- Estrategia del metabolismo:
Recapitulación - Mecanismos frecuentes en la
regulación metabólica - Principales vías
metabólicas y centros de control - Conexiones claves:
Glucosa-6-fosfato, Piruvato y Acetil-CoA - Perfiles metabólicos de
los órganos más importantes
Estrategia del
metabolismo:
Recapitulación
La estrategia
básica del metabolismo es
formar ATP, poder reductor
y precursores para la biosíntesis. Revisemos brevemente estos
temas centrales:
El ATP es la unidad biológica universal de
energía. El elevado potencial para transferir grupos
fosforilos capacita al ATP para ser utilizado como fuente de
energía en la contracción muscular, transporte
activo, amplificación de señales y biosíntesis.
El ATP se genera en la oxidación de
moléculas combustibles, como glucosa, ácidos
grasos y aminoácidos. El intermediario común en
la mayoría de estas oxidaciones es el acetil-CoA. Los
carbonos del fragmento acetilo se oxidan completamente a
CO2 en el ciclo del ácido cítrico, con
formación simultánea de NADH y FADH2,
que transfieren sus electrones de elevado potencial a la cadena
respiratoria, con formación final de ATP. La
glucólisis es otro proceso
generador de ATP, pero la cantidad que se forma es mucho menor
que en la fosforilación oxidativa (2 vrs. 30 0 32
ATP‘s). Sin embargo, la glucólisis puede
transcurrir rápidamente durante un corto tiempo en
condiciones anaeróbicas, mientras que la
fosforilación oxidativa requiere del suministro
continuado de O2.
El NADPH es el principal dador de electrones en las
biosíntesis reductoras. En la mayoría de la
biosíntesis, los productos
finales están más reducidos que sus precursores,
y por ello, requieren, además de ATP, un poder
reductor, los cuales proceden normalmente del NADPH. La
vía de las pentosas fosfato suministra gran parte del
NADPH que se necesita.
Las biomoléculas se construyen a partir de una
serie relativamente pequeña de precursores. Las variadas
moléculas de los seres vivos se sintetizan a partir de
un número mucho menor de precursores. Por ej.: la
dihidroxiacetona fosfato formada en la glucólisis
proporciona el esqueleto central de glicerol de fosfatidato
(fosfolípidos y triacilglicéridos);
fosfoenolpiruvato, otro intermediario de la glucólisis,
suministra parte del esqueleto carbonado de los a.a.
aromáticos; el acetil-CoA proporciona fragmentos
dicarbonados para una amplia gama de biosíntesis; el
succinil-CoA, formado en el ciclo del ácido
cítrico, es uno de los precursores de las porfirinas; la
ribosa-5-fosfato, formada junto con el NADPH en la vía
de las pentosas fosfato, es la fuente del azúcar de los nucleótidos.
Las vías biosintéticas y degradativas son
casi siempre diferentes. Por ej. la vía de síntesis
de ácidos
grasos es diferente de la de su degradación. Esta
separación posibilita que las vías
biosintéticas y degradativas sean
termodinámicamente favorables en todo momento; esta
separación contribuye, además, en gran manera a
la efectividad del control
metabólico.
Mecanismos frecuentes en
la regulación metabólica
La compleja red de reacciones en
la
célula está regulada y coordinada con
precisión. El metabolismo puede controlarse de varias
maneras:
Interacciones alostéricas. El flujo de
moléculas en la mayoría de las vías
metabólicas viene determinado fundamentalmente por las
cantidades y actividades de ciertas enzimas; los
puntos de control son
generalmente reacciones esencialmente irreversibles. La primera
reacción irreversible de una vía (etapa
limitante) es normalmente un importante elemento de control.
Las enzimas que
catalizan etapas limitantes están reguladas
alostéricamente, como por ej. La PFK de la
glucólisis
Modificación covalente. Muchas enzimas
reguladoras, además del control alostérico,
están controlados por modificación covalente. Por
ej. la actividad de la glucógeno fosforilasa aumenta
mediante la fosforilación de la enzima, mientras que la
glucógeno sintasa ocurre lo contrario. Estas
modificaciones covalentes están catalizadas por enzimas
específicas.
Niveles enzimáticos. Las cantidades de enzimas, al
igual que sus actividades están controladas. Las
velocidades de síntesis
y de degradación de algunas anzimas reguladoras
están sometidas a control hormonal.
Compartimentación. La pauta metabólica de
las células
eucarióticas está considerablemente afectada por
la existencia de compartimientos. La glucólisis, la
vía de las pentosas fosfato y la síntesis de
ácidos grasos tienen lugar en el citosol, mientras que
la oxidación de ácidos grasos, ciclo del
ácido cítrico y la fosforilación oxidativa
se realizan en la mitocondria. Algunos procesos,
como la gluconeogénesis y la síntesis de la urea,
dependen de un juego de
reacciones que transcurren en ambos compartimientos (fig. ).El
destino de determinadas moléculas dependen de si
están en el citosol o en la mitocondria. Por ej., los
ácidos grasos transportados al interior de la
mitocondria se degradan rápidamente, a diferencia de los
ácidos grasos del citosol, que son esterificados o
excretados.
Especializaciones metabólicas de los
órganos. La regulación en eucariotes superiores
está profundamente afectada y favorecida por la
existencia de órganos con funciones
metabólicas distintas, cuyas interacciones estudiaremos
más adelante.
Principales vías
metabólicas y centros de control
Recordaremos el papel de las
principales vías del metabolismo y sus centros de
control.
Glucólisis. Secuencia de reacciones del citosol
que transforma la glucosa en 2 moléculas de piruvato,
con la generación simultánea de 2 ATPs y 2 NADHs.
El NAD+ debe regenerarse para que la
glucólisis pueda continuar. En condiciones
anaeróbicas, como las que se dan en el músculo
esquelético muy activo, esto se logra reduciendo el
piruvato a lactato; en cambio en
condiciones aeróbicas, el NAD+ se regenera
por transferencia de electrones del NADH al O2 a
través de la cadena respiratoria. La velocidad de
transformación de la glucosa en piruvato está
regulada : la fosfofructoquinasa, que cataliza la etapa
limitante de la glucólisis, es el centro de control
más importante (fig. ). Un nivel elevado de ATP inhibe
la PFK, que también es inhibida por el citrato, y se
revierte por el AMP. En el hígado el regulador
más importante de la actividad de la PFK es la
fructosa-2,6-bifosfato. Cuando la glucemia es baja, una cascada
de reacciones desencadenadas por el glucagón, conduce a
una disminución en los niveles de
fructosa-2,6-bifosfato, provocando la desactivación de
la PFK, y por tanto, frenando la glucólisis. En el
músculo, la PFK se controla de manera diferente. La
adrenalina estimula la glucólisis en el músculo,
pero la inhibe en el hígado. El incremento en la
glucogenolisis hepática, inducida por adrenalina, sirve
para suministrar glucosa al músculo, que la consume
rápidamente para generar ATP, para su actividad
contráctil.
Ciclo del ácido cítrico. La vía
final común para la oxidación de las
moléculas combustibles –carbohidratos, aminoácidos y
ácidos grasos- tiene lugar en el interior de la
mitocondria. La mayoría de los combustibles entran en el
ciclo en forma de acetil-CoA. La oxidación completa de
una unidad de acetilo genera 1 GTP, 3 NADH y 1
FADH2. Estos cuatro pares de electrones se
transfieren al O2 a través de la cadena de
transporte
de electrones, de lo que resulta la formación de un
gradiente de protones responsable de la síntesis de 9
ATP. La abundancia de ATP también disminuye la actividad
de 3 enzimas del ciclo: citrato sintasa, isocitrato
deshidrogenasa y -cetoglutarato deshidrogenasa. El
ciclo del ácido cítrico también tiene una
función anabólica, suministrando
intermediarios para la biosíntesis, tales como el
succinil-CoA, origen de las porfirinas.
Vía de las pentosas fosfato. Estas reacciones que
ocurren en el citosol cumple con 2 funciones:
genera NADPH para las biosíntesis reductoras y
ribosa-5-fosfato para la síntesis de nucleótidos.
En la conversión de la glucosa-6-fosfato en
ribosa-5-fosfato se generan 2 NADPH. El grupo
fosforilo de más del NADPH lo distingue del NADH. Esta
diferencia permite que coexistan en el mismo compartimiento una
relación elevada NADPH/ NADP+ y otra
relación elevada NAD+/NADH. Como
consecuencia, pueden transcurrir, simultáneamente y a
gran velocidad,
la glucólisis y la biosíntesis reductora.
Gluconeogénesis. La glucosa puede sintetizarse, en
hígado y riñón, a partir de precursores no
glucídicos como lactato, glicerol y aminoácidos.
El principal punto de entrada en esta vía es el piruvato
que, en la mitocondria, se carboxila a oxalacetato. En el
citosol, el oxalacetato se decarboxila y fosforila para formar
fosfoenolpiruvato. La gluconeogénesis y la
glucólisis están normalmente reguladas en forma
recíproca, de modo que una de las vías
está detenida cuando la otra es muy activa. Por ej., el
AMP inhibe y el citrato activa la fructosa-1,6-bifosfatasa, una
enzima clave de la gluconeogénesis (fig. ), mientras que
las moléculas tienen efectos opuestos sobre la PFK,
enzima regulador de la glucolisis. La fructosa-2,6-bifosfato
también coordina estos procesos
porque inhibe a la fructosa-1,6-bifosfatasa. Así pues,
cuando la glucosa abunda, el nivel elevado, el nivel elevado de
F-2,6-BP inhibe la gluconeogénesis y activa la
glucólisis.
Síntesis y degradación del
glucógeno. El intermediario activado de su
síntesis es la UDP-glucosa, que se forma a partir de
glucosa-1-fosfato y UTP. La glucógeno sintasa cataliza
la transferencia de glucosa desde la UDP-glucosa al hidroxilo
terminal de una cadena en crecimiento. El glucógeno se
degrada por una vía diferente. La glucógeno
fosforilasa cataliza la escisión del glucógeno
formando glucosa-1-fosfato. La síntesis y
degradación del glucógeno están
controladas coordinadamente por una cascada amplificadora
disparada por hormonas, de
modo que la sintasa es inactiva cuando la fosforilasa es activa
y viceversa.. Estas enzimas están controladas por
fosforilación y por interacciones alostéricas no
covalentes.
La síntesis y degradación de los
ácidos grasos. Los ácidos grasos se sintetizan en
el citosol por adición de fragmentos dicarbonados a una
cadena creciente anclada en una proteína portadora de
acilos. El intermediario activado, malonil-CoA, se forma por
carboxilación de acetil-CoA. Los grupos acetilo
son transportados de la mitocondria al citosol mediante la
lanzadera citrato-malato. En el citosol, el citrato estimula la
acetil-CoA carboxilasa, la enzima que que cataliza la etapa
limitante (fig. ). Cuando abunda el ATP y el acetil-CoA, el
nivel de citrato aumenta, y ello acelera la velocidad de
síntesis de ácidos grasos. Los ácidos
graso se degradan siguiendo una vía diferente y en un
compartimiento distinto ( -oxidación
mitocondrial). Si el suministro de oxalacetato es suficiente,
el acetil-CoA entra en el ciclo del ácido
cítrico; en caso contrario, el acetil-CoA puede
convertirse en cuerpos cetónicos. El FADH2 y
el NADH, formados en la vía de la
-oxidación, transfieren sus electrones al O2
a través de la cadena respiratoria.
Conexiones claves:
Glucosa-6-fosfato, Piruvato y Acetil-CoA
Los factores que regulan el flujo de moléculas en el
metabolismo pueden comprenderse mejor examinando 3 puntos claves:
la glucosa-6-fosfato, el piruvato y el acetil-CoA. Cada una de
ellas tiene varios destinos diferentes:
Glucosa-6-fosfato
La glucosa que entra en la célula se
fosforila rápidamente a glucosa-6-fosfato, la cuál
puede almacenarse como glucógeno, degradarse vía
piruvato o convertirse en ribosa-5-fosfato (fig.). Cuando la
glucosa-6-fosfato y el ATP abundan se forma glucógeno. Por
el contrario, cuando se requiere ATP o esqueletos carbonados para
la biosíntesis, la glucosa-6-fosfato se degrada por la
vía glicolítica. El tercer destino principal de la
glucosa-6-fosfato es transformarse, a través de la
vía de las pentosas fosfato, y suministrar NADPH para las
biosíntesis reductoras, y ribosa-5-fosfato para la
síntesis de nucleótidos. La glucosa-6-fosfato puede
formarse por movilización del glucógeno o puede
sintetizarse por la vía gluconeogénica a partir de
piruvato y aminoácidos glucogénicos. Tal como
veremos enseguida, el bajo nivel de glucosa en sangre estimula
tanto la gluconeogénesis como la glucogenolisis, tanto en
el hígado como en el riñón. Estos
órganos se distinguen por tener glucosa-6-fosfatasa, que
posibilita la liberación de glucosa hacia la sangre.
Piruvato
El piruvato deriva fundamentalmente de la glucosa-6-fosfato,
del lactato y de la alanina (fig.). La fácil
reducción del piruvato catalizada por la lactato
deshidrogenasa sirve para generar NAD+, el cual a su
vez, permite que la glicolisis pueda proseguir de modo
transitorio en condiciones anaeróbicas. El lactato que se
forma en los tejidos activos, como el
músculo en contracción, se oxida seguidamente a
piruvato, principalmente en el hígado. Otra
reacción fácilmente reversible en el citosol, es la
transaminación del piruvato ( -cetoácido) a
alanina; de modo recíproco, se pueden convertir
aminoácidos en piruvato. Así pues, la
transaminación constituye la principal conexión
entre el metabolismo de aminoácidos y de azúcares.
Un tercer destino del piruvato es su carboxilación a
oxalacetato en el interior de la mitocondria. Esta
reacción y la posterior conversión del oxalacetato
en fosfoenolpiruvato evita una etapa irreversible de la
glicolisis y permite así sintetizar glucosa a partir de
piruvato. La carboxilación del piruvato es también
importante para reponer los intermediarios del ciclo del
ácido cítrico. Cuando éste ciclo es
insuficiente debido a la escasez de oxalacetato, la
síntesis de este compuesto se ve favorecida por la
activación de la piruvato carboxilasa, gracias a la
acción del acetil-CoA. Por otro lado, cuando el ciclo del
ácido cítrico queda inhibido por la abundancia de
ATP, el oxalacetato, sintetizado a partir del piruvato, se
desvía hacia la vía gluconeogénica. El
cuarto destino del piruvato es su descarboxilación
oxidativa a acetil-CoA. Esta reacción irreversible,
llevada a cabo en el interior de la mitocondria, es decisiva en
el metabolismo: compromete los átomos de carbono de los
azúcares y aminoácidos hacia su oxidación en
el ciclo del ácido cítrico o hacia la
síntesis de lípidos.
Acetil-CoA
Las principales fuentes de
este fragmento dicarbonado activo son la descarboxilación
oxidativa del piruvato y la -oxidación de los
ácidos grasos (fig.). El acetil-CoA también puede
derivar de los a.a. cetogénicos. El destino del
acetil-CoA, a diferencia de muchas moléculas del
metabolismo, es muy restringido. El fragmento acetilo puede
oxidarse completamente a CO2 en el ciclo del
ácido cítrico. Por otra parte, 3 moléculas
de acetil-CoA pueden formar 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA. Esta
unidad de 6 carbonos es precursor del colesterol y de los cuerpos
cetónicos, que son formas de transporte de acetilos entre
el hígado y algunos tejidos periféricos. El tercer destino importante
del acetil-CoA consiste en su salida al citosol en forma de
citrato, para allí sintetizar ácidos grasos. Es
importante reiterar que el acetil-CoA en los mamíferos no puede convertirse en piruvato
(los mamíferos son incapaces de transformar los
lípidos en
carbohidratos).
Perfiles metabólicos de
los órganos más importantes
Las pautas metabólicas de cerebro,
músculo, tejido adiposo e hígado son profundamente
distintas. Consideremos en qué se diferencian estos
órganos con respecto a la utilización de
combustibles para satisfacer sus necesidades
energéticas.
Cerebro
La glucosa es practicamente el único combustible
utilizado por el cerebro humano,
excepto durante el ayuno prolongado. El cerebro carece de
almacenamiento
de combustible y, por consiguiente, requiere un suministro
continuo de glucosa, que entra con facilidad en todo momento. El
cerebro consume unos 120 g de glucosa al día (equivale a
unas 420 kcal). En estado de
reposo el cerebro utiliza el 60% de la glucosa total consumida
por el organismo entero. Las medidas de resonancia
magnética nuclear han demostrado que la
concentración de glucosa en el cerebro es aproximadamente
1 mM cuando el nivel en plasma es de 4.7 mM (84.7 mg/dl), un
valor normal
(fig. ). Cuando el nivel de glucosa se aproxima a la Km de la
hexoquinasa (~ 50µM), la glicolisis se hace más
lenta. Este peligroso momento se da cuando el nivel de glucosa en
sangre disminuye hasta 2.2 mM (39.6 mg/dl).
Durante el ayuno prolongado, los cuerpos cetónicos
(acetoacetato y 3-hidroxibutirato), sintetizados en el
hígado, reemplazan en parte a la glucosa como combustibles
cerebrales. El acetoacetato se activa mediante la transferencia
de CoA procedente de succinil-CoA y así se convierte en
acetoacetil-CoA, que entra en el ciclo del ácido
cítrico (fig. ). Los ácidos grasos no sirven como
combustibles cerebral porque están unidos a la
albúmina en el plasma, y en consecuencia , no pueden
atravesar la barrera hematoencefálica. En el fondo, los
cuerpos cetónicos son equivalentes a ácidos grasos
transportables.
Músculo
Los principales combustibles del músculo son: glucosa,
ácidos grasos y cuerpos cetónicos. El
músculo difiere del cerebro en que posee un gran almacenamiento de
glucógeno (1200 kcal). De hecho las ¾ partes del
glucógeno corporal están almacenadas en el
músculo (tabla ). Este glucógeno se convierte
fácilmente en glucosa-6-fosfato para su utilización
por las células
musculares. El músculo, como el cerebro carece de
glucosa-6-fosfatasa, y de este modo no puede liberar glucosa.
Más bién, el músculo retiene la glucosa, el
mejor combustible para su proceso de
actividad.
En el músculo esquelético en contracción
activa, la velocidad de la glicolisis excede, con mucho, a la del
ciclo del ácido cítrico. La mayor parte del
piruvato formado en estas condiciones se reduce a lactato, que
fluye hacia el hígado, donde se convierte en glucosa (fig.
). Estos intercambios, conocidos como ciclo de Cori, trasladan
parte de la carga metabólica del músculo al
hígado. Además en el músculo activo, se
forma gran cantidad de alanina por transaminación de
piruvato (piruvato + glutamato alanina +
-cetoglutarato). En el hígado, la alanina, como el
lactato, puede reconvertirse en glucosa.
La conducta
metabólica del músculo en reposo es completamente
distinta. En el músculo en reposo, el combustible
principal son los ácidos grasos. Los cuerpos
cetónicos sirven también de combustible para el
músculo cardiaco. De hecho, el músculo del corazón
consume con preferencia acetato en vez de glucosa.
Tejido adiposo
Los triacilgliceroles almacenados en el tejido adiposo
constituyen un enorme depósito de combustible
metabólico. En un hombre de 70
kg el contenido energético ed de 135,000 kcal. El tejido
adiposo está especializado en la esterificación de
los ácidos grasos y en su liberación de los TAG. En
el hombre, el
hígado es el principal centro de síntesis de
ácidos grasos, mientras que el principal trabajo
biosintético del tejido adiposo consiste en activar estos
ácidos grasos y transferir los acetil-CoA resultantes al
glicerol. El glicerol-3-fosfato, un intermediario clave en esta
biosíntesis, procede de la reducción de la
dihidroxiacetona fosfato, formada a partir de glucosa en la
vía glucolítica. Las células adiposas son
incapaces de fosforilar el glicerol endógeno, poeque
carecen de quinasa. Así pues, las células adiposas
necesitan glucosa para sintetizar triacilgliceroles.
Las lipasas hidrolizan los TAG a ácidos grasos y
glicerol. La liberación del primer ácido graso de
un TAG, la etapa limitante de velocidad catalizada por una lipasa
sensible a hormonas, que
se fosforila reversiblemente (enzima activada por adrenalina,
noradrenalina, glucagón, etc. e inhibida por la insulina).
El AMP cíclico actúa como mensajero celular. Los
TAG de las células adiposas están continuamente
hidrolizándose y resintetizándose. El glicerol
liberado en la hidrólisis fluye hacia el hígado. La
mayoría de los ácidos grasos formados en la
hidrólisis, si el glicerol-3-fosfato abunda, se
reesterifican. Por el contrario, si el glicerol-3-fosfato escasea
por falta de glucosa, los ácidos grasos se liberan al
plasma. De este modo, el nivel de glucosa en las células
adiposas es el principal factor determinante de la
liberación de ácidos grasos a la sangre..
Hígado
La actividad metabólica del hígado es esencial
para suministrar combustible al cerebro, músculo y otros
órganos periféricos. La mayoría de los
compuestos absorbidos por el intestino pasan a través del
hígado, lo que permite regular el nivel de muchos
metabolitos de la sangre. El hígado puede retener grandes
cantidades de glucosa y convertirla en glucógeno (pueden
almacenarse hasta 400 kcal). El hígado puede liberar
glucosa en sangre, por degradación del glucógeno
almacenado y por realización de gluconeogénesis.
Los precursores principales de la glucosa son: lactato y alanina
del músculo, el glicerol del tejido adiposo y los a.a.
glucogénicos de la dieta.
El hígado juega también un papel central
en la regulación del metabolismo lipídico. Cuando
los combustibles son abundantes, el hígado esterifica los
ácidos grasos o los que él sintetiza, y luego los
secreta a la sangre en forma de lipoproteína de muy baja
densidad
(VLDL). Esta lipoproteína es la fuente principal de los
ácidos grasos utilizados por el tejido adiposo para
sintetizar TAG. Sin embargo, en estado de
ayuno, el hígado convierte los ácidos grasos en
cuerpos cetónicos. ¿Cómo escoge la célula
hepática entre estas 2 vías antagónicas? La
selección depende de que los ácidos
grasos entren o no en la matriz
mitocondrial. Recordemos que los ácidos grasos de cadena
larga atraviesan la membrana mitocondrial interna solamente si
están esterificados con carnitina. La carnitina
aciltransferasa I es inhibida por el malonil-CoA, el
intermediario limitante en la síntesis de ácidos
grasos. Así, cuando abunda el malonil-CoA, se evita que
los ácidos grasos de cadena larga puedan entrar en la
matriz
mitocondrial, impidiéndo la -oxidación y
formación de cuerpos cetónicos. En cambio, los
ácidos grasos son exportados al tejido adiposo para que se
incorporen a los TAG. Por el contrario, cuando el combustible
escasea, el nivel de malonil-CoA desciende. En estas condiciones,
los ácidos grasos liberados en el tejido adiposo entran en
la matriz mitocondrial para convertirse en cuerpos
cetónicos.
El hígado prefiere como combustible, para satisfacer
sus necesidades energéticas, cetoácidos derivados
de la degradación de a.a. antes que glucosa. El objetivo
principal de la glucolisis hepática es formar precursores
para la biosíntesis. Además, el hígado no
puede utilizar acetoacetato como combustible porque carece de la
transferasa capaz de activarlo. Así, el hígado
renuncia a los combustibles que debe exportar al músculo y
cerebro; realmente el hígado es un órgano
altruista.
Documento cedido por:
JORGE L. CASTILLO T.