactato a partir de Piruvato (fermentación). Las otras formas, sin embargo, transforman el Lactato en Piruvato, ya que el primero resulta tóxico. Catalizan la misma reacción, pero en sentidos opuestos. Los productos finales de la Glicólisis en el músculo esquelético es por lo tanto Lactato, salvo en el músculo Cardíaco, donde es Piruvato. 5 Descarboxilación aerobia del Piruvato en Acetil-CoA: En presencia de oxígeno libre, el Piruvato va a penetrar en el interior mitocondrial para transformarse en H2O y CO2, produciéndose la oxidación más importante de la ruta de degradación de la Glucosa, y en la que más energía se va a producir: Ciclo de Krebs o de los Ácidos Tricarboxílicos (TCA). La primera descarboxilación, previa al TCA, tiene lugar al igual que este en el interior mitocondrial. Es una descarboxilación oxidativa, pues además de perder un CO2, se oxida el grupo Ceto del Piruvato. 83 Esta descarboxilación oxidativa libera gran cantidad de energía. Para que esta no se disipe en forma de calor, queda contenida en un nuevo enlace (ester tiólico) que se forma entre el Acetato y la Coenzima A, formándose Acetil-CoA; una molécula de posición central en el metabolismo. El balance general de la reacción es: CH3-CO-COO- + CoA-SH + NAD+ CH3-CO-S-CoA + CO2 + NADH + H+ Para la compleja labor de evitar la disipación de la energía de esta reacción, entra en acción un Complejo Multienzimático: Piruvato dh. PM = 7.000.000 Da. Geometría definida: Dodecahedro. Las enzimas están unidas en estructuras superiores por enlaces no covalentes, lo que supone un avance evolutivo aumentando la eficacia de las enzimas: Evita que el sustrato difunda, aumentando [S] en las cercanías del complejo. Además, la regulación del complejo por modificación de un solo componente es más precisa y eficaz. Este complejo se compone de tres tipos enzimáticos, que utilizan distintos Coenzimas o Cofactores. Piruvato dh (PDH) + coenzima Pirofosfato de Tiamina (TPP). Dihidrolipoil Transacetilasa (DLT) + coenzima Ácido Lipoico. Dihidrolipoil dh (DLDH) + coenzima FAD. 84 PDH-TPP descarboxila el Piruvato (1), en Acetaldehído (CH3-CHOH), quedando unido a él formando Pirofosfato de 2-Hidroxietiltiamina. Recibe el nombre de aldehído activado, al estar unido a PDH-TPP. El aldehído activado es transferido al coenzima Ácido Lipoico, que se encuentra a su vez unido a DLT por una amida transacetilasa (Lys). Entonces tiene lugar la oxidación del aldehído a ácido carboxílico, formándose Acetato, y quedando unido al Ácido Lipoico (2). Este último queda a su vez reducido a Ácido Dihidrolipoico, forman Posteriormente entra en juego la CoA, y va a tener lugar la Transesterificación (3). El resto acetato es transferido a CoA, formándose finalmente Acetil-CoA. El ácido dihidrolipoico debe ser reoxidado; sólo entonces entra en juego la tercera enzima del complejo. Los e- del ácido dihidrolipoico pasan al FAD de esta tercera enzima (4) formando FADH2 (reducido), y quedando oxidado de nuevo en Ácido Lipoico. Por último, la reoxidación de FADH2 es mediada por un NAD + libre que va a ser reducido a NADH (5). El complejo multienzimático queda así intacto de nuevo. 6 Regulación del Complejo Piruvato dh: La regulación de este complejo multienzimático se vuelve necesario, por la importancia de sus productos en la Respiración Celular. Este regulación tiene lugar por fosforilación/desfosforilación, y cada proceso es mediado por una enzima reguladora, respectivamente; Piruvato dh Kinasa y Piruvato dh Fosfatasa. ATP Pdh Kinasa ADP Pdh activo Pdh-P inactivo Pi Pdh Fosfatasa H2O Acetil-CoA y NADH (productos del complejo) excitan a la enzima Pdh Kinasa (inactivando Pdh), mientras piruvato, NAD+ y CoA-SH (sustratos del complejo) lo inhiben. Por otro lado, Ca2+ activa Pdh Fosfatasa, activando por lo tanto al complejo Pdh. Este ión es liberado previa contracción muscular, indicando la inmediata necesidad de gran cantidad de energía metabólica. Como vimos anteriormente, esta regulación se hacía más efectiva, pues sólo se regulaba la actividad de una de las enzimas del complejo: Se trata en concreto de la enzima Piruvato dh: Cuando se fosforilan 3 residuos Ser de esta enzima, todo el complejo queda inactivado, y al ser hidrolizados se reactiva. Los Arsenitos orgánicos e inorgánicos son fuertes inhibidores del complejo PDH. Tienen gran afinidad por los grupos SH, por lo que se unen al Ácido Dihidrolipoico impidiendo su reoxidación. 85 El envenenamiento por arsénico provoca altas concentraciones de piruvato en sangre. Su abundancia en los residuos Cys-SH de -Queratina de la piel y las uñas perduran como signo de envenenamiento después de la muerte. Napoleón pudo enfermar debido a la volatilización del arsénico el papel de forrar paredes debido a la humedad y los hongos. Darwin pudo morir a causa del Tónico de Hawler, que por su riqueza en arsénicos tenía efectos bactericidas, pero causa eccemas, vómitos, artritis y nauseas. Podemos decir que se auto-envenenó. El Mercurio tiene un efecto similar sobre el complejo PDH, y también se une a Cys. Aunque actualmente está prohibido, se utilizó como pesticida. Los fabricantes de sombreros de fieltro utilizaban sales de Mercurio para suavizar el pelo de las pieles de liebre, por la ruptura de los puentes disulfuro. Estas sales podían volatilizarse provocando enfermedades neuronales (de ahí el Sombrerero Loco de Alicia). 7 Descarboxilación de Acetil-CoA en el Ciclo TCA: En este paso final de la degradación de la Glucosa en condiciones aerobias, se genera la mayor cantidad de energía neta. Si de 1 Glucosa habíamos obtenido 2 Piruvato, y por lo tanto 2 acetil-CoA y 2 CO2, a continuación tenemos el balance de la reacción para una Acetil-CoA: CH3-CO-S-CoA + 3 NAD+ + GDP + Pi + FAD + H2O CoA-SH + 2 CO2 + 3 NADH + GTP + FADH2 CICLO TCA Enzimas Implicadas: (1) Citrato Sintasa (3) Isocitrato dh (5) Succinil-CoA Sintetasa (7) Fumarasa (2) Aconitasa (4) -Cetoglutarato dh (6) Succinato dh (8) Malato dh 86 El ciclo TCA está catalizado por enzimas solubles del la matriz mitocondrial. Una de ellas, Succinato dh, es integral de la membrana interna mitocondrial. (1) Condensación aldólica. Se forma el primer Ácido Tricarboxílico del ciclo: El Citrato. La fuente de energía del enlace covalente que se forma entre los sustratos, Acetato y Oxalacetato, es el propio enlace de Acetil-CoA, y aún sobra energía de esta reacción fuertemente exergónica. (2) La Aconitasa cataliza en realidad dos reacciones distintas, para cambiar la posición del grupo Hydroxi de posición 3’. En primer lugar facilita la perdida de una molécula de agua, formándose un doble enlace y Cis-Aconitato. En segundo lugar adiciona una molécula de agua, formandose finalmente el Isocitrato. Se trata de hecho de una enzima estereoespecífica: tanto la eliminación como la adición de moléculas de agua tiene lugar de forma trans. Este paso es esencial: Citrato es un alcohol terciario, y no se puede oxidar a Ceto. El cambio de posición del grupo Hydroxi a alcohol secundario en Isocitrato, permite su posterior oxidación a ceto. Fluoracetato (F-CH2-COO-) es de hecho un veneno utilizado como pesticida contra coyotes en USA. Inhibe la acción de la Aconitasa. Este compuesto se une con CoA-SH formándose Fluoracetil-CoA (F-CH2-CO-S-CoA). Este es reconocido por la enzima, formándo Fluorcitrato, que bloquea el ciclo (fortísimo inhibidor irreversible). Al alimentarse de los cadáveres, los consumidores de los ecosistemas también resultaron afectados. (3) Descarboxilación oxidativa. Tiene lugar en dos pasos. En el primero se oxida el alcohol secundario a Ceto, formándose 1 NADH. Posteriormente tiene lugar la descarboxilación, liberándose 1 CO2 y formándose -Cetoglutarato. (4) Descarboxilación oxidativa. En primer lugar se produce la pérdida del CO2 de -carboxilo. A continuación se produce la oxidación fuertemente exergónica de grupo Ceto a Carboxilo formándose NADH. Toda la energía queda contenida en el enlace del producto con CoA-SH, formando Succinil-CoA. La enzima -Cetoglutarato dh es un complejo multienzimático análogo a Piruvato dh. Se forma de tres tipos de enzima: -Cetoglutarato dh + coenzima TPP. Dihidrolipoil-trans-succinasa + coenzima Ácido Lipoico. Dihidrolipoil dh + coenzima FAD. (5) Succinil-CoA Sintetasa (o Kinasa) cataliza la formación de GTP por fosforilación a nivel de sustrato. La alta energía del P en posición proviene de la hidrólisis (ruptura de la unión Ester tiólico) de CoA-SH y la consiguiente formación de Succinato. Por lo tanto proviene indirectamente de la reacción (4). (6) Succinato dh es la única enzima fuertemente unida a la membrana interna mitocondrial. Transforma el enlace sencillo entre los carbonos 3’ y 4’ en doble enlace. Se forma FADH2, con los dos H despendidos del Succinato. Se forma Fumarato. Las enzimas deshidrogenasa (dh) suelen reducir coenzimas para oxidar el sustrato. En función de la energía desprendida en la reacción, pueden reducir NAD+ en reacciones altamente energéticas (de alcohol o aldehído a ceto, de 87 aldehído a ácido) o FAD+ en reacciones no suficientemente exergónicas para formar NADH (de enlace sencillo a doble enlace). (7) La enzima Fumarasa cataliza la hidratación del Fumarato en los carbonos 2’ y 3’, y la consecuente formación de Malato. (8) Malato dh oxida el Malato en Oxalacetato (OA-), formando un NADH. Así queda cerrado finalemente el ciclo. Ahora una nueva molécula de Acetil-CoA llega a la mitocondria, y se une con el OA- en la reacción (1). Como balance, podemos apreciar que en una vuelta de ciclo se oxidan los dos carbonos correspondientes a Acetil-CoA, en dos descarboxilaciones sucesivas, catalizadas por Isocitrato dh y -Cetoglutarato dh. Cabe destacar que los carbonos que son incorporados al ciclo TCA no son descarboxilados hasta la segunda vuelta de ciclo; en la primera pasan a formar una parte constitutiva del OA-, durante la cual son descarboxilados los C del acetato incorporado anteriormente. También podemos apreciar que la combustión completa de una molécula de glucosa es mucho más reentable energéticamente en condiciones aerobias (1 glucosa = 38 ATP). 8 Regulación del ciclo TCA: Este ciclo, vital para la absoluta totalidad de células aerobias, está controlado por una fuerte regulación, que se divide en dos tipos fundamentales: General y Particular. La Regulación General o Global afecta a la totalidad del ciclo, y se relaciona con su alta sensibilidad a la proporción NADH/NAD +, dado que NAD+ es un sustrato del ciclo en tres pasos distintos. Cuando la concentración de NADH es alta, la célula dispone de energía suficiente y el ciclo se ralentiza. La Regulación Particular se limita a tres pasos concretos, catalizados de hecho por las enzimas Citrato Sintasa, Isocitrato dh, y-Cetoglutarato dh. Estas enzimas están sometidas a regulación independiente. Citrato Sintasa es inhibida por NADH y Succinil-CoA. La KM de la enzima por OA-, su propio sustrato, es del orden de la concentración fisiológica del mismo. Por lo tanto cuando OA- desciende por debajo de su nivel fisiológico normal Citrato Sintasa deja de funcionar y todo el ciclo es bloqueado. Isocitrato dh es una enzima alostérica, inhibida por NADH y excitada por el ADP. Por último, -Cetoglutarato dh es inhibida por NADH y por Succinil-CoA en alta concentración. B/ PARTICULARIDADES TRICARBOXÍLICOS: DEL CICLO DE LOS ÁCIDOS 1 Estereoisometría de la Aconitasa: Como vimos al final del ciclo TCA, los dos C de acetato no son descarboxilados hasta la segunda vuelta de ciclo. Se descubrió al marcar el 88 Acetato de Acetil-CoA con 14C, y observar que durnate la primera vuelta de ciclo no se obtuvo ningún CO2 marcado en su C, pero sí desde la segunda vuelta del ciclo. El Citrato (sustrato de Aconitasa) es una molécula simétrica, pero sin propiedades ópticas. Para su deshidratación, en el ciclo TCA, se comporta como molécula asimétrica. Recibe el nombre de molécula Pro-quiral. La Aconitasa reconoce y solamente une determinados carbonos, selectivamente, en sus tres centros de anclaje. De esta manera, el H2O perdido se encuentra siempre entre el OH y H del C opuesto al que corresponde a la AcetilCoA que acaba de reaccionar para formar el Citrato, y por lo tanto, al final del ciclo, los C de dicha Acetil-CoA se encuentran formando Oxalacetato. 2 Carácter anfibólico del ciclo TCA: Se trata e un doble carácter metabólico: Catabólico (producción de energía) y Biosintético (formación de precursores para otras rutas). Las rutas biosintéticas acopladas al ciclo TCA (TCA inverso) tiene múltiples finalidades; precursores: OA-: Aspartato. -Cetoglutarato: Glutamato. Malato: Glucosa. Succinil-CoA: Grupo prostético Hemo. Citrato: Lípidos citoplasmáticos (colesterol). La biosíntesis tiene lugar mayoritariamente en el citoplasma. De esta forma aparece una barrera física que separa los ciclos TCA y TCA inverso, facilitando y organizando biosíntesis/catabolismo. La Acetil-CoA que llega al citosol suele proceder de las mitocondrias. Sin embargo, la membrana interna mitocondrial es impermeable a este compuesto, que debe ser transportado por un mecanismo indirecto. Interviene la enzima Citrato Liasa. OA- Acetil-CoA OA- TCA Citrato INTERIOR MITOCONDRIAL M E M B R A N A Acetil-CoA Citrato Liasa Citrato CITOSOL 89 Citrato Liasa escinde el Citrato produciendo los mismos componentes que se han utilisado en el interior mitocondrial para formarlo. Para ello hidroliza una molécula de ATP. De hecho Acetil-CoA sirve en el Citosol para la biosíntesis de ácidos grasos y esteroles, de alta energía (reservas), cuya síntesis precisa la alta energía del enlace Ester Tiólico de CoA. De este modo se drenan intermediarios del ciclo TCA al exterior mitocondrial, para formar precursores de biosíntesis. No hay que olvidar que la mitocondria no puede carecer de intermediarios del ciclo TCA, pues dicho ciclo es exclusivo para crear energía para la célula. Por ello existen también las reacciones Anapleróticas. 3 Reacciones Anapleróticas; Carboxilación del Piruvato: Se trata de todo el conjunto de reacciones previstas para reponer intermediarios en el ciclo TCA, en caso de carencia. Describiremos a continuación las dos principales reacciones anapleróticas: Carboxilación del Piruvato para la reposición del OA-; Ciclo del Glioxilato. La Carboxilación del Piruvato está catalizada por la enzima Piruvato Carboxilasa + coenzima Biotina. Necesita hidrolizar un ATP. Tiene lugar en el interior mitocondrial. CH3-CO-COO- + CO2 OOC-CH2-CO-COO- - La Biotina es un coenzima característico de enzimas carboxilasas. Se une a una Lys de la enzima por un enlace covalente en el grupo ácido de su cadena lateral. 90 En concreto, Piruvato Carboxilasa es un Homotetrámero, con un coenzima Biotina en cada monómero (4 en total). Presenta regulación alostérica, siendo fuertemente excitada por Acetil-CoA. De hecho presenta un requerimiento absoluto de Acetil-CoA intramitocondrial, y solo es activada cuando los niveles de este son superiores a los fisiológicos normales. La carboxilación en el seno de la enzima es mediada por la Biotina: coenzima capaz de transportar el CO2 hasta el Piruvato (en forma Carboxibiotina), y la energía necesaria para el nuevo enlace, que proviene de la propia unión Botina-CO2. CO2 + ATP + E-Biotina E-Biotina-COO- + CH3-CO-COO- E-Biotina-COO- + ADP + Pi OOC-CH2-CO-COO- + E-Biotina - 4 Reacciones Anapleróticas; Ciclo del Glioxilato: Estas reacciones son exclusivas de los Glioxisomas; corpúsculos subcelulares, presentes exclusivamente en Microorganismos y Vegetales. Se trata de un ciclo que presenta reacciones acopladas a las del ciclo TCA, pero carece de la descarboxilación propia de dicho ciclo. Este ciclo puede ser considerado Anaplerótico, pues se forma Succinato, intermediario del ciclo TCA, que también es precursor de la glucosa. Sin embargo, su principal función es la síntesis de Glucosa a partir de metabolitos de dos carbonos. Durante el ciclo se incorporan dos Acetil-CoA, generando ½ Glucosa. Las Acetil-CoA suelen provenir de la degradación de los ácidos grasos (AG). En primer lugar, Isocitrato abandona la Mitocondria, y penetra en el Glioxisoma. Ahí tiene lugar la reacción (1), catalizada por Isocitrato Liasa. Esta enzima escinde el Isocitrato en una molécula de Succinato y una de Glioxilato. El succinato puede abandonar el Glioxisoma para ser transformado en Malato en la mitocondria por el ciclo TCA. El Malato abandona la mitocondria para servir de precursor a la Glucosa en el Citoplasma. La Glucosa, a su vez, sirve de precursor para casi todos los componentes celulares. La enzima Malato Sintasa cataliza la formación de Malato a partir de Glioxilato, incorporando Acetil-CoA, en el interior del Glioxisoma. El resto de reacciones (de Malato a Isocitrato) son catalizadas por enzimas comunes al ciclo TCA (Malato dh, Citrato Sintasa y Aconitasa) en el Glioxisoma. Este ciclo es muy útil para microorganismos cuya única fuente de carbono son metabolitos de 2C. En vegetales son imprescindibles para la transformación de las reservas energéticas de triglicéridos que se degradan durante la germinación. Los Triglicéridos se descomponen en 3 AG y una molécula de Glicerol. Los AG pueden transformarse en Acetil-CoA por -oxidación, de forma que su energía se puede incorporar al ciclo del Glioxilato. 91 A menudo este ciclo es considerado como un by-pass del ciclo TCA. Fosfoenolpiruvato (PEP), intermediario de la síntesis de Glucosa, inhibe de hecho a la enzima Isocitrato Liasa. Los Animales somos incapaces de sintetizar Glucosa a partir de metabolitos de menos de 3C. Además, podemos transformar Hidratos de Carbono en Grasas, pero nunca Grasas en Hidratos de Carbono. C/LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO DE LA RESPIRACIÓN Y LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA: 1 Generalidades: Estas cadenas transportan los electrones desde los coenzimas (NADH, FADH2) que han sido reducidos por enzimas deshidrogenasas, hasta el oxígeno molecular O2 (o H2O2) que pasa a formar agua. Se trata de un proceso muy complejo bioquímicamente, y en el que intervienen multitud de proteínas asociadas a la membrana y cofactores asociados. Su finalidad es crear ATP, energía celular. Esta síntesis de ATP recibe el nombre de Fosforilación Oxidativa. En procariontes, esta cadena de transporte electrónico tiene lugar en la membrana plasmática. En eucariontes esta cadena se encuentra asociada a la membrana interna mitocondrial. Al ser permeable esta membrana, sucede en concreto tanto en la matriz como en el espacio intermembranoso mitocondriales. Ox e- Coenzima Oxidada 2 e2e- + H Respiración Celular Ox e2H+ + ATP - H 2e Coenzima Reducida ½ O2 H2O CATABOLISMO Durante las oxidaciones inorgánicas, los sustratos reaccionan directamente con el oxígeno. Sin embargo, durante la oxidación orgánica o metabolica de la Respiración, primero se produce la deshidrogenación del Sustrato en el catabolismo, y posteriormente los electrones son transportados por la cadena 92 respiratoria hasta el oxígeno. Los átomos de la molécula que se oxida no se incorporan directamente a la molécula que se oxida. Además de crear energía, la cadena respiratoria facilita la reoxidación de los coenzimas necesarios para el Catabolismo. 2 Mecanismo de la cadena respiratoria: NADH cede sus electrones a nivel del Complejo I, NADH dh. Este complejo multienzimático es muy complejo. Los electrones son cedidos entonces a Ubiquinol (CoQ) (Q / QH2). Se genera así un primer ATP. FADH2 cede sin embargo sus electrones al Complejo II, FADH2 dh, y este a su vez se los cede a CoQ, sin síntesis de ATP. Por ello, a la oxidación de un NADH se acopla la síntesis de 3 ATP, mientras que a la oxidación de un FADH2 se acopla la síntesis de 2 ATP (nuevos estudios apuntan a 2,5 ATP y 1,5 ATP respectivamente). CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO NADH ATP COMPLEJO I FADH2 UBIQUINOL ATP COMPLEJO III CITOCROMO C ATP COMPLEJO IV 93 En ambos casos, los dos electrones terminan reduciendo una molécula de Ubiquinol. CoQH2 va a ceder los electrones al siguiente complejo multienzimático, formandose una molécula de ATP; se trata del Complejo III, Ubiquinol dh. Este complejo termina reduciendo una molécula de Citocromo C. Esta va a ceder los dos electrones al último complejo multienzimático, formándose de nuevo un ATP; se trata del Complejo IV, Citocromo C dh. 3 Los Citocromos: En el proceso intervienen tres Apoproteínas; los Citocromos: Cit a (Complejo IV), Cit b (Complejo III y II) y Cit C (Complejo III y libre). Tienen la capacidad de absorber luz, y se distinguen por la longitud de onda a la que presentan la mayor adsorción. Cit b presenta un grupo Hemo igual al de Hemoglobina (Fe unido a Protoporfirina IX, grupo unido por enlaces no covalentes de Vinilo). Cit c presenta un grupo prostético de Protoporfirina IX Fe modificado. Está unido por enlaces covalentes Tioeter con Cys de la proteína. Cit a presenta una Protoporfirina IX Fe modificada con dos substituyentes: Un grupo formilo y uno propileno. Existen, a su vez, subclasificaciones dentro de un grupo de Citocromos, por ejemplo, Cit a1, Cit a2… Estos se diferencian por la proteína a la que se unen y no de su grupo prostético. Es muy importante destacar que en este caso los grupos Hemo no unen O2 reversiblemente, quedando el Fe Oxigenado y no Oxidado, como ocurre en la Hemoglobina. Los Citocromos son transportadores de electrones, y por lo tanto su 94 átomo Fe debe experimentar oxidaciones y reducciones reversibles. No depende del grupo Hemo sino del tipo de proteína a la que se une. Características, Grupo Hemo: Hemoglobina Fe II Fe-O2 e- Citocromo Fe II Fe III e - De hecho, la función biológica de los Citocromos es la de reducirse captando reversiblemente electrones, para transportarlos y luego oxidarse al cederlos. El Cit c es el más estudiado. Presenta su grupo Hemo encerrado en una cavidad de la proteína. Los enlaces de combinación 5º y 6º del Fe están bloqueados por Hys (= Hb) y Met de la proteína, respectivamente. 4 El transporte de electrones en la Cadena Respiratoria: El Complejo I, NADH dh: Este complejo multienzimático, también llamado NADH CoQ reductasa, está constituido por un total de 24 proteínas distintas. Presenta entre 16 y 18 átomos de S, y entre 4 y 6 enrejados S-Fe, unidos por enlaces covalentes Tioeter a sus proteínas. Cada enrejado es capaz de transportar un electrón. Contiene también una molécula de Mononucleótido de Flavina (FMN). Ejemplo; Enrejado Fe4S4 Este complejo capta los electrones de NADH y los cede a la Coenzima ubiquinol (CoQ). Espacio intramembranoso mitocondrial 2 H+ Complejo I FMN NADH + H+ Fe4S4 CoQ ATP NAD + e- 95 La CoQ se encuentra libre en el interior de la membrana interna mitocondrial. Se trata de una Quinona con n cadenas de Isopreno (hidrofóbicas). Por ejemplo, en mamíferos, Q10 tiene 10 unidades de Isopreno. El Complejo III; Ubiquinol dh: También llamado CoQ Cit c Reductasa, este complejo multienzimático se compone de 8 cadenas polipeptídicas distintas, que unidas en Octámeros forman Homodímeros. Contiene Cit b, Cit c1 y enrejados FeS. Espacio intermembranoso mitocondrial Cit c 2H + Cit c Complejo III CoQ Cit b FeS Cit c1 ATP FADH2 El Complejo IV; Citocromo c dh: También llamado Citocromo c Oxidasa, está constituido por 7 cadenas polipeptídicas distintas, que de nuevo forman un homodímero de dos heptámeros. Contiene Cit a, Cit a3 y una apoproteína con Cobre (Cu II), que juega el papel del Fe. Este complejo no es tan estudiado y el orden de transferencia de e- es supuesto. Espacio intermembranoso mitocondrial 2H + Cit c Complejo IV Cit a Cu II Cit a3 H2O ½ O2 + 2 H+ ATP Al igual que los electrones, los H+ procedentes del sustrato terminan siendo captados por el O2, para formar agua, aunque el oxígeno no reacciona directamente con el sustrato que se oxida. 5 La Fosforilación Oxidativa: La cadena de transporte electrónico libera la energía suficiente energía como para acoplarse a la síntesis de ATP: Esta síntesis es conocida como Fosforilación Oxidativa. 96 La energía proviene en concreto del estado de alta energía que se forma a nivel de la membrana mitocondrial. Esta energía es empleada para la fosforilación oxidativa. En un principio se pensaba que el estado de alta energía estaba relacionado con cambios conformacionales en las proteínas. Mitchell desarrolló la Hipótesis quimiosmótica, y ganó por ello un premio Nobel. Hipótesis Quimiosmótica: El estado de alta energía radica en un gradiente de protones H+ que se crea a ambos lados de la membrana mitocondrial. La cadena de transporte electrónico fuerza la salida de H+ en contra del gradiente de concentración, de forma que [H+] es mayor en el espacio intermemebranoso mitocondrial que en la matriz mitocondrial y en el citosol. Este transporte en contra de gradiente precisa un aporte de energía; se trata de hecho de la energía liberada en la cadena de transporte electrónico: Transporte de H+ en Cadena Respiratoria: Sustrato-H2 + NAD+ Sustrato dh Sustrato + NADH + H+ NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2 FMNH2 + Fe (III)S Complejo I FMN+ 2 H + Fe(II)S Fe(II)S + 2 H+ + Q + Fe(III)S + QH2 QH2 + Cit c (ox) Complejo II Q + Cit c (red) + 2 H Cit c (red) + 2 H+ + ½ O2 + Complejo III Cit c (ox) + H2O Dado que la membrana es impermeable a los protones, estos iones deben ser transportados activamente. La distribución vectorial (asimétrica) de los distintos complejos constituyentes de la cadena respiratoria a lo largo de la membrana mitocondrial interna, les hace capaces de captar los protones siempre del lado de la matriz, y cederlos en el espacio intermembrana. Debido al fuerte gradiente de concentración, los protones van a tender a entrar espontáneamente en la matriz mitocondrial. Las proteínas capaces de permitir su entrada son bombas transportadoras tipo F, que acoplan este transporte 97 cargado de energéticamente por la respiración a la síntesis de ATP. Por ello esta proteína transportadora recibe el nombre de ATP-Sintetasa. ATP-Sintetasa es un heterodímero formado por las subunidades F0 y F1. Ambas se encuentran unidas por un tallo. Se trata del Motor Molecular de las células, pues transforma la energía iónica en química. F0 se encuentra en la membrana mitocondrial interna. Se forma de 4-5 cadenas distintas, altamente hidrofóbicas, que atraviesan la membrana y facilitan el paso de protones. Reciben el nombre de Proteolípidos. F1 es un dominio globular de la matriz mitocondrial. Se forma de cinco tipos cadenas distintas (,,, y), e incluye el centro activo de actividad ATP-sintetasa, donde se transluce la energía liberada por el transporte de protones. Fórmula molecular: 33. Paul Boyer propuso que, al pasar el gradiente de protones a través de F 0, induce un giro en el tallo (similar al de un motor de 3 cilindros), facilitando un cambio conformacional en la región globular F1 que permite la síntesis de ATP. Recibió también un premio Nobel. Sin la presencia de F1, F0 presenta potente actividad ATPasa, por lo que fue considerada como tal durante mucho tiempo. D/ VÍAS DE REOXIDACIÓN DEL NADH CITOPLASMÁTICO: 1 Generalidades: El NADH es fundamental en el citoplasma celular, pues se acopla a la oxidación del Gliceraldehído-difosfato en la glicólisis. Su reoxidación es por lo tanto fundamental para el metabolismo de la glucosa. Esta reacción suele suceder por Respiración celular, Fermentación Láctica y Fermentción Alcohólica. 98 Dado que la membrana es impermeable al NADH, su poder reductor (sus electrones) debe ser bombeado o transportado hasta la matriz mitocondrial. Llega hasta allí por medio de un Mecanismo Indirecto Lanzadera. Se distinguen dos tipos: Lanzadera de Malato - Aspartato y Lanzadera de Glicerol 3-fosfato. 2 Lanzadera de Glicerol fosfato: DHAP, intermediario de la Glucolisis, puede ser reducido a Glicerol Fosfato en el citoplasma, por la enzima Glicerol dh, oxidando un NADH para recuperar un NAD+. Glicerol Fosfato es una molécula capaz de difundir a través de la membrana y penetrar en el interior mitocondrial con los electrones de NADH. En el interior mitocondrial, la reducción de un FAD a FADH2 se acopla a la reoxidación de Glicerol fosfato en DHAP. Esta última molécula también puede difundir a través de la membrana, para salir de nuevo al citosol, donde podrá oxidar otro NADH. No existe consumo neto de DHAP. El FADH2 de la matriz mitocondrial cede a su vez los electrones a CoQ de la cadena de transporte electrónico, acopládose la síntesis de 2 ATP por cada molécula de NADH oxidada en el citoplasma. Esta vía está presente en musculatura blanca y músculos de insectos. 99 3 Lanzadera de Malato: Malato dh cataliza la síntesis de Malato por reducción de OA-, oxidando un NADH. Malato puede atravesar la membrana, y en la matriz mitocondrial va a reoxidar a OA-, reduciendo un NAD+ a NADH, que cederá los electrones a la cadena de transporte electrónico. Dado que OA- no puede atravesar la membrana, deberá regresar al citosol combinándose con Glutamato para originar Asp y a-Cetoglutarato, que sí la pueden atravesar. Esta reacción, y su reacción inversa que ocurre en el citosol, son mediadas por la enzima Transaminasa (aminotransferasa). No hay consumo neto de OA-. E/ BALANCE DE LA DEGRADACIÓN DE LA GLUCOSA: A nivel evolutivo, el paso de vida anaerobia a vida aerobia es un gran paso en cuanto a la energía que se puede obtener de la glucosa. En condiciones aerobias el balance energético es de 38 ATP/glucosa, mientras en condiciones anaerobias, es de 2 ATP/glucosa (propios de la glicólisis). Infarto de Miocardio y Embolia dañan irreversiblemente el corazón y el sistema nervioso respectivamente. Esto se debe al alto consumo de ATP necesario para el mantenimiento de bomba transportadora ATPasa de Na+/K+, responsable del equilibrio quimiosmótico de la célula y el mantenimiento del volumen celular. La interrupción del paso de la sangre en una arteria impide el paso de O 2 suficiente, por lo que se ralentiza considerablemente la producción de ATP. 100 Cuando el ATP de una célula es insuficiente para mantener su equilibrio quimiosmíotico, esta se hincha, su membrana se permeabiliza y los componentes celulares pueden salir al exterior. La alta concentración de Lactato dh en el exterior celular suele ser responsable directo de la muerte por infarto. Por otro lado, en ausencia de O2 suficiente, se produce mucho ácido láctico por la vía glucolítica anaerobia. Este producto es tóxico para el organismo: Cuando se acumula, hace descender el pH celular, y como consecuencia se inicia la actividad de proteínas lisosomales que degradan macromoléculas y dañan irreversiblemente las estructuras celulares, causando su muerte. La glucosa es un componente fundamental de la dieta, pero existen sin embargo otros monosacáridos y disacáridos que pueden resultar nutritivos. Entre ellos encontramos los disacáridos Sacarosa (Glucosa + Fructosa), y Lactosa (Glucosa + Galactosa). Estos son fosforilados por acción de kinasas, y son introducidos como intermediarios en la Glucolisis. Una patología destacable es la ausencia de Lactasa. Recibe el nombre de Intolerancia a la Lactosa. Solamente la raza caucasiana resiste la Lactosa. En ausencia de esta enzima, la lactosa no puede ser digerida y resulta indigesta. Su acumulación en el tracto digestivo facilita la proliferación en exceso de determinadas bacterias que forman parte de la flora normal, y que generan gases irritantes. Existe la leche sin lactosa. Otra patología destacable, la Galactosemia, se debe a la ausencia de Uridil transferasa. Ambas patologías son, lógicamente, genéticas y hereditarias. 101 II/ Metabolismo de Biosíntesis de Glucosa: A/ LA GLUCONEOGÉNESIS: 1 Generalidades: Se trata de la biosíntesis de glucosa a partir de precursores de menos átomos de carbono. Por ejemplo, los seres Autótrofos son capaces de formar glucosa a partir de carbono mineral (CO2). Los Quimiótrofos necesitan para ello metabolitos orgánicos de al menos dos carbonos. En seres quimiótrofos, el ciclo del Glioxilato es una ruta importante de síntesis de Glucosa (visto en II/B/4). En animales superiores, el ciclo del Glioxilato permite la síntesis de glucosa a partir de metabolitos de al menos tres carbonos. Es fundamental, pues existen varios tejidos, como el Nervioso o el Sanguíneo, que sólo pueden aceptar como nutriente la glucosa. Tanto es así que, por ejemplo, en ayuno, el 80% de la glucosa de nuestro cuerpo es consumida por el cerebro. En las reservas celulares de glucosa, en forma de Glucógeno, disponemos de energía para un día. Después del ayuno, tiene lugar la Gluconeogénesis especialmente en el Hígado pero también en el Riñon. Entre todos los posibles precursores, podemos destacar por su especial importancia: Lactato (formado en músculo esqueletico por la Glicólisis anaeróbia). Alanina ( este aa abunda en el Músculo, debido al ciclo Piruvato-Ala). Otros aminoácidos (aa glucogénicos). Glicerol (procede del metabolismo de degradación de Triglicéridos). De tal manera que, en ausencia de glucosa durante un ayuno corto, nuestras células activan mecanismos de degradación de proteínas musculares en aminoácidos y degradación de las reservas de grasas (TG) para gormar Glicerol, para crear precursores de la Gluconeogénesis. En caso de un ayuno prolongado, el cerebro puede llegar a adaptarse a utilizar como combustible cuerpos cetónicos que derivan de la degradación de las grasas. Las reservas de grasas de nuestro cuerpo pueden servir para un mes de ayuno. A partir de ese momento pueden comenzar a degradarse proteínas de órganos tan importantes como el Corazón. 2 Gluconeogénesis a partir del Lactato: La contracción muscular precisa de un gran aporte energético, y produce para ello una importante cantidad de Lactato a partir de la Glucosa. Por ello es frecuente la Gluconeogénesis a partir de Lactato. Este proceso tiene lugar en el Hígado, principal Órgano Gluconeogénico. El Lactato del Músculo es cedido a la sangre, y va a ser así captado por el Hígado. Este forma de nuevo Glucosa y la cede a la circulación sanguínea, de forma que pueda ser captada por cualquier tejido que la requiera. 102 Todo este ciclo recibe el nombre de Ciclo de Cori, pues fue descubierto por el Matrimonio Cori. Por lo general, La Gluconeogénesis utiliza las mismas reacciones que utiliza la Glucólisis, pero en sentido contrario. Sin embargo, como ya hemos visto, existen tres reacciones irreversibles en la Glucólisis, que deberán ser rodeadas por otras enzimas en el sentido de la Gluconeogénesis. Se trata de las reacciones catalizadas por: Hexoquinasa. Fosfofructoquinasa. Piruvato kinasa. REACCIONES GLICOLITICAS IRREVERSIBLES ATP REACCIONES REVERSIBLES COMUNES Glucosa Hexoquinasa ADP + Pi REACCIONES GLUCONEOGÉNICAS QUE RODEAN A LAS GLICOLÍTICAS IRREVERSIBLES Pi Glucosa-6-P fosfatasa H2O Glucosa-6-P ATP Fosfofructoquinasa ADP + Pi Fructosa-6-P Pi Fructosa-1,6-dP fosfatasa H2O Fructosa-1,6-dP Triosa-P ADP + Pi Piruvato kinasa PEP OAATP GDP + Pi PEP carboxiquinasa GTP ADP + Pi Piruvato Carboxilasa ATP Piruvato Lactato La síntesis de Glucosa comienza con la transformación de Lactato en Piruvato, por acción Lactato dh. 103 A continuación tienen lugar dos reacciones típicamente Gluconeogénicas, catalizadas por Piruvato carboxilasa y PEP carboxiquinasa. La primera ocurre en la Matriz mitocondrial, mientras la segunda lo hace en el Citosol. La reacción de Piruvato carboxilasa + coenzima Biotina es la reacción anaplerótica más importante del ciclo TCA (vista en II/B/3). Hidroliza un ATP. La reacción que transforma OA- en PEP, catalizada por PEP carboxiquinasa, hidroliza también un P de alta energía de GTP. En conjunto, la transformación de Piruvato en PEP requiere un alto gasto energético. CH3-CO-COO- + CO2 + ATP OOC-CH2-CO-COO- + ADP + Pi - OOC-CH2-CO-COO- + GTP - OOC-C-OPO32- + GDP + CO2 - CH2 El fosfato de mayor energía del metabolismo es el de PEP. Se trata de un compuesto de alta energía química, superior a la del ATP o el GTP. Durante la primera reacción, la energía que corresponde a la hidrólisis del ATP queda contenida en la formación del nuevo enlace con el CO2. En la segunda reacción, la hidrólisis del mismo enlace combinada con la hidrólisis de un GTP, proporcionan la energía suficiente para la formación del PEP. Las reacciones entre PEP y Fructosa-1,6-dP son todas ellas reversibles. Utilizan ATP y NADH tanto como son producidos en sentido Glicolítico. Como es sabido, las rupturas de enlaces energéticos del catabolismo crean energía, tanto como su formación en la biosíntesis la gasta. La reacción típicamente gluconeogénica catalizada por Fructosa-1,6-dP fosfatasa hidroliza el ester fosfórico del C 1’ de la Fructosa. Su producto, Fructosa6-P, se isomeriza reversiblemente a Glucosa-6-P. Glucosa-6-P fosfatasa hidrolíza el último ester fosfórico, formando finalmente Glucosa libre, que puede salir a la circulación sanguínea. Esta enzima es también típicamente gluconeogénica, y por lo tanto los tejidos que no realizan gluconeogénesis carecen totalmente de ella. 3 Patologías de inhibición de la Gluconeogénesis: Patología genética y hereditaria de carencia o malformación de alguna enzima típicamente Gluconeogénica. La ingestión de alcohol inhibe la Gluconeogénesis a partir de Lactato. Por ello los bebedores tienen altos niveles de Ácido Láctico, y además no queman grasa, de manera que tienden a engordar. Todo ello se debe a la Acidosis Láctica 104 La Acidosis láctica es un proceso que facilita la reducción del NAD + a partir de la oxidación del Etanol ingerido a Acetato. Este proceso facilitado por Alcohol dh elimina NAD+ que podrían ser utilizados por Lactato dh para formar Piruvato a partir del Lactato, inhibiendo este paso de la Gluconeogénesis. B/ EL GLUCÓGENO Y SU METABOLISMO: 1 Introducción al Glucógeno: El Glucógeno es un polisacárido que constituye la mayor fuente de Glucosa de reserva en animales vertebrados. Su acumulación en la célula tiene lugar en forma de partículas discretas, de PM de al menos 2.107 g.mol-1. Es conocido también como el Almidón Animal. Está contituido por múltiples cadenas de Amilosa y Amilopeptina: Amilosa: Polímero lineal de -Glucosa, con enlaces glicosílicos (1-4). Amilopeptina: Ramificaciones del glucógeno. Se unen a las cadenas de Amilosa por enlaces glicosílicos (1-6). El Glucógeno tiende a almacenarse especialmente en el Músculo y en el Hígado. El Glucógeno Hepático tiene una densidad de 65 g/kg de tejido. Responde directamente a los niveles de Glucosa en la dieta. El Glucógeno Muscular, unos 14 g/kg de tejido, depende fundamentalmente del nivel de ejercicio físico, siendo más escaso después de un ejercicio prolongado. Se explica por los requerimientos energéticos de la contracción muscular. 2 Biosíntesis del Glucógeno: El precursor es la Glucosa-6-P, que va a ser transformada por la acción de una Mutasa en Glucosa-1-P. 105 A continuación, Glucosa-1-P es activada mediante su unión con un UTP. En esta reacción, catalizada por UDP-Glucosa pirofosforilasa, se transfiere a la Glucosa-1-P (en P) la porción UMP, liberando PPi. Finalmente, la Glucosa es transferida por Glucógeno sintasa al C 4’ de un pequeño polisacárido de Glucógeno en crecimiento, por un enlace Glicosílico (14), liberándose la molécula de UDP. La naturaleza de la cadena no cambia con su extensión, pudiendo repetirse indefinidamente el proceso. En la formación de las ramificaciones de Amilopeptina interviene la enzima Glicosil-4,6 transferasa, que escinde una cadena de amilosa de al menos 11 106 residuos, captando bloques de 7 residuos, y cataliza su unión en el grupo Hidroxilo C 6’ de una cadena vecina, en un punto que dista de al menos 4 residuos de la anterior ramificación. La captación de Glucosa para la biosíntesis de Glucógeno se encuentra estrictamente controlada: Todo el exceso de glucosa consumida se acumula indefinidamente en forma de grasas (TG). 3 La degradación del Glucógeno: Las unidades de Glucosa se pierden una a una por la acción de la enzima Glucógeno Fosforilasa, formando nuevamente Glucosa-1-P. El balande de la reacción es: (Glucógeno)n + PO4H2(Glucógeno)n-1 + Glucosa-1-P La ruptura del enlace glucosílico es inducida por el Fosfato, y por ello la reacción recibe el nombre de Fosforólisis (similar a hidrólisis cuando la molécula responsable es el agua). El grupo fosfato va a ser adicionado a los productos. Esta enzima sólo ataca las uniones (1-4). El resultado de su acción son oligómeros (pequeños polímeros) de glucógeno, altamente ramificados. Estos reciben el nombre de Dextrinas límite. Son atacadas por enzimas capaces de reconocer los enlaces(1-6). 4 Generalidades sobre la regulación del metabolismo del Glucógeno: La síntesis y degradación del Glucógeno se encuentran reguladas conjuntamente. En caso contrario nos encontraríamos con un ciclo absurdo que conduciría a la disipación ineficaz de la energía. Las situaciones o estímulos que favorecen su síntesis inhiben su degradación y viceversa. Las enzimas objetivo de este sistema de regulación son Glucógeno sintasa y Glucógeno fosforilasa. 107 5 Regulación de Glucógeno fosforilasa: Glucógeno fosforilasa es un homodímero constituído por unos 842 aa, y sometida a dos tipos de regulación: Alostérica y por Modificación Covalente. La regulación alostérica es una regulación puntual, y se produce como respuesta a una baja carga energética. La regulación por modificación covalente de la estructura proteica de la enzima es inducida por hormonas, y responde a una necesidad general del organismo. Existen, al igual que en el caso de la Hb, en equilibrio dos conformaciones; tensa (T) e inactiva, y relajada (R) y activa. En ausencia de regulación alostérica, la enzima se encuentra simpre en conformación tensa. Cuando la célula muscular precisa energía, se elevan los niveles intracelulares de AMP. AMP es un regulador alostérico activador de esta enzima, y la estabiliza en su forma R. Cuando sin embargo, la carga energética de la célula muscular es alta, y en esta abundan ATP y Glucosa-6-P, estos se unen a la Fosforilasa para inducir alostéricamente un cambio conformacional, y estabilizando la forma T. En cuanto a la regulación hormonal por modificación covalente, Glucógeno fosforilasa puede ser fosforilada por Fosforilasa kinasa, en la Ser 14 de cada subunidad. Esta fosforilación a expensas de un ATP induce un cambio conformacional (de forma b a forma a) que la transforma en activa (forma R). 108 Solamente en el hígado, la propia glucosa puede ejercer como inactivador alostérico de la enzima, devolviendola a su forma a-T. Ambas formas activas (a y b), a pesar de no ser idénticas, son muy similares, y el Glucógeno es accesible al sitio activo. 6 Control hormonal sobre la regulación de Glucógeno fosforilasa: Es determinante sobre la conformación a o b de la enzima, es decir, sobre su modificación covalente por fosforilación. Las hormonas Glucogenolíticas inducen la fosforilación de esta enzima, y por lo tanto la degradación del Glucógeno (Glucogenolisis). Entre ellas encontramos el grupo de las Catecolaminas (Noradrenalina, Adrenalina, Epinefrina…). Son producidas por la Médula Adrenal, y liberadas en respuesta a situaciones de emergencia, como sensación de riesgo o sustos, puesto que hace falta gran cantidad de energía para la huída. Tienen receptores específicos en Músculos e Hígado. Está implicada toda una cascada enzimática de fosforilación en la regulación de Glucógeno Fosforilasa. Para comenzar la Adrenalina se una a receptores unidos a proteína G, específicos de la membrana de sus células diana; las células musculares. Así queda activada la enzima Adenil ciclasa: cicla el ATP en cAMP, que actúa como segundo mensajero en el interior celular. cAMP activa una proteína kinasa fosforilandola, y esta a su vez va a fosforilar a expensas de un ATP a la segunda enzima de la cadena: Fosforilasa kinasa. Esta última, finalmente, activa por fosforilación a expensas de ATP a la enzima Glucógeno fosforilasa, estabilizándola en la forma a, y estimulándo la degradación del Glucógeno. 109 Una vez ejercida la acción de una hormona, para que el sistema endocrino sea eficaz como conjunto, esta debe ser eliminada: para ello actúan las Fosfoproteinas fosfatasa, que desfosforilan a las enzimas kinasas. Esto sucede finalmente cuando cAMP se destruye en AMP, por acción de la enzima Fosfodiesterasa (ataca el enlace diester fosfórico intramolecular de cAMP). Cafeína y Teofilina, presentes en el té y el café, inhiben la acción de la Fosfodiesterasa. Al dificultar la degradación del cAMP estimulan la Glucogenolisis, y se produce energía metabólica necesaria para el nerviosismo, característico de su ingestión. CAFEÍNA TEOFILINA La transducción de señales hormonales al interior celular es un mecanismo fundamental para la regulación de las funciones metabólicas vitales. Suele suceder por fosforilación/desfosforilación del dominio globular de proteínas receptoras transmembrana. El efecto fundamental de la cascada enzimática de kinasas es la amplificación de la señal hormonal en el interior celular. Cuando una kinasa es activada, permanece así durante algunos segundos: tiempo suficiente para activar por fosforilación muchas kinasas del siguiente eslabón de la cadena. De esta manera, en este caso, para una Adrenalina se forforilan cientos de enzimas Fosforilasa kinasa, y para una de estas, cientos de Glucógeno fosforilasa. La activación de la proteína kinasa por acción de cAMP depende de un cambio conformacional: La proteína inactiva se forma de cuatro subunidades: dos R (reguladoras) y dos C (catalíticas). Dos moléculas de cAMP se unen a las subunidades R, provocamdo un cambio conformacional que impide su unión con las subunidades C. Las dos subunidades C libres, están activas y presentan actividad kinasa (pudiendo fosforilar a Fosforilasa kinasa) hasta el momento de la ruptura de cAMP. Fosforilasa kinasa se forma de 4 subunidades distintas organizadas en un Homotetrámero: ()4. es la subunidad catalítica, y el resto son reguladoras. La subunidad es conocida como Calmodulina; al unir iones de calcio (liberados siempre previa contracción muscular), y solo entonces, permite la activación de Fosforilasa kinasa. Las otras dos subunidades deben quedar fosforiladas para permitir la total activación de la kinasa (estudios recientes apuntan solo a ). 110 Glucagón es una hormona polipeptídica (de unos 29 aa) secretada por el Páncreas en respuesta a muy bajos niveles de azúcar en sangre, mucho después de la última ingestión de alimentos. Responde entre otras cosas al requerimiento del Sistema Nervioso. Es también una hormona Glucogenolítica, y presenta receptores específicos solamente en el Hígado. 7 Regulación de Glucógeno sintasa y su control hormonal: Esta enzima es también un Homotertrámero, de PM = 350 kD. Al igual que la anterior, presenta sistemas de regulación Alostérico y Covalente acoplados, pero a diferencia de esta, la fosforilación de la enzima (conformación a) estabiliza su forma T (inactiva). La conformación b es activa de por sí. Glucógeno fosfatasa pasa de conformación a, a conformación b por acción de la Fosfatasa kinasa, regulada también por fosforilación desfosforilación. La fosforilación tiene lugar en residuos Ser de cada subunidad, a expensas del P de ATP. Puede ser catalizada por las mismas enzimas: Kinasa dependiente de cAMP, Fosforilasa kinasa, pero también por otras kinasas (mecanismo no específico). Por ello, la Adrenalina no solo tiene poder Glucogenolítico en Músculo e Hígado, sino que además inhibe la síntesis del Glucógeno. La Insulina, secretada también por el Páncreas, pero en respuesta a muy altos niveles de Glucosa en sangre, estimula la forma activa de Fosfatasa kinasa, y por lo tanto la síntesis de Glucógeno. Se trata de otra hormona polipeptídica, que al igual que el Glucagón, es secretada por los Islotes , o Células de Langerhans. Después de cada comida, estimulan tanto la síntesis de Glucógeno como la de las Grasas. La Diabetes (ausencia o patología de la Insulina) puede ser infantil (hereditaria) o adquirida. Esta última suele desarrollarse en adultos como consecuencia del sobrepeso. Es una enfermedad muy abundante en paises desarrollados, especialmente en los Estados Unidos debido a su mala alimentación. Glucosa-6-P es un activador Alostérico de Glucógeno sintasa. En altos niveles intracelulares, se une a esta enzima en su conformación a, estabilizando forma R, y por consiguiente la síntesis de glucógeno. Podemos concluir que el metabolismo del Glucógeno está regulado por procesos importantes de Fosforilación (movilización de las reservas) / Desfosforilación (Procesos biosintéticos). 8 Ruta de las Pentosas, o del Fosfogluconato: Esta última ruta de Hidratos de Carbono es una Vía Multifuncional: 1. Biosíntesis activa de lípidos: Producción de NADPH citoplasmático, cuyo poder reductor es esencial en la síntesis de ácidos grasos, colesterol y fosfolípidos, en el Tejido Adiposo, las Glándulas Mamarias, el Hígado y la Médula Adrenal. NADP+ es un derivado fosforilado de NAD+ que no cede electrones a la cadena respiratoria. En el Citosol, la reducción de este coenzima permite el transporte de electrones hasta las rutas de biosíntesis. 111 2. Producción de Ribosa-5-P, precursor fundamental en la Biosíntesis de Ácidos nucleicos. 3. Producción de energía metabólica. Se creean precursores para la Glicólisis, hay producción indirecta de ATP. 4. En vegetales y microorganismos, es indispensable para la síntesis de Glucosa a partir de CO2, durante la fase oscura de la fotosíntesis. Esta Ruta está dividida en dos fases fundamentales: Fase Oxidativa: Glucosa Ribulosa-5-P Fase No Oxidativa: Ribulosa-5-P intermediarios de la Glucólisis. Se pueden obtener pentosas partiendo de Fructosa-6-P y 3-Gliceraldehído. La Fase Oxidativa tiene como principal objetivo la síntesis de NADPH. La enzima Glucosa-6-P dh oxida la Glucosa-6-P, reduciendo un NADP+, en Glucano Lactona. Lactonasa lo transforma en 6-P-Gluconato. Posteriormente, 6-P-Gluconato sufre la descarboxilación oxidativa (Alcohol > Ceto), transformandose en Ribulosa-5-P. Esta oxidación, catalizada por 6-PGluconato dh, reduce un segundo NADP+. Ribulosa-5-P es el primer intermediario de la Fase No Oxidativa, cuyo conjunto de reacciones es reversible, y cuyos objetivos principales son la síntesis de precursores. (1) Glucosa-6-P dh (y Lactonasa). (2) 6-P-Gluconato dh 112 Ribulosa-5-P (3) Isomerasa (5) Transcetolasa + coenzima TTP (7) Transacetolasa (4) Epimerasa (6) Transaldolasa En primer lugar sucede la Isomerización de la Ribulosa-5-P en Ribosa-5-P y Xilulosa-5-P por dos enzimas distintas; dos pentosas. Transacetolasa – TTP transfiere un Glicoahdehido (2C) de la Xilulosa a la Ribosa, formándose respectivamente una triosa: 3-P-Gliceraldehído, y una heptosa: Pseudoheptulosa. La transferencia de este grupo es facilitada por el coenzima TTP, en un proceso análogo a los catalizados por Piruvato dh y -Cetoglutarato dh. Durante la transferencia se forma Pirofosfato de dihidroxietiltiamina: E-TTP-CHOH-CH2OH. A continuación, Transaldolasa transfiere un fragmento de 3D de la heptosa a la triosa, formándose respectivamente una tetrosa: Eritrosa-4-P, y una hexosa: Fructosa-6-P. Finalmente, Transacetolasa cataliza la transferencia de un nuevo grupo Glicoaldehído (2C) de una Xilulosa-5-P (una pentosa) a la Eritrosa-4-P, formándose así finalmente Gliceraldehído-3-P, y otra Fructosa-6-P. Además de formar precursores, esta fase facilita el intercambio entre triosas, tetrosas, pentosas, hexosas e incluso heptosas. 113 Ambas fases funcionan en dependencia de las necesidades metabólicas de las células: Funcionan como respuesta a la necesidad de NADPH en fase oxidativa, y también de ATP pues se crean precursores para la Glucólisis y el ciclo TCA en la fase no oxidativa. Responde también a necesidad de síntesis activa de ácidos nucleicos. En este caso la Ribosa-5-P es obtenida a partir de los precursores de la Glicólisis, gracias a la fase oxidativa en sentido opuesto (ascendente): es decir, a partir de Fructosa-6-P y 3-P-Gliceraldehído. 9 Glutatión y Patología de la Ruta de las Pentosas en Eritrocitos: La ausencia o malformación genética y hereditaria (debida a la malformación de un solo gen) de la enzima Glucosa-6-P dh en Eritrocitos puede conducir a Anemias hemolíticas agudas, especialmente después de la ingestión de determinados medicamentos. Se trata de una malformación patológica grave. Esta patología afecta al 11% de la población negra de los Estados Unidos, y más de 200 millones de personas en Africa central. El tripéptido Glutatión es responsable de la conservación de grupos tiólicos libres en proteínas (SH), indispensables para su funcionalidad. También evita la destrucción de la membrana celular por peroxidación lipídica (la oxidación ligada al envejecimiento). Durante la respiración aerobia se producen múltiples oxidaciones, originándose peróxidos como H2O2, y también peróxidos orgánicos. Estas moléculas son altamente lesivas para las células, pues son responsables de la oxidación y destrucción de múltiples compuestos. En concreto, entre otras cosas, el Glutatión se encarga de eliminar los peróxidos dañinos para la célula, con la ayuda de Glutatión peroxidasa. Por ejemplo, reduce el Peróxido de Hidrógeno a agua, quedando oxidado: La oxidación se traduce en la unión de dos moléculas de Glutatión, por puentes disulfuro. Finalmente, la enzima Glutatión reductasa se encarga de reducir de nuevo las moléculas de Glutatión, utilizando un NADPH como donador de electrones. Por ello, la enzima Glucosa-6-P dh es fundamental para proporcionar NADPH al eritrocito, no solo reduciéndolo a nivel del sustrato, sino permitiendo la acción posterior de 6-P-Gluconato dh. El gen responsable de la Anemia Hemolítica aguda está ligado al cromosoma X. Por lo tanto los machos que heredan el gen X defectuoso no producen nada de enzima normal, y siempre están afectados letalmente. Las hembras, sin embargo, pueden ser homozigotas o heterozigotas. Sólo las heterozigotas pueden producir Glucosa-6-P dh suficiente para cumplir sus funciones vitales, pero producen el 50% de lo que produce una persona normal sana. Curiosamente, este gen recesivo prevalece entre la población negra de África central. Se debe a la enorme ventaja que este gen proporciona a las mujeres heterozigotas frente al Paludismo o Malaria, mayor causa mundial de mortalidad. Esto se debe a que la bacteria causante, Plasmodium falciparium, necesita para su 114 desarrollo altos niveles de NADPH. Al infectar a personas con niveles inferiores a los normales (concretamente ½), los parásitos no logran proliferar. Si estas mujeres toman Pamaquinina, un fármaco que actúa contra la Malaria reduciéndose para oxidar el NADPH en NADP+ (atacando así a la bacteria), pueden morir. 115 III/ Metabolismo de Lípidos: A/ LOS PRINCIPALES LÍPIDOS: 1 Estructura y Nomenclatura: Se trata de compuestos altamente hidrofóbicos, debido a la hidrofobicia de sus cadenas Acilo contituyentes, los Ácidos Grasos (AG). De hecho, los ácidos grasos son los componentes fundamentales de todos los lípidos. Los AG derivan de Hidrocarburos de cadena larga, de tal manera que en su extremo presentan un grupo Carboxilo. Su fórmula general es: CH3-(CH2)n-COOSu nomenclatura se basa en la raíz del hidrocarburo que le corresponde, terminado en –oico (por ejemplo, con 16 C y saturado: Hexadecanoico, 16:0). En el caso de que presente insaturaciones, se emplea la misma terminología, sin olvidar la terminación –eno del hidrocarburo (por ejemplo, con 16 C y un doble enlace: Hexadecenoico, 16:1). Se emplea una para indicar con un superíndice la posición de los dobles enlaces contando desde C 1’ (carboxilo) (por ejemplo, Octadecano trienoico (18:3) 6,9,12). Se puede emplear una para indicar la posición de las insaturaciones, partiendo desde el carbono , es decir, el más alejado del grupo carboxilo (por ejemplo, el mismo AG: 6,9,12). A pesar de este ejemplo, esta nomenclatura es habitual en AG 3 y 6. Estos AG son característicos de vegetales, y los animales no pueden introducir insaturaciones en esas posiciones; sin embargo son esenciales para la membrana celular, por ello son fundamentales en la alimentación. 2 Los Ácidos Grasos de las células: Además de un nombre sistemático, los ácidos grasos biológicos más frecuentes en las células suelen tener un nombre propio habitual. Por lo general en las células, tienen un número par de átomos de C, comprendido entre 16 y 20. Las insaturaciones se encuentran en posición cis, y esto es fundamental para la membrana celular. Hidrogenando los AG cis con aceite de oliva (fritura) pueden eliminarse los dobles enlaces u obtener la configuración trans. Este tipo de dieta, característica de los estadounidenses, es perjudicial para las membranas. La dieta Mediterránea, rica en ácido oleico crudo, es beneficiosa y evita enfermedades cardiovasculares. Los lípidos deben ser transformados por el metabolismo, para ejercer su función biológica. Existen tres principales tipos de Macromoléculas orgánicas que contienen lípidos como componentes fundamentales: Fosfolípidos (de membrana). Triglicéridos (reservas energéticas). 116 Esteroles 3 Los Triglicéridos: Los TG, importantes reservas energéticas, Constituyen las Grasas del tejido adiposo. Derivan de tres AG y una moléculas de Glicerol (Glicerina Tri-alcohol). Cada grupo Ácido de los AG se une a un grupo Alcohol del Glicerol, por una unión Ester. 117 Cuando de los tres grupos Alcohol del Glicerol, solo dos posiciones están esterificadas, recibe el nombre de Diglicérido (DG). Para conocer las posiciones de los AG se numeran los C de Glicerol (por ejemplo, 1,2-Diglicérido). Cuando hay una única posición esterificada recibe el nombre de Monoglicérido (MG). Entonces se indica específicamente el C esterificado. 4 Los Fosfolípidos: Los PL intervienen como componentes básicos de las membranas plasmáticas celulares. Derivan de 1,2-DG. El grupo alcohol 3’ está esterificado por un Ácido Fosfórico, que a su vez esterifica una base nitrogenado (normalmente distinta de las de ADN y ARN), ente las cuales destacan Etanolamina, Serina, Colina… Su nomenclatura se limita a incluír un Fosfatidil- delante del nombre de la BN (por ejemplo, Fosfatidiletanolamina, PE). Algunos PL tienen esterificada una sola posición alcohol con un ácido graso. Estos reciben el nombre de Lisofosfolípidos (por ejemplo Lisofosfatidiletanolamina, LPE). Los Esfingolípidos son PL especiales, muy importantes para el SN. 5 Los Esteroides: Todos los Esteroides tienen en común un grupo fundamental: se trata de el Ciclopentanoperhidrofenantreno: 118 Contiene dos grupos Metilo (18’ y 19’) y un sustituyente particular en 17’ que permite diferenciar a los distintos esteroides biológicos entre ellos. Existen distintos Esteroles en el organismo, y pueden tener distintas funciones. Entre ellos encontramos la Cortisona, el Colesterol (constituyente de la membrana plasmática indispensable para su fluidez), las Sales Biliares (necesarias para la digestión de las grasas), Vitaminas y varias Hormonas Sexuales. Cortisona y sus derivados son hormonas secretadas por las cápsulas suprarrenales en bajísima concentración. Se trata de un fármaco antiinflamatorio insustituible para múltiples enfermedades. Es junto con los Antibióticos el principal fármaco del siglo XX. Se utiliza contra Cancer, Alergias, Inflamaciones… La Cortisona fue descubierta en la cápsula suprarrenal de buey. Su baja producción la hacía incomercializable. Su síntesis química a partir de Esteroides vegetales es muy compleja: se debe introducir un grupo Hidroxilo justo en posición 11’. Son necesarias 11 reacciones y tiene un rendimiento del 0,015 %. El microbiólogo Peterson descubrió microorganismos con Hidroxilasas específicas que catalizaban esta reacción con un rendimiento del 100 %. B/ METABOLISMO DE DEGRADACIÓN DE LÍPIDOS: 1 La Digestión de los Triglicéridos en la Luz Intestinal: Los TG son un principal componente energético de la dieta humana. Son muy insolubles en agua, lo cual es un problema para su digestión y adsorción. Los movimientos peristáticos del tubo digestivo facilitan la emulsión de las grasas, transformándolas en pequeñas gotitas. Estas gotitas se hacen aún más solubles gracias a la acción de las Sales Biliares, producidas por la vesícula biliar del hígado. Las sales recubren las gotitas de TG en forma de película. Estos compuestos esteroílicos biliares, con acción detergente, presentan una cabeza hidrofílica y una cola hidrofóbica. 119 A continuación, los TG son hidrolizados por una potente Lipasa, que es liberada a la luz intestinal por el páncreas. Hidroliza en concreto los enlaces de las posiciones distintas des TG, es decir, 1’ y 3’. TG DG + AG 2-MG + 2 AG Esta Lipasa es en sí misma inactiva, y su activación depende de una pequeña proteína; Colipasa. Se une a la enzima induciendo un cambio conformacional en ella, pudiendo quedar en contacto su centro activo con los TG. Colipasa es producida por el Páncreas en forma de Procolipasa. Su activación por proteólisis es a su vez inducida por un pH muy bajo, característico del tracto digestivo. 2-MG, AG y Sales Biliares forman micelas mixtas que finalmente pueden ser absorbidas por las células de la mucosa intestinal. 2 Degradación de los Triglicéridos en la mucosa intestinal: En el interior celular, los ácidos grasos y el MG se transforman de nuevo en TG. Los AG, en el interior celular, nunca se encuentran libres sino unidos a CoA: R-COO- + CoASH R-CO-SCoA Esto no solo facilita la solubilización del AG, sino que además Activa su grupo Carboxilo, haciéndolo más reactivo. Los TG, reconstruidos en las células de la mucosa intestinal, deben pasar a la sangre. En este proceso su solubilidad es de nuevo un problema, y demasiados TG en la dieta pueden causar patologías circulatorias. En el Retículo Endoplasmático de las células, los TG se unen con proteínas, fosfolípidos y colesterol formando unas partículas llamadas Quilomicrones (QM), capaces de salir de la mucosa intestinal al drenaje linfático, y de ahí al torrente sanguíneo a través del conducto torácico. Estos complejos son también llamados Lipoproteínas, transportan los TG en la sangre, facilitando su solubilización en medios acuosos. 3 Lipoproteínas de la sangre: LIPOPROTEÍNA 120 Las lipoproteínas presentan una monocapa de fosfolípidos, algo de colesterol y Apoproteínas en su superficie, haciendo de la partícula en conjunto un compuesto hidrosoluble. En el interior hidrofóbico, se mezclan esteres de colesterol y TG homogeneizados. Las Lipoproteínas de la sangre, además de los QM, se clasifican en función de su densidad. De tal manera que, a mayor relación Lípido/Proteína, menor será su densidad: VLDL (Lipoproteína de muy baja densidad). LDL (Lipoproteína de baja densidad). HDL (Lipoproteína de alta densidad). Los QM, de muy baja densidad, se corresponden a los lípidos de la dieta, y se distingue de las otras Lipoproteínas por su composición. Además, su tiempo de permanencia en sangre es especialmente corto (5 min), mucho más que el de VLDL (2-3 horas). VLDL transporta los TG endógenos, producidos por el propio organismo en el hígado. LDL transportan el colesterol malo. HDL transportan los excesos de colesterol (denominado bueno), que deben ser eliminados. Deben en concreto ser llevados hasta el hígado para su metabolismo. 4 Recorrido de los Quilomicrones en la sangre: Una vez que llega al torrente sanguíneo, el QM no permanecerá en él durante más de 5 minutos. De hecho, las células musculares, esqueléticas y cardíacas, y las células adiposas captarán rápidamente estas partículas. Dichas células van a hidrolizar los QM por acción de Lipoproteína Lipasa. Esta enzima se encuentra en la superficie de las células endoteliales de los capilares sanguíneos de estos tejidos, de tal manera que su reacción será catalizada a nivel del plasma sanguíneo y sólo sus productos serán adsobidos por los tejidos. Primero, la Lipoproteína lipasa debe ser activada por la Apoproteína C II del QM. Entonces la enzima esterasa comienza a hidrolizar los TG de los QM: Primero en AG + DG, y después DG en AG + MG, de forma que los AG son adsorbidos por el tejido. La estructura QM MG es muy inestable, de forma que se produce una disociación espontánea de la partícula. Los MG entran al interior celular donde son transformados en AG y Glicerol. Las Lipoproteínas remanentes se dirigen a través de la sangre directamente al hígado. 5 Destino de los Triglicéridos en células Adiposas y Musculares: En el interior celular, los AG provenientes de los TG de la dieta pueden tener dos destinos: Biosíntesis de lípidos (especialmente en Adipositos) u obtención de energía metabólica o ATP por -oxidación (en células musculares). Ocurre exactamente lo mismo con las VLDL que con los QM. El Hígado, principal órgano de metabolismo de Lípidos, exporta el colesterol y los TG 121 endógenos en este tipo de Lipoproteínas, de gran tamaño, pudiendo se útiles como fuente de lípidos para tejidos muscular y adiposo. En estos tejidos, de nuevo, son hidrolizados a expensas de Lipoproteína lipasa. La Lipoproteína latente es en este caso una partícula LDL, de menor tamaño ya que ha perdido casi todo su contenido. ½ de las LDL retorna al hígado donde puede cargarse de nuevo en VLDL, mientras la otra ½ de LDL puede dirigirse a los tejidos extrahepáticos (periféricos del hígado), donde sirve como fuente de Colesterol y Apoproteínas. En estos últimos tejidos, LDL se une a receptores específicos de las membranas celulares, y se introducen en la célula por un proceso de endocitosis. Una pequeña vesícula con los receptores abandona el Endosoma, y es reciclada en la membrana. El resto del Endosoma se fusiona con un Lisosoma formándose un Lisosoma secundario, donde las LDL son digeridas y degradadas. El Colesterol libre en exceso se acumula en la membrana, en forma de Esteres de Colesterol. La esterificación de este compuesto con un AG (Acil-CoA) es catalizada por la enzima Acil-CoA-Colesterol acil-transferasa. Colesterol + Acil-CoA - Ester de Colesterol + CoASH Las Apoproteínas son descompuestas en sus aminoácidos constituyentes. 6 Función de las Apoproteínas de alta densidad, HDL: HDL son sintetizadas en el Hígado, y liberadas al plasma sanguíneo. Se encargan de recoger los excesos de Colesterol de la superficie de las células. Cuando aparecen el la circulación, son partículas de muy pequeño tamaño, exentas de Colesterol. A medida que pasa el tiempo, van cargándose de este compuesto, y transformándolo inmediatamente en Esteres de Colesterol. En este caso, la esterificación corre a cargo de la enzima del plasma Lecitina Colesterol acil-transferasa (LCAT). El fosfolípido Lecitina (Fosfatidil Colina) es tranformada en Lisolecitina (Lisofosfatidil Colina), cediendo su AG en 2’ al Colesterol. COLESTEROL Colina Una vez que HDL se carga de Esteres de Colesterol periférico (en exceso), una parte de ellos van a ser transferidos a VLTL, y otra va a regresar al Hígado para su metabolismo, entre otras cosas para la síntesis de las Sales Biliares, que se acumulan en la Vesícula Biliar. 122 7 Enfermedades cardíacas relacionadas: Una anomalía hereditaria se debe a la defectuosidad de un gen, que se traduce en la ausencia de receptores de LDL en las células del tejido extrahepático. La Homozigosis es muy rara (1 entre 1.000.000 de habitantes), y produce en los afectados una concentración de colesterol en sangre cinco veces superior a la de una persona normal. Los enfermos no suelen superar la edad de 20 años. La Heterozigosis es sin embargo muy abundante (1 entre 500 habitantes). Presentan la ½ de receptores que una persona normal, y sus niveles de colesterol en sangre son sensiblemente elevados. Estos enfermos pueden padecer enfermedades cardíacas a los 40 o 50 años. Las Estatinas son Fármacos que ayudan a regular los niveles de colesterol en sangre. Inhiben la síntesis de Colesterol Endógeno. Por otro lado, ante pequeñas lesiones arteriales, se depositan paulatinamente los lípidos formando Ateromas. Estos constituyen un engrosamiento de la pared arterial, pudiendo obstruir la luz arterial. En estos casos, la disminución del flujo sanguíneo, que puede llegar a bloquearse, puede producir Infarto de Miocardio (si se produce en la arteria Coronaria), o Embolia Cerebral (en la arteria Cerebral), causas de muerte de las más abundantes en países desarrollados. Con el tiempo, los Ateromas se Calcifican y endurecen, dificultando aún más la circulación. Esta enfermedad es conocida bioquímicamente como Aterosclerosis (Arteriosclerosis). Los altos niveles de LDL en sangre pueden crear enfermedades coronarias, sin embargo, los altos niveles de HDL las evitan. Las hembras, gracias a la producción de estrógenos, estimulan los elevados niveles de HDL, siendo menos afectadas. El bajo peso, ejercicio físico violento, y el consumo moderado de alcohol también elevan los niveles de HDL. El consumo de tabaco, sin embargo, aumenta el riesgo. 8 Movilización de los Ácidos Grasos del tejido Adiposo: El tejido Adiposo es un importante reservorio donde se acumulan los ácidos grasos, importante fuente de energía a nivel cuantitativo (más aún que la glucosa). Estos AG se encuentran en forma de TG, y son suficientes para abastecernos durante un mes. La movilización de los TG tiene lugar como respuesta a una demanda de energía general del organismo, por un intenso ejercicio físico, o carencia de nutrientes. Triglicérido lipasa, Diglicérido lipasa y Monoglicérido lipasa catalizan respectiva y ordenadamente la pérdida de los tres AG del TG, que van difundiendo del adiposito y siendo cedidos a Albúmina, proteína que puede transportar estas hidrofóficas moléculas a través de la sangre. Serán tomados por tejidos requirentes de energía. Se piensa que TG lipasa y MG lipasa podrían ser la misma enzima. 123 El Glicerol restante pasa al torrente sanguíneo, que va a transportarle hasta el hígado donde va a ser metabolizado. A expensas de la hidrólisis de un ATP en ADP, Glicerol kinasa cataliza la fosforilación del Glicerol en su C 3’, dando Glicerofosfato. La célula adiposa carece de esta enzima. CH2OH-CHOH-CH2OH CH2OH-CHOH-CH2OPO32- Este producto va a ser transformado, reduciendo un NAD+, en Dihidroxiacetona fosfato (DHAP) metabolito de la ruta intermediaria Glicolítica. Podrá ser isomerizado en G-3-P para producción de energía, o podrá ser utilizado en la vía Gluconeogénica. CH2OH-CO-CH2OPO32Albúmina es una pequeña proteína monomérica del plasma sanguíneo (PM = 66.000 kD). Está estabilizada por numerosos puentes disulfuro, y 10 puntos de anclaje para AG, con distintas afinidades: entre ellos destacan dos o tres sitios primarios, de gran afinidad. Al igual que la degradación del Glucógeno (Glucógeno fosforilasa) la movilización de esta segunda importante reserva energética orgánica está sometida a una fuerte regulación y control hormonal. Hormonas: ADIPOSITO Receptor - Adrenalina + Movilización de AG - Glucagón SANGRE Adenil ciclasa + AMPc ATP AMPc, segundo mensajero, activa una cascada enzimática de fosforilación de proteínas kinasas, que desemboca en la fosforilación de Triglicérido lipasa, quedando esta en forma activada. La acción de una fosfatasa la devuelve a su estado inicial. La hormona Insulina estimula la desfosforilación de la TG lipasa del tejido adiposo, y estimula además procesos de Biosíntesis. Es secretada después de alimentarse. 124 9 La -Oxidación de los Ácidos Grasos (-Ox): Los AG son el principal combustible para gran número de células, especialmente para el músculo. Aparecen en las células de todos los tejidos, procedentes de la sangre donde son transportados por la proteína Albúmina desde el tejido Adiposo. También pueden aparecer como producto de la hidrólisis de TG endógenos en determinadas células. Primero, los AG se acilan directamente con CoASH en toda célula. Esta reacción catalizada por Acil-CoA sintetasa hidroliza una molécula de ATP en AMP + PPi. El ester tiólico que se forma es de muy elevado contenido energético, y precisa la fosfatación de dos P del ATP. Además, de la energía de separación del pirofosfato (PPi) en 2 Pi. La enzima Acil CoA sintetasa es una enzima asociada a membrana, con doble localización en las células: Tanto en la membrana del Retículo Endoplasmático (para Biosíntesis de Lípidos), como en la membrana externa de la mitocondria (para la -Ox). Esta última localización es esencial, pues la -Ox es un proceso que tiene lugar en el interior mitocondrial. En concreto, esta enzima cataliza de un mismo paso la acilación con CoASH del AG, y facilita su transporte al espacio Intermembrana Mitocondrial. De hecho, ambas membranas son impermeables a Acil-CoA, y su transporte tiene lugar mediante la acción de Carnitina, una pequeña molécula orgánica. Carnitina puede acilar el AG a través de su grupo Hidroxilo de C 3’. 125 La enzima I cataliza la transferencia del grupo Acilo de la CoA a la Carnitina. Resulta CoASH libre, y Acil-Carnitina, capaz de atravesar la membrana interna mitocondrial. (esta E se encuentra en el lado externo de la membrana interna?) En el interior mitocondrial, la enzima II transfiere el grupo Acilo de la Carnitina al CoASH libre del interior mitocondrial. Acil-CoA en el interior mitocondrial se integra en el ciclo de la -Ox de los AG. CICLO TCA 126 La primera reacción, catalizada por Acil-CoA dh, oxida el AG por deshidrogenación del enlace sencillo entre los C y a doble enlace. Al igual que en el ciclo TCA, estas reacciones están siempre catalizadas por deshidrogenasas FAD-dep. A diferencia del resto de las enzimas de la -Ox (libres en la matriz mitocondrial) esta enzima se encuentra anclada a la cara interna de la membrana mitocondrial interna, de forma que recibe directamente los Acil-CoA que penetran gracias a Carnitina. La segunda reacción, catalizada por Hidratasa, adiciona al doble enlace los elementos del agua, oxidando el C b del AG, y formando el consecuente D -OHAcil-CoA (de ahí el nombre -Ox). Es, al igual que Aconitasa, una enzima muy estereoespecífica, pues adiciona siempre el agua al isómero trans, obteniéndose siempre el isómero óptico D. El grupo -Alcohol es transformado, por la enzima-OH-Acil-CoA (deshidrogenasa NAD-dep) en grupo Ceto, de forma que el producto es el -CetoAcil-CoA correspondiente. NADH y FADH2 formados ceden electrones a la cadena de transporte de electrones de la respiración. Tiolasa produce un ataque nucleófilo del grupo SH de un nuevo CoASH libre, al grupo Ceto deficiente de electrones, con la consiguiente escisión del AG en este punto, y la unión de CoASH en el nuevo AG formado por dos C menos. Obtenemos así un Acetil-CoA del extremo cortado de Acil-CoA inicial. El Acil-CoA resultante sufre a su vez una nueva ronda de -Ox, perdiendo de nuevo dos carbonos, y así sucesivamente. Por otro lado, todos los Acetil-CoA formados pueden integrarse en el ciclo TCA. Esta oxidación es fuertemente reentable; por ejemplo, una molécula de Ácido Palmítico (16 C) produce en la mitocondria 129 ATP, mientras una glucosa produce 38 ATP. 10 Degradación de los Fosfolípidos: Las encimas implicadas son, de nuevo, Esterasas, que hidrolizan los enlaces Ester. Se trata de las Fosfolipasas. En un fosfolípido encontramos cuatro enlaces ester, y existe una fosfolipasa específica para cada uno. La enzima Fosfolipasa A1 hidroliza el ester AG en posición 1’ formándose un 1-Lisofosfolipido. La enzima Fosfolipasa A2 hidroliza el ester AG en posición 2’ formándose un 2-Lisofosfolípido. La enzima Fosfolipasa C hidroliza el ester Fosfato en posición 3’ formándose un Diglicérido. La enzima Fosfolipasa D hidroliza el ester Fosfato – Base Nitrogenada fosmandose un Ácido Fosfatidílico (Fosfatidato). La acción conjunta de las cuatro enzimas produce Glicerol, 2 AG, un Pi y una Base Nitrogenada. 127 El veneno de Cobra y otros ofidios es similar a Fosfolipasa A2. Sus altos niveles en sangre producen ataques a Fosfolípidos de membrana de los Eritrocitos, originando 2-Lisofosfolípidos, con efecto detergente: se produce micelarización de los Fosfolípidos y de las membranas, y consecuentemente Hemolisis Aguda. Al ingerir el veneno, su efecto no llega a afectar a las células pues es digerido previamente, pudiendo incluso servir como alimento. C/ METABOLISMO DE BIOSÍNTESIS DE LÍPIDOS: 1 Biosíntesis de Cuerpos Cetónicos: Esta síntesis sucede en mitocondrias hepáticas, y sus productos, los Cuerpos Cetónicos, son Acetoacetato y -Hidroxibutirato. Una vez biosintetizados, los Cuerpos Cetónicos son cedidos de por el hígado a la circulación sanguínea, y pueden así ser tomados por numerosos tejidos como fuente de energía. Podríamos resumir el proceso con el siguiente esquema: Acetil-CoA HÍGADO (Mitocondria) Acetoacetil-CoA -OH-Butirato Acetoacetato SANGRE -OH-Butirato TCA Acetil-CoA Acetoacetato Acetoacetil-CoA MÚSCULO, CEREBRO En un primer paso, tiene lugar la condensación de dos moléculas de AcetilCoA en una reacción reversible catalizada por Tiolasa. Son, de hecho, las mismas enzima y reacción del último paso de la -oxidación, pero sucede en sentido contrario. A continuación se une una tercera molécula de Acetil-CoA, en una reacción catalizada por -Hidroxi--metil-Glutaril-CoA sintasa. Se produce-Hidroxi-metil-Glutaril-CoA, o HMG-CoA. Se trata de un ácido dicarboxílico de 5 C, derivado de HMG, y similar al Ácido Glutámico, -Ceto-Glutarato. 128 (HMG-CoA) Síntesis de Fosfolípidos Hasta este punto, las reacciones son exactamente iguales a las que ocurren durante la biosíntesis del Colesterol, y los productos son los mismos. La diferencia radica en que la síntesis de Colesterol termina en el Citosol. Una -Hidroxi--metil-Glutaril-CoA liasa escinde del HMG-CoA una molécula de Acetil-CoA, dando lugar al primer Cuerpo Cetónico: el Acetoacetato. 129 La enzima -Hidroxi-Butiril-CoA dh, reduce reversiblemente el Acetoacetato a -Hidroxibutirato, el segundo Cuerpo Cetónico. Esta enzima es exclusiva de las mitocondrias hepáticas, pero también se encuentra en el Citosol de casi todas las células, catalizando el paso contrario. La proporción total de uno y otro cuerpo cetónico dependerá fundamentalmente de la proporción de NAD+/NADH que exista en la mitocondria, de forma que a más NAD+ se cederá más Acetoacetato a la sangre, y viceversa. Los dos tejidos que utilizan la mayor parte de estos compuestos como energía, captándolo de la sangre, son los músculos y el sistema nervioso. Para poder ser utilizado, el Acetoacetato debe ser transformado en Acetoacetil-CoA. Este proceso se acopla al paso de Succinil-CoA a Succinato, de forma que la CoA es transferida por -Cetoácido transferasa. Finalmente, Tiolasa cataliza su reacción, en el mismo sentido de la oxidación, formándose dos Acetil-CoA que pueden incorporarse al ciclo TCA. La utilización de Cuerpos Cetónicos por el organismo como fuente de energía depende de las fluctuaciones de los niveles de Glucosa en la sangre. Asimismo, después de una comida siempre se utiliza la Glucosa, pero cuando esta escasea comienza a ser exclusiva para el tejido nervioso por sus especiales requerimientos. El tejido adiposo comienza entonces a liberar AG, de los cuales una buena parte es utilizada por el hígado para la síntesis de cuerpos cetónicos, de tal manera que estos pueden constituir una importante fuente de energía para los músculos. Tanto durante un ayuno prolongado como para las personas con Diabetes, la Glucosa es muy escasa en la sangre, y el cerebro puede adaptarse a utilizar cuerpos cetónicos como fuente de energía, aunque este órgano es incapaz de utilizar AG pues no pueden atravesar la barrera hematoencefálica. De hecho en ayunos prolongados, diabéticos y bebés (leche materna), se produce la descarboxilación espontánea en la sangre de Acetato a Acetona (relacionada con el olor del aliento). La acidez producida puede conducir a una disminución del pH sanguíneo, y por lo tanto a diversas enfermedades patológicas, como la disminución de la afinidad de Hb por O2. CH3-CO-CH2-COO- CH3-CO-CH3 2 Biosíntesis de Ácidos Grasos: La biosíntesis en Vertebrados sucede en el hígado, de tal manera que todo AG de un animal procede del hígado o de la dieta. Más concretamente, sucede en el Citosol de todas las células que los sintetizan. Como rutina diaria, después de las comidas se produce la oxidación de la Glucosa para producción de energía, la reposición de las reservas de Glucógeno, y la transformación del exceso de glucosa en ácidos grasos, que son acumulados en forma de Triglicéridos en las Grasas del tejido Adiposo. Las reservas de Glucógeno sirven aproximadamente para un día de vida. Al escasear la Glucosa, los Ácidos grasos se transforman en la principal fuente de 130 energía del organismo, pudiendo servir durante todo un mes. De hecho, durante la noche, la mayor parte del oxígeno que respiramos es utilizado para quemar ácidos grasos procedentes del tejido Adiposo. Los AG como reserva masiva de energía tiene de hecho sus beneficios. El principal es tal vez su inferior densidad y por lo tanto peso, que el del Glucógeno: tanto es así que si acumulásemos en Glucógeno lo que acumulamos en Lípidos, pesaríamos toneladas. También por la gran cantidad de energía que puede contener una sola molécula (balance de la degradación de AG). Esta biosíntesis sucede en el Citoplasma celular, y utiliza como precurso la Acetil-CoA resultante de la degradación de la Glucosa. Ocurre a expensas de dos enzimas fundamentales: Acetil-CoA carboxilasa + Coenzima Biotina Ácido Graso sintasa La primera, Acetil-CoA carboxilasa, cataliza la transformación de AcetilCoA en Malonil-CoA. Es una enzima Carboxilasa típica, que utiliza Biotina como coenzima. El ácido Malónico es un ácido dicarboxílico de tres carbonos. Este paso supone la activación de Acetil-CoA para que entre en esta vía biosintética. CH3-CO-SCoA + CO2 + ATP OOC-CH2-CO-SCoA + ADP + Pi - Se forma un enlace donde queda retenida gran parte de la energía de hidrólisis del ATP, de forma que esa energía puede ser utilizada para la biosíntesis durante la ruptura del enlace. En Procariontes, esta enzima está constituída por tres proteínas distintas: una pequeña une la Biotina, la segunda cataliza la formación de Carboxibiotina, y la tercera, una Transcarboxilasa, transfiere el carboxilo de Biotina a Acetil-CoA. En Eucariontes, se trata de un Homodímero, con PM = 230.000 Da en cada subunidad. Es inactiva en su forma dimérica, sin embargo, en presencia de Citrato, polimeriza volviéndose activa. El Polímero puede alcanzar unos PM = 6.000.000 Da. El regulador primario de esta enzima es sin embargo la propia Acetil-CoA: cuando está presente en altos niveles intracelulares induce su despolimerización en inhibición. A continuación actua la enzima AG sintasa: se trata de un importante complejo multienzimático típico, que cumple siete funciones distintas. En procariontes está constituída por siete proteínas distintas, mientras en los Animales se trata de nuevo de un Homodímero, con PM = 240.000 Da en cada subunidad. De hecho, cada subunidad contiene las siete actividades enzimáticas necesarias para la síntesis. Su mecanismo de acción para la síntesis de AG es un complejo proceso mediado exclusivamente por este complejo multienzimático. Presenta dos grupos tiólicos de especial importancia: Cys-SH. Para Acetil-CoA. Ser-(Resto de Fosfopanteteina). Para Malonil-CoA. 131 Fosfopanteteína Cisteamina El Resto de Fosfopanteteína incluye el ácido Pantotenoico, y tiene una estructura similar a la de la CoA. Esta unido a un residuo Ser de una proteína ACP (Acil Carried Protein), transportadora de Acilos. Es esencial para la biosíntesis de Ácidos Grasos tanto Eucariontes como procarionates. Además, cada subunidad contiene una molécula de ATP. Para comenzar, AG sintasa Transtioesterifica el Acetilo de una Acetil-CoA al extremo de su grupo Fosfopanteteína, liberando una molécula de CoASH, y lo transfiere a su grupo Cys-SH. A continuación, AG sintasa esterifica el Malonilo de una Malonil-CoA en el extremo de su grupo Fosfopanteteína, liberando de nuevo CoASH. AG sintasa CoASH S-CO-CH2-COO - CoASH Cys S-CO-CH3 -Cetoácido CO-CH2-CO-CH3 A continuación se produce la condensación de Acetilo y Malonilo, y consecuentemente la pérdida el CO2 que había sido incorporado por Acetil-CoA carboxilasa, creciendo la cadena en 2C. El producto restante es una molécula de Ceto-ácido, que queda unida al SH del resto de Fosfopanteteína. La descarboxilación del Malonilo proporciona la energía necesaria para la formación del nuevo enlace covalente (que a su vez proviene de un ATP). Entonces se produce la reducción del grupo Ceto del -Ceto-ácido. En primer lugar es reducido a CHOH a expensas de dos NADPH que va a ser oxidado. A continuación se forma un doble enlace liberádose una molécula de agua, y finalmente el doble enlace se reduce a enlace sencillo a expensas de otros dos NADPH. Todo ello sucede estando el grupo unido al resto de Fosfopanteteína. Finalmente, este grupo va a ser transferido a Cys-SH de la enzima. 132 S-CO-CH2-CO-CH3 2 NADPH 2 NADP+ S-CO-CH2-CHOH-CH3 H2O S-CO-CH CH-CH3 2 NADPH 2 NADP+ Cys-S-CO-CH2-CH2-CH3 Butiril-Enzima Este proceso biosintético necesita la captación de electrones, que son cedidos por NADPH. Aquí la ruta de las Pentosas fosfato adquiere una gran importancia, pues es capaz de proporcionar este NADPH. Por ello podemos considerar como los dos precursores de AG a Acetato (Acetil-CoA) y NADPH. En esta primera ronda hemos obtenido una molécula de ácido Butírico (AG de 4C) unido a la enzima. Sin embargo, esta cadena puede seguir creciendo por consecutivas repeticiones del conjunto de reacciones, que comenzaría por la unión de un nuevo resto de Malonil-CoA en el resto de Fosfopanteteína libre. Tras su condensación y reducción se obtendrá un AG de 6C, y así sucesivamente. El AG crece de 2C en 2C, lo que explica que los AG tengan número par de carbonos. El producto final de la síntesis de AG en Animales es Ácido Palmitito, y sin embargo, en Procariontes es Palmitoil-CoA. En la superficie de la enzima, el AG puede alargarse como máximo en 16C, y finalmente es liberado de ella por hidrólisis, por accíon de una actividad enzimática especial. Existen, sin embargo, en las células abundantes AG distintos, como por ejemplo Esteárico (18:0) u Oleico (18:1,9). Este último destaca entre los monoinsaturados. Van a existir en las células mecanismos de modificación de los AG endógenos (Palmítico), tanto de elongación como de desaturación. En el caso de la elongación, sucede en Mitocóndrias y Retículo Endoplásmico. El AG va a ser prolongado mediante sucesivas adiciones de Malonil-CoA (recordemos que es la forma activa de Acetil-CoA en síntesis de AG), y su consiguiente descarboxilación por un proceso muy similar al de AG sintasa. Para la desaturación entran en acción las enzimas Acil-CoA desaturasas, asociadas a la membrana del Retículo Endoplásmico, que median una reacción de oxidación. Necesita un mecanismo de transporte de electrones que se encuentra de hecho asociado también a la membrana del Retículo Endoplásmico. 133 Los animales somos incapaces de introducir desaturaciones por debajo del carbono 9’ desde el 16’, y carecemos de AG endógenos 3 y 6, importantes como vitaminas y para la membrana celular, y exclusivos de vegetales. La biosíntesis de AG, a pesar de poder acumular toda la Glucosa en exceso, esta sin embargo sometido a una regulación especial, centrada específicamente en la enzima Acetil-CoA carboxilasa, formadora del esencial Malonil-CoA. Esta enzima es activada por Citrato, y cuando sus niveles son bajos no hay síntesis de AG. En niveles altos, indica una fortísima actividad del ciclo TCA y de la Gluconeogénesis, por lo tanto altos niveles de Glucosa, de aporte de Acetil-CoA y de OA-, activándose la síntesis de AG. Es en cambio Inhibida por Acil-CoA, producto final de esta Biosíntesis: se trata de un sistema de Retroinhibición. 3 Vía del Citrato: Como vimos los precursores necesarios para esta Biosíntesis son Acetil-CoA, que cede átomos de carbono, y NADPH, que cede los electrones necesarios para la reducción. Sin embargo, la membrana interna mitocondrial es impermeable al Acetil-CoA formado a partir del Piruvato en el interior mitocondrial, y la síntesis ocurre en el Citosol. Para la biosíntesis de AG, Acetil-CoA debe salir de la mitocondria por una vía indirecta: la Vía del Citrato. Se trata de un sistema de transporte específico para Ácidos Tricarboxílicos que permite el transporte de Acetil-CoA sin gasto neto de Citrato. Int. Mitocondria Oxalacetato Citosol Acetil-CoA Piruvato Mbr. Int. Mitocondrial Citrato Acetil-CoA CO2 Malato Oxalacetato Citrato La primera reacción, que sucede en el interior mitocondrial, es propia del ciclo TCA. Condensa en Citrato Acetil-CoA + OA-. El Citrato puede atravesar la membrana mitocondrial y salir al citosol. En el Citosol tiene lugar la reacción catalizada por Citrato liasa, que escinde de nuevo el Citrato en OA- y Acetil-CoA, de tal manera que esta última puede incorporarse a las rutas de síntesis de AG. Esta reacción debe hidrolizar una 134 molécula de ATP en ADP + Pi, para formar el enlace de elevado contenido energético entre CoA-SH y Acetato. El Oxalacetato restante va a transformarse primero en Malato, y finalmente en Piruvato por acción respectiva de las enzimas Malato dh, que oxida un NADH para reducir OA-, y Malato dh NADP+ dep, que reduce un NADP+ para descarboxilación oxidativa de Malato. En NADPH procede generalmente de la Ruta de las Pentosas, pero puede de hecho proceder también de la Enzima Málica (Malato dh NADP+ dep) gracias a esta vía. De hecho, los NADPH con electrones cedidos a la síntesis de AG suelen provenir de la oxidación del Malato a Piruvato, que provienen a su vez de un NADH: OOC-CO-CH2-COONADH + H+ - OA- NAD+ OOC-CHOH-CH2-COOMalato NADP+ CO2 NADPH + H + OOC-CO-CH3 - Piruvato A su vez, el NADH del Citosol proviene de la Glicólisis, es decir, que dichos electrones provienen de la Glucosa de la dieta. Podemos deducir entonces que, aunque indirectamente, los dos precursores para la síntesis de AG provienen en realidad de la Glucosa Vía Glucólisis. Encontramos aquí una estrecha relación entre Metabolismo de Hidratos de Carbono y Metabolismo de Lípidos. 4 La Biosíntesis de Triglicéridos: Los precursores, AG y Glicerol, provienen de la Glucosa como acabamos de ver (Glicerol proviene de DHAP). Esta biosíntesis sucede también en el Citosol de las células. Algunas enzimas implicadas están asociadas a la Membrana del Retículo Endoplásmico. Glicerol va a sufrir tres acilaciones sucesivas (en cada grupo OH por una unión ester) formándose el Triglicérido. En un primer paso, DHAP es transformado por reducción en Glicerol-3-P, en una reacción reversible, y a expensas de un NADH, por acción de Glicerol-3-P dh. A continuación Glicerol-3-P sufre la primera acilación en su C 1’, a expensas de un Acil-CoA, gracias a Glicerofosfato acil-transferasa, liberándose CoASH. El producto es un Lisofosfatidato. Acto seguido, Lisofosfatidato aciltransferasa introduce en 2’ un segundo AG transportado en forma de Acil-CoA, formándose Fosfatidato. 135 Antes de la tercera acilación, debe tener lugar la hidrólisis del P de posición 3’, catalizada por Fosfatidato fosfohidrolasa. El resultado es un Diglicérido, precursor tanto de TG como de Fosfolípidos (PL). De esta manera, por último, Diglicerido acil-transferasa cataliza la esterificación del tercer AG de Acil-CoA, formándose así finalemente el TG. CH2OH-CO-CH2OPO32NADH + H+ NAD+ CH2OH-CHOH-CH2OPO32- Acil-CoA CoASH R1-COO-CH2-CHOH-CH2OPO3 2- Acil-CoA CoASH R1-COO-CH2-CH2-CH2OPO3 COO R2 2- H2O Pi R1-COO-CH2-CH2-CH2OH COO R2 Acil-CoA CoASH R1-COO-CH2-CH2-CH2-OOC-R3 COO R2 Las dos primeras enzimas Acil-transferasas introducen específicamente los AG en la posición que les corresponde. Glicerofosfato at selecciona además específicamente AG saturados, especialmente ácido Palmítico. Lisofosfatidato at suele introducir AG insaturados. De tal manera que prácticamente todos los TG y PL endógenos de las células animalespresentan sus posiciones 1’ y 2’ esterificadas respectivamente con un AG saturado y un AG insaturado. Sin embargo se encuentran excepciones como los PL de las glándulas mamarias, o los Fosfatidil Colina del material de recubrimiento alveolar, fundamental para los intercambios gaseosos: presenta Ácido Palmítico tanto en 1’ como en 2’. 5 Biosíntesis de Fosfolípidos a partir de Diglicéridos: Además de DG, esta síntesis (cuyos procesos son poco conocidos) necesita utilizar Bases Nitrogenadas como precursores. En primer lugar, la base es fosforilada a expensas de ATP. A contiuación tiene lugar la activación de la Base por CTP, de forma que su fosfato puede esterificarse en el carbono 4’ del DG, formándose finalmente el PL. Cabe destacar las similitudes entre Fosfatidil Colina, Serina, y Etanolamina, tanto que de hecho PC y PE sólo se distinguen en tres grupos metilo, y PS y PE por 136 un grupo carboxilo. Existen multitud de interrelaciones metabólicas entre estos tres PL mayoritarios. PE puede transformarse en PC por metilación directa. S-adenosil-metionina (Metionina activada) es el donador universal de grupos metilo. PE puede transformarse también en PS, por un intercambio de la Base completa, mientras PS puede pasar a PE por simple descarboxilación. 6 Biosíntesis de Colesterol a partir de HMG-CoA: Esta síntesis tiene también lugar en el Citosol celular. Sus precursores son Acetil-CoA y electrones provenientes del NADPH. De hecho, en las primeras etapas de su formación, las reacciones que tienen lugar y enzimas implicadas son idénticas a las de la síntesis de Cuerpos Cetónicos: esto es así hasta la formación de HMG-CoA (-Hidroxi--metil-Glutaril-CoA). En este caso, HMG-CoA va a ser reducido por HMG reductasa, formandose Mevalonato, a expensas de NADPH y liberandose CoASH. Este encima es de las más importantes de esta ruta, y está sometida a una fuerte regulación. HMG-CoA CoAS-CO-CH2-COH-CH2-COOCH3 NADPH + H+ CoASH + NADP+ HOH2C-CH2-COH-CH2-COOCH3 Mevalonato A continuación, el ácido Mevalónico va a ser fosforilado a la forma de PPi, a expensas de 2 ATP. Finalmente va a ser descarboxilado dando lugar al Isoprenil PP, precursor directo de todos los esteroides. Mevalonato HOH2C-CH2-COH-CH2-COO CH3 - 2 ATP 2 ADP Mevalonil PP O63-P2-O-CH2-CH2-COH-CH2-COOCH3 CO2 Isoprenil PP O63-P2-O-CH2-CH2-C CH2 CH3 137 A continuación tiene lugar la condensación de varias unidades de Isoprenil PP, y toda una serie de reacciones Metabólicas que desembocan en la formación del primer y fundamental esteroide: Lanosterol. A partir de este se pueden obtener todos los otros esteroides. Por ejemplo, para la formación de Colesterol deben sucederse otras 20 reacciones más. Principales pasos de Biosíntesis del Colesterol y otros Esteroides 7 Regulación de HMG reductasa: La regulación de esta enzima tiene de Nuevo lugar a dos niveles distintos. Para empezar es regulada por su cantidad en sangre. De hecho, cuando la dieta es rica en colesterol, la síntesis de esta enzima queda bloqueada. Por otro lado la enzima presente en células en un momento dado puede regular su actividad por dos vías distintas: 138 Niveles intracelulares de Mevalonato, compuesto que inhibe a la enzima. Regulación por modificación covalente de HMG reductasa inducida por hormonas. En este último caso, la regulación es análoga a la de muchas otras encimas, y se produce por fosforilación/desfosforilación. HMG reductasa kinasa puede fosforilar la enzima a expensas de ATP, volviéndola inactiva. Las Fosfoproteínas fosfatasas desfosforilan por hidrólisis (con consumo de H2O) a la enzima devolviéndola a su forma activa. HMG reductasa kinasa es a su vez fosforilada por otras kinasas; entre ellas encontramos las kinasas cAMP dependientes. Además las Fosfoproteínas fosfatasas son también las mismas que actuan en el metabolismo del Glucógeno: La fosforilación de enzimas suele inhibir los procesos Biosintéticos y favorecer los Degradativos. 139 IV/ Metabolismo de los Compuestos Nitrogenados: A/ METABOLISMO DE DEGRADACIÓN DE AMINOÁCIDOS: 1 Generalidades sobre el metabolismo general de los Aminoácidos: El conjunto de aminoácidos del organismo reciben el nombre de aa pool, y pueden tener dos procedencias distintas: de la dieta, o endógenos (de proteínas endógenas). ESQUEMA GENERAL Tubo digestivo Proteínas endógenas Aparato excretor aa pool Proteinas Aminoácidos Propionil-CoA Urea Esqueleto carbonado NH4+ Acetil-CoA; Acetoacetato; Piruvato; -Cetoglutarato; Succinil-CoA; Fumarato; OA- Purinas Pirimidinas Porfirinas Aminas ADN ARN La principal misión de los aa en nuestro organismo es la de servir como precursores para la biosíntesis de Proteínas. Además, son la principal fuente de Nitrógeno de la mayoría de organismos. Sin embargo, a diferencia de las grasas, la concentración de proteína permanece constante en el organismo, por lo que la mayor parte de los aa de la dieta deben ser metabolizados y utilizados como precursores para otras síntesis, o excretados. Como rutina diaria, una persona adulta suele recambiar (tanto degradar como sintetizar) unos 400 g de proteína. De tal manera, los aminoácidos de la dieta sirven tanto como precursores para compuestos nitrogenados (Naranja) gracias a los grupos amino, cómo como intermediarios del metabolismo central (azul) gracias al esqueleto carbonado. El nitrógeno en exceso tiende a formar amoníaco (NH4+); un compuesto altamente tóxico para las células que será excretado. 2 Digestión de Proteínas de la dieta: La primera etapa tiene lugar en el estómago. Determinadas células liberan Pepsinógeno; una proteasa en forma inactiva o Zimógeno. Esta es activada en el estómago por una modificación covalente facilitada por hidrólisis, formándose Pepsina, su forma activa. 140 La pepsina ataca a las proteínas ingeridas en la dieta, rompiendo ciertos enlaces peptídicos (hidrólisis parcial), transformándola en peptidos de tamaños variados y algunos aa libres. La segunda etapa comienza cuando el alimento alcanza el intestino delgado. Ahí se produce la hidrólisis completa de los resto de proteína en sus aminoácidos constituyentes. Esta hidrólisis es mediada por una Batería de proteasas producidas por el Páncreas; Tripsinógeno/Tripsina, Quimiotripsinógeno/Quimiotripsina, Proteoelastasa/Elastasa y Procarboxipeptidasa/Carboxipeptidasa, además de otras proteínas dedicadas a la digestión de otros compuestos. Estas proteínas son secretadas en forma de Zimógenos (Ver Parte I; IV/A/3), pues de nos ser así digerirían las células del tejido pancreático. Cuando sucede, se puede producir panceatitis aguda, acompañada de hemorragias y fuertes dolores. En sólo 12 horas el páncreas es digerido a líquido. Además las proteínas hidrolizadas pueden pasar a la sangre y extenderse por múltiples tejidos. 3 Desaminación de los aminoácidos: Como hemos visto, la mayor parte de estos aa van a ser catabolizados en rutas oxidativas. La degradación tiene lugar en dos etapas fundamentales: 1. aa es desaminado, produciendo Amoniaco y Esqueleto Carbonado. La mayor parte del Amoniaco, tóxico, será excretado. Una parte será utilizada en rutas de Biosíntesis de Compuestos nitrogenados. 2. El Esqueleto Carbonado es metabolizado de tal manera que puede incorporarse a las rutas centrales del metabolismo intermediario, siendo finalmente transformado en CO2, H2O y energía celular, o sirviendo como precursor para formar Glucosa … FORMAS MÁS ESTABLES DEL AMONIACO Gaseoso Acuoso NH3 NH3 + H2O NH4+ + OH- Existen varias reacciones de desaminación. Entre ellas, la primera en todos los aa, salvo Lys, Arg, y Tre, es una Transaminación facilitada por una enzima transaminasa (aminotransferasa) que utiliza como coenzima Piridoxal-P. Se produce, en concreto, la transferencia del grupo amino del aa a un -cetoácido resultando el -cetoácido del aa y el aa del -cetoácido. Se trata de una reacción perfectamente reversible (K = 1). 141 Piridoxal-fosfato es un compuesto fundamental en transaminasas, y tiene un importante papel como coenzima en el metabolismo, destacable en el de aminoácidos. Además, forma junto con Piridoxina y Piridoxamina la Vitamina B6. P Las transaminasas presentan un centro activo con dos localidades claramente diferenciadas para el aa y el -cetoácido. La mayor parte de este tipo de enzimas son de hecho específicas para el par -Cetoglutarato/ Glutamato. De hecho, la mayor parte de lo aa se transaminan con -Cetoglutarato, de manera que la mayor parte de los grupos amino de los aa en exceso van a aparecer como constituyente grupo amino de Glu. OOC-CH-NH3+ + -OOC-CH2-CH2-CO-COOR1 -Cetoglutarato - COOOOC-CO-R1 + -OOC-CH2-CH2-CH-NH3+ Ácido Glutámico La consecuencia de esto es que todo el exceso de aa de la dieta se van a traducir en la aparición de esa misma cantidad de -cetoácidos (esqueletos carbonados de los aa) y de Glutamato. Este aa posee una importante función aparte de ser parte constitutiva de proteínas: Recoge el exceso de Nitrógeno Amínico de los aminoácidos, transportándolo hasta una segunda reacción de desaminación de manera a introducirlo en el Ciclo de la Urea. La segunda reacción de desaminación es, de hecho, la desaminación oxidativa del Glutamato. Esta reacción, catalizada por Glutamato dh, es perfectamente reversible (K = 1). Reduce NAD(P)+. El sentido de la reacción depende fundamentalmente de las concentraciones de reactivos y productos. Sus productos son Amoniaco y -Cetoglutarato. En Eucariontes, esta enzima está presente en Mitocondrias y en el Citoplasma. COOOOC-CH2-CH2-CH-NH3+ NAD(P)+ H2O NAD(P)H + H+ OOC-CH2-CH2-CO-COO- + NH4+ - 142 PAPEL CENTRAL DEL GLUTAMATO EN EL METABOLISMO DE COMPUESTOS NITROGENADOS: aa -Cetoglutarato Transaminasa Glu -Cetoácido Gln NH4+ Glutamato dh CICLO DE LA UREA Entre otras funciones, Glu sirve como precursor en la síntesis de Glutamina (Glu), por unión de Amoniaco cuyo enlace de alta energía requiere la hidólisis de un ATP, gracias a la enzima Glutamina sintetasa. La reacción inversa es catalizada por otra enzima, la Glutaminasa, que cataliza la hidrólisis del enlace amida. COOH2O + ATP + OOC-CH2-CH2-CH-NH3 + NH4+ ADP + Pi COONH2-CO-CH2-CH2-CH-NH3+ H2O En los análisis de sangre, los niveles de transaminasas suelen ser tenidos en cuenta. En altos niveles puede provocar degeneración e inflamación hepáticas. Se miden en concreto las dos transaminasas más abundantes, GPT (GlutamatoPiruvato transaminasa) y GOT (Glutamato-OA- transaminasa), que transaminan, con el par -Cetoglutarato/Glutamato, la Ala formando Piruvato y el Asp formando OA- respectivamente. Cada aminoácido, después de desaminarse, tiene una ruta degradativa particular de forma que su esqueleto carbonado es transformado en un compuesto que puede incorporarse al metabolismo intermediario central, para formar energía o como precursor. 4 Eliminación del Amoniaco en exceso consumido por los organismos: En función de los organismos, existen tres sistemas de eliminación de este tóxico compuesto. Los más complejos están relacionados con adaptaciones a ambientes terrestres, donde la pérdida de agua debe ser minimizada. Seres Amoniotélicos: Se trata fundamentalmente del sistema utilizado por los microorganismos (seres constituídos por una o pocas células) y por aquellos seres que habitan en entorno acuoso. Eliminan el amoniaco como directamente al medio. Seres Ureotélicos: Muchos vertebrados. El amoniaco se transforma en Urea. Seres Uricotélicos: Aves y algunos Reptiles. El amoniaco se transforma en ácido Úrico. 143 El mecanismo mejor estudiado es el que se corresponde con el humano: Urotélico, por lo que nos centraremos en la biosíntesis de Urea. La síntesis de Urea tiene lugar en el hígado. De ahí, es cedida a la sangre de manera que finalmente es recogida por los riñones y eliminada en la orina. Por lo tanto, todo el exceso de N amínico que debe ser eliminado debe para comenzar llegar hasta el hígado. Salvo el músculo, la mayor parte de nuestros tejidos transaminan el exceso de los aa a Glu, y este va a ser transformado en Gln a expensas de otra molécula de amoniaco gracias a Glutamina sintetasa. La Glutamina es el aa con capacidad de transporte del NH4+ desde la mayor parte de los tejidos hasta el hígado, a través de la sangre. Una vez en el hígado, la acción sucesiva de Glutaminasa y Glutamato dh origina 2 NH4+ y -Cetoglutarato. En el caso del músculo, existe una gran cantidad de Piruvato producido por la oxidación de glucosa en la Glicólisis. En este tejido, los aa suelen transaminarse con el par Piruvato/Ala. Al igual que Gln, Ala es un aminoácido neutro capaz de transportar hasta el hígado el N amínico. Una vez el el hígado, Ala se transamina con el -Cetoglutarato formándose de nuevo Glu y piruvato. Finalmente, por acción de Glutamato dh, el amoniaco termina encontrándose también libre en el hígado, donde va a ser metabolizado para que pueda ser excretado posteriormente. El NH4+ libre del hígado será metabolizado en el Ciclo de la Urea: este ciclo fue también descubierto por Krebs, antes que el ciclo TCA. 5 El Ciclo de la Urea: Este ciclo comienza en la mitocondria hepática, y termina en el Citosol. La Urea formada puede ser transportada hasta los riñones a través de la sangre. En primer lugar actúa bicarbonato (CO2 + OH- HCO3-), que va a quedar fosforilado a expensas del Pi de un ATP y aminado a expensas del Amoniaco libre del Hígado. Se hidroliza otro ATP que aporta la energía necesaria para estos energéticos enlaces. La enzima intramitocondrial implicada en esta relación es Carbamoil-fosfato sintetasa I. 144 A continuación, Ornitina transcarbamilasa transfiere el resto Carbamoil-P al -aa no proteico Ornitina (muy similas a Lys), formándose así L-Citrulina. Citrulina es transportada, con el Amoniaco que antes se encontraba libre, hasta el citosol de la célula hepática. En el Citosol, Citrulinava a condensarse con un Asp a traves de su grupo amino, por acción de Arginosuccinato sintetasa, produciéndose el Arginosuccinato, a expensas de un ATP el cual se hidroliza en AMP + PPi, y luego PPi en 2 Pi. Arginosuccinato es hidrolizado por acción de Arginosuccinasa, produciendo Fumarato (esqueleto carbonado de Asp) por un lado, y Arginina (Arg). Este último aa proteico contiene de hecho 4 grupos Amina: uno es su grupo -amino, un segundo facilita la unión del Grupo Guanidio (CN 3H5+) con el esqueleto carbonado, otro proviene del amoniaco libre, y el tercero procedente de Asp; estos dos últimos van a ser excretados. El Fumarato formado va a ser transformado por las reacciones propias del TCA en OA-, de forma que este se transamina con Glu para dar Asp de nuevo. Por lo tanto, esta segunda amina procede en realidad también del Glutamato, aunque no por la desaminación de Glutamato dh. La Urea aparece en la última reacción de Hidrólisis del Carbono Arg catalizada por Arginasa. Se produce la hidrólisis del grupo Guanidio entre el nitrógeno integrado en el esqueleto carbonado y el Carbono constituyente. El resultado son Urea y Ornitina. La Urea pasa al torrente sanguíneo. La Ornitina va a ser transportada al interior de la mitocondria hepática, quedando así el ciclo cerrado. 6 Descarboxilación de aminoácidos: Las reacciones de Descarboxilación de aminoácidos son muy importantes para su utilización como precursores en rutas de Biosíntesis de Aminas de destacable importancia Fisiológica. Cada descarboxilación está catalizada por una enzima descarboxilasa específica, que utiliza como coenzima PiridoxalP, dando lugar a las correspondientes aminas de potentísimo efecto fisiológico. Hys es transformado en Histamina, potente vasodilatador relacionado con los procesos de Alergia. Trp es transformado en Serotonina, importantísimo neurotransmisor relacionado con las sensaciones de Tristeza, Ansiedad y Bienestar. En un primer paso, es Hidroxilada por Hidrolasa, y a continuación descarboxilada. Prozac es un fármaco que actúa inhibiendo la unión de Serotonina en sus receptores. 145 H2 O CO2 Tyr es transformado, por carboxilación previa hidroxilación, en una serie de aminas muy importantes como son Noradrenalina y Adrenalina, y neurotransmisores como Dopamina (neurotransmisión adrenérgica). Dopamina es un NT relacionado con sensaciones de Placer y Júbilo. Se piensa que está relacionada con la adicción a las drogas, y que en bajos niveles puede estar relacionada con el Parkinson. H2 O CO2 146 Glu se transforma en Aminobutírico (GABA). Tanto Glu de por sí como GABA son importantes NT: Glu es un NT excitante, mientras GABA inhibe la transmisión de ciertos impulsos nerviosos. El Glutamato monosódico, sintetizado a nivel industrial vía fermentación por microorganismos, potencia de forma sinérgica el sabor de los alimentos. Se utiliza como componente de Sopas preparadas, Avecrem, salsa de Soja… En oriente este compuesto es muy utilizado. Ajinomoto es una sal que es muy común en países orientales, como china, desde que fue fabricada industrialmente por primera vez, por una empresa japonesa. Recibe el nombre de síndrome del Restaurante chino a toda una serie de alteraciones metabólicas que afectan al sistema nervioso central. El exceso de Glu, por su acción como NT, excita las neuronas produciendo nerviosismo y en algunos casos dolor de cabeza. 7 Metabolismo del Propionil-CoA: Propionil-CoA es un metabolito de tres átomos de carbono, que puede resultar tanto de la degradación del esqueleto carbonado de los aminoácidos, como de la -oxidación de AG. En este último caso es un producto minoritario ya que en la mayoría de AG el metabolismo trabaja con números pares de átomos de carbono y el producto es Acetil-CoA. 147 Una serie de dos reacciones va a permitir la entrada de estos compuestos carbonados en el metabolismo intermediario central, gracias en concreto a su transformación en Succinil-CoA. 2 1 Esqueleto carbonado de aa 1 2 En primer lugar, Propionil-CoA sufre una carboxilación a expensas de un ATP, catalizada por Propionil-CoA carboxilasa + coenzima Biotina. El resultado, Acetil-Malonil-CoA (Metilmalonil-CoA) es sometido a una isomerización catalizada por una enzima Mutasa, que utiliza como coenzima Vitamina B12 (covitamina de estructura muy compleja). Sorprendentemente, es capaz de cambiar de lugar, selectivamente, un átomo de C y uno de H. La carencia de Vitamina B12 es una patología frecuente conocida como Anemia perniciosa. El motivo de esta carencia es la ausencia de Glicoproteínas que transportan esta vitamina a través de las células intestinales: las Transcobalaminas. Esta vitamina es un compuesto bioquímico de alta importancia metabólica. Por lo común una persona presenta 1,8 g en su cuerpo. Para tratar la anemia, se debe alimentar frecuentemente el hígado con fuertes dosis de Vitamina B12. 148 B/ METABOLISMO DEL FRAGMENTO MONOCARBONADO: 1 Generalidades sobre el metabolismo del Fragmento Monocarbonado: El Fragmento Monocarbonado (FMC) es el metabolito de un solo átomo de Carbono de menor estado de oxidación que CO2. Tiene una gran importancia en el metabolismo de Compuestos Nitrogenados, pues sirve como precursor en mútiples vías de Biosíntesis (síntesis de Aminoácidos, síntesis de Bases Nitrogenadas). Principales Fragmentos Monocarbonados (de menor a mayor estado de oxidación) Máximo estado de oxidación del Carbono. Grupo Metilo Metileno Metilideno Aldehído Cetónico Dióxido de Carbono (inorgánico) Fórmula -CH3 -CH2-CH-CHO -COCO2 No se trata de una carboxilación común, a expensas de dióxido de carbono, sino que se trata de la adición de un carbono de un metabolito orgánico de menor estado de oxidación que el primero. Gran parte de las reacciones de este conjunto están catalizadas por enzimas que utilizan como coenzima la forma reducida del ácido Fólico, Ácido Tetrahidrofólico (FH4 / N5N10 Metilen FH4), y sus derivados: Los Folatos. Estos compuestos se encuentran en especial abundancia en verduras de color verde, como las acelgas y espinacas. Su deficiencia conduce a Anemias con debilidad. Es especialmente peligroso en mujeres encinta, pues puede conducir en deficiencias en el hijo. La forma Reducida FH4 es la más importante por su función de Coenzima, capaz de transportar los FMC. Los dobles enlaces entre los carbonos 5’ y 6’ y los carbonos 7’ y 8’ quedan reducidos por la unión de cuatro átomos de H. La parte más importante en la transferencia de FMC son los elementos N 5’, C 9’, y N 10’. 149 N5N10 Metilen Tetrahidrofólico 2 Origen del Fragmento Monocarbonado: FMC encuentra su origen en el aa Ser, en forma Metileno, gracias a la reacción más importante del metabolismo del FMC. Está catalizada por Serina hidroximetil transferasa + coenzima Piridoxal P. Se transfiere el grupo Metileno de Ser (carbono ) quedando Glicocola, al FH4 en sus N5 y N10 formando N5N10 Metilen Tetrahidrofólico, en una reacción perfectamente reversible que puede suceder tanto en uno como en otro sentido. El Metileno puede reducirse a Metilo gracias a expensas de NADH, quedando solamente unido a N5, formando N5 Metil Tetrahidrofólico. De tal manera el Metilo puede ser empleado como precursor para Metionina. Este aminoácido activado se transforma en Donador Universal de Grupos Metilo. Por otro lado, el Metileno de FH4 puede servir como precursor de Timina, fundamental en el metabolismo del ADN. Además puede oxidarse por una dh NAD+ dep transformándose en Metilideno (de máximo estado de oxidación, igual que aldehído y Ceto), y formándose así N5N10 Metiliden Tetrahidrofólico. Los FMC más oxidados suelen servir como precursores para Bases Nitrogenadas Púricas. 3 La Metionina como Donador Universal de grupos Metilo: Durante la activación de la Metionina, se une a su S (formando un grupo Sulfonio S+) el Nucleósido Adenosina, proveniente de un ATP. PPP se hidroliza a PPi + Pi, y a continuación a 3 Pi. Dicha energía es empleada para la formación de este inestable compuesto, gracias también a la acción enzimática. 150 Se forma así S-Adenosil Metionina: Una molécula extraordinariamente inestable, con altísima tendencia a ceder el grupo Metilo que se encuentra unido al S de Met. Adenina S-Adenosil Metionina Metionina Ribosa A partir de este compuesto se producen las reacciones de Metilación del metabolismo. La metilación de un aceptor produce S-Adenosil Homocisteína y Aceptor-CH3. La posterior escisión espontánea de Adenosina forma el aminoácido Homocys: el grupo metilo extremo de Met ha sido transferido de manera que se forma este aa, similar a Cys pero con un carbono más. Altos niveles de Homocys son perjudiciales para el organismo, ademas Met debe ser recuperado. Aquí entra en acción N5 Metil Tetrahidrofólico, que cede por metilación el FMC para esta reacción, recuperándose Met, en la reacción catalizada por Homocys-FH4 metil transferasa + coenzima Vit B12. La acumulación de Homocys puede desencadenar potentes enfermedades cardiovasculares, y su relación con el Alzeimer está casi demostrada (lesión de vasos sanguíneos cerebrales). Deben administrarse Folatos y Vit B12. 4 Biosíntesis de Aminoácidos: Los microorganismos procariontes son capaces de biosintetizar todos los aminoácidos proteicos a partir de sales Amoniacales o Amoniaco. Los animales no podemos sintetizar todos. Los Aminoácidos Esenciales son aquellos que deben ser recibidos en la dieta, y son distintos en cada especie. La variedad de la dieta es muy importante por los aa esenciales. Cada aa tiene su vía de síntesis particular. Las Familias Biosintéticas de aa son grupos de aa que son sintetizados a partir de un mismo precursor, como OA-, PEP, o 3-Fosfoglicerato (la mayoría de ellos son hidratos de carbono del metabolismo intermediario central). Los piensos para animales deben ser preparados por ello con el conjunto de los 20 aa proteicos. Los Piensos Compuestos se forman con varias materias primas todas ellas distintas. Por ejemplo, un pienso 100 % trigo carece de Lys. 151 5 Biosíntesis de Nucleósidos Púricos: Los principales precursores de los Nucleósidos es la Ribosa-5-P y las Bases Nitrogenadas, obtenida en la vía de las Pentosas, y las Bases Nitrogenadas. La Ribosa debe ser primero activada, para poder unirse a continuación a su Base Nitrogenada. Para ello se produce la reacción catalizada por Ribosa-5-P pirofosfokinasa, durante la cual se produce la unión en C 1’ del PPi (liberandose AMP). El producto es la Ribosa activada, 5-Fosforribosil-1-PP (PRPP). A partir de aquí se construye, elemento por elemento, el anillo de la Base Púrica. Varios precursores reaccionan uno detrás de otro, contruyendo el anillo: Amina de Asp CO2 Gly N10 Formil FH4 N10 Formil FH4 Amidas de Gln El producto final de la síntesis de una Purina sobre la ribosa es IMP; Inopina Mono Fosfato 9 (unida por su N ). Este producto será transformado por otra serie de reacciones en AMP y GMP, Nucleósidos esenciales para ARN y ADN. N1 procede en concreto de Asp por una reacción idéntica a la que sucede en el Ciclo de la Urea. 152 6 Biosíntesis de Nucleósidos Pirimidínicos: A diferencia del caso anterior, aquí se síntetiza la Base Pirimidínica de manera independiente a la Ribosa activada, y finalmente las dos moléculas son unidas. Los precursores son CO2, Gln y Asp. 153 Para comenzar se produce la síntesis de Carbamoil-P por acción de la enzima citoplasmática Carbamoil-fosfato sintetasa II, análoga a Carbamoil-fosfato sintetasa I intramitocondrial del Ciclo de la Urea. Utiliza en lugar de Amoniaco libre el grupo amino de Gln, y un CO2, formando Carbamoil-P. A continuación, Aspartato-Carbamoil transferasa une en forma de anillo ambas moléculas, formando finalmente la Pirimidina y un Pi libre: el ácido Orótico. Su correcto procesamiento metabólico da lugar a Uracilo UMP, que va a ser fosforilado por dos ATP en UTP, pudiendo entonces ser transformado, a expensas de la amina de Gln y un ATP, en CTP. 7 Biosíntesis de Desoxirribonucleótidos: Su síntesis utiliza un Ribonucleótido difosfato o trifosfato como precursor. Este va a ser transformado en su desoxirribonucleótido por acción de Ribonucleótido reductasa. La síntesis de Timina se inicia en desoxi-UMP, que va ser transformada en dTMP por Metilación a expensas de N5N10 Metilen FH4, donador universal de FMC, gracias a la enzima Timidilato sintasa. N5N10 Metilen FH4 FH4 Gly Ser Serina hidroximetil reductasa NADP+ FH2 NADPH Dihidrofolato reductasa El conjunto absoluto de estas reacciones es imprescindible para la síntesis y el metabolismo de ADN y ARN, siendo la única vía de formación de algunos nucleótidos como Timina. El descubrimiento de esta última vía ha sido fundamental para el desarrollo de Quimioterápidos Anticancerígenos. Los blancos de estos fármacos son Inhibilato 154 sintasa y Dihidrofolato reductasa. Inhibiendo la síntesis de Timina se puede refrenar el crecimiento tumoral y eliminar a las células cancerígenas. Para el tratamiento de leucemias infantiles pueden suelen ser tratadas con la presencia de Metotexato en dosis letales durante varias horas. Este compuesto es un análogo de los Folatos, que inhibe la acción de Dihidrofolato reductasa. Para la recuperación del paciente se debe introducir altísimas dosis de Timina y/o derivados del ácido Fólico. 8 Catabolismo de Nucleósidos: El catabolismo de Nucleósidos es un proceso común para todos los compuestos de esta naturaleza. Tiene lugar en tres principales pasos: 1. Desaminación de la BN. 2. Eliminación del resto Ribosa-P. 3. Degradación de los productos carbonados. En humanos, el producto final de N de Purinas forma ácido úrico, y va a ser excretado en la orina. Los altos niveles de ácido úrico por una alteración metaboólica pueden acumularse en las articulaciones siendo responsable de patologías como Artritis o Gota. Las pirimidinas son metabolizadas de forma que se integran en el metabolismo intermediario central. La ausencia del gen que codifica Adenosina desaminasa conduce a la Inmunodeficiencia severa. Esta patología responsable de la formación de gran cantidad de dATP a partir de desoxiadenosina, que por retroinhibición inhibe a las otras Nucleótido reductasa impidiendo la síntesis de los otros Nucleótidos Trifosfato. Se traduce en el bloqueo de la síntesis de DNA en Linfocitos, y la muerte de dichas células. 155
