20.11: La generación de energía a partir del metabolismo de carbohidratos
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Consideraremos aquí el proceso inverso de la fotosíntesis, es decir, cómo los carbohidratos, especialmente la glucosa, se convierten en energía al descomponerse en dióxido de carbono y agua.
En la Figura 20-8 se muestra un resumen general de las diversas etapas involucradas. Inicialmente, los combustibles de almacenamiento o alimentos (grasas, carbohidratos y proteínas) se hidrolizan en componentes más pequeños (ácidos grasos y glicerol, glucosa y otros azúcares simples, y aminoácidos). En la siguiente etapa, estos combustibles simples se degradan más a fragmentos de dos carbonos que se entregan como el\(\ce{CH_3C=O}\) grupo (etanoilo, o acetilo) en forma del tioéster de la coenzima A,\(\ce{CH_3COS}\) CoA. La estructura de este compuesto y la manera en que se degradan los ácidos grasos se ha considerado en\ (\ alfa\) Carbones de Derivados de Acidos Carboxílicos” href=” /Estanterías/Química_orgánica/libro:_básico_principios_de_químicaorgánica _ (Roberts_and_Caserio) /18:_carboxilic_dsaci_and_su_derivativos/18. 09:_reacciones_at_el/ (/alpha/) _carbons_of_carboxilic_acid_derivados #18 -8f_biológico_claisen_condensaciones_y_aldol_adiciones. _Fatty_Acid_Metabolismo">Sección 18-8F, y el metabolismo de los aminoácidos se discute brevemente en la Sección 25-5C. Esta sección se ocupa principalmente de la vía por la cual la glucosa es metabolizada por el proceso conocido como glucólisis.
En la conversión de glucosa a\(\ce{CH_3COS}\) CoA, dos carbonos se oxidan a dióxido de carbono con el consumo de dos moléculas de oxígeno:
\[\ce{C_6H_{12}O_6} + 2 \textbf{CoA} \ce{SH} + \left[ 2 \ce{O_2} \right] \rightarrow 2 \ce{CH_3COS} \textbf{CoA} + 4 \ce{H_2O} + 2 \ce{CO_2} \tag{20-5}\]
Para que ocurra una mayor oxidación, el\(\ce{CH_3COS}\) CoA debe entrar en la siguiente etapa del metabolismo, por lo que el\(\ce{CH_3C=O}\) grupo se convierte en\(\ce{CO_2}\) y\(\ce{H_2O}\). Esta etapa se conoce de diversas maneras como el ciclo del ácido cítrico, el ciclo del ácido tricarboxílico, o el ciclo de Krebs, en honor a H. A. Krebs (Premio Nobel, 1953), quien reconoció por primera vez su naturaleza cíclica en 1937. Podemos escribir una ecuación para el proceso como si involucrara oxígeno:
\[2 \ce{CH_3COS} \textbf{CoA} + \left[ 4 \ce{O_2} \right] \rightarrow 4 \ce{CO_2} + 2 \ce{H_2O} + 2 \textbf{CoA} \ce{SH} \tag{20-6}\]
Observe que la combinación de las reacciones de las Ecuaciones 20-5 y 20-6, glucólisis más el ciclo del ácido cítrico, oxida completamente la glucosa a\(\ce{CO_2}\) y\(\ce{H_2O}\):
\[\ce{C_6H_{12}O_6} + \left[ 6 \ce{O_2} \right] \rightarrow 6 \ce{CO_2} + 6 \ce{H_2O} \tag{20-7}\]
Pero, como verán, ninguno de los pasos usa oxígeno molecular directamente. De ahí que debe haber una etapa en el metabolismo donde el oxígeno molecular se vincule a la producción de agentes oxidantes que se consumen en la glucólisis y en el ciclo del ácido cítrico.
El acoplamiento del oxígeno al metabolismo de los carbohidratos es un proceso extremadamente complejo que implica el transporte del oxígeno a las células por un portador de oxígeno como la hemoglobina, la mioglobina o la hemocianina. Esto es seguido por una serie de reacciones, entre las que\(\ce{NADH}\) se convierte\(\ce{NAD}^\oplus\) con formación asociada de tres moles de ATP a partir de tres moles de ADP y fosfato inorgánico. Otro electrón-portador es el dinucleótido flavina adenina (\(\ce{FAD}\); Sección 15-6C), el cual se reduce a\(\ce{FADH_2}\) con una producción asociada de dos moles de ATP a partir de dos moles de ADP. Estos procesos se conocen como fosforilación oxidativa y pueden ser expresados por las ecuaciones:
La fosforilación oxidativa se asemeja a la fotofosforilación, discutida en la Sección 20-9, ya que el transporte de electrones en la fotosíntesis también se acopla con la formación de ATP
Al hacer malabares adecuadamente con las Ecuaciones 20-7 a 20-9, encontramos que la oxidación metabólica de un mol de glucosa se logra mediante diez moles de\(\ce{NAD}^\oplus\) y dos moles de\(\ce{FAD}\):
El resultado global es la producción de 36 moles de ATP a partir de ADP y fosfato por mol de glucosa oxidada a\(\ce{CO_2}\) y\(\ce{H_2O}\). De estos, 34 ATPs se producen de acuerdo con la Ecuación 20-10 y, como veremos, dos más provienen de la glucólisis.
Glucólisis
La glucólisis es la secuencia de pasos que convierte la glucosa en dos\(\ce{C_3}\) fragmentos con la producción de ATP. El\(\ce{C_3}\) producto de interés aquí es 2-oxopropanoato (piruvato):
Hay características en esta conversión que se asemejan mucho a las reacciones oscuras de la fotosíntesis, que construyen una\(\ce{C_6}\) cadena (fructosa) a partir de\(\ce{C_3}\) cadenas (Sección 20-9). Por ejemplo, los reactivos son ésteres de fosfato o anhidridos mixtos, y el agente fosforilante es ATP:
\[\ce{ROH} + \text{ATP} \rightarrow \ce{RO-PO_3^2-} + \text{ADP} + \ce{H}^\oplus\]
Además, ocurren reordenamientos que interconvierten una aldosa y una cetosa,
y la escisión de una\(\ce{C_6}\) cadena en dos\(\ce{C_3}\) cadenas se logra mediante una condensación aldólica inversa:
Además, la oxidación de un aldehído a un ácido se logra con\(\ce{NAD}^\oplus\). Existe una reacción relacionada en la fotosíntesis (Sección 20-9) que logra la reducción de un ácido a aldehído y es específica para\(\ce{NADPH}\), no\(\ce{NADH}\):
Primero, la glucosa se fosforila a glucosa 6-fosfato con ATP. Luego, un reordenamiento de\(\rightleftharpoons\) cetosa aldosa convierte la glucosa 6-fosfato en fructosa 6-fosfato. Una segunda fosforilación con ATP da fructosa 1,6-difosfato:
En esta etapa la enzima aldolasa cataliza la escisión aldólica de fructosa 1,6-difosfato. Un producto es gliceraldehído 3-fosfato y el otro es 1,3-dihidroxipropanona fosfato. Otro equilibrio de cetosa\(\rightleftharpoons\) aldosa convierte la propanona en el derivado de gliceraldehído:
El siguiente paso oxida gliceraldehído 3-fosfato con\(\ce{NAD}^\oplus\) en presencia de fosfato con la formación de 1,3-difosfoglicerato:
El anhídrido mixto de ácido fosfórico y ácido glicérico se utiliza entonces para convertir ADP en ATP y formar 3-fosfoglicerato. A partir de entonces la secuencia difiere de la de la fotosíntesis. Los siguientes pasos logran la formación de piruvato por transferencia del grupo fosforilo de\(\ce{C_3}\) a\(\ce{C_2}\) seguido de deshidratación a fosfoenolpiruvato. El fosfoenolpiruvato es un agente fosforilante eficaz que convierte el ADP en ATP y forma piruvato:
La reacción neta en este punto produce más ATP del que se consume en la fosforilación de glucosa y fructosa.
Lo que suceda a partir de entonces depende del organismo. Con la levadura y ciertos otros microorganismos, el piruvato es descarboxilado y reducido a etanol. El resultado final de la glucólisis en esta instancia es la fermentación. En organismos superiores, el piruvato puede almacenarse temporalmente como producto de reducción (lactato) o puede oxidarse adicionalmente para dar\(\ce{CH_3COS}\) CoA y\(\ce{CO_2}\). Luego, el\(\ce{CH_3COS}\) CoA entra en el ciclo del ácido cítrico para ser oxidado\(\ce{CO_2}\) y\(\ce{H_2O}\), como se discute en la siguiente sección:
El ciclo del ácido cítrico (Krebs)
La glucólisis a la etapa de piruvato o lactato libera calor, lo que puede ayudar a mantener el organismo caliente y producir ATP a partir de ADP para una futura conversión en energía. Sin embargo, la glucólisis no involucra directamente oxígeno y no libera\(\ce{CO_2}\), como cabría esperar del proceso global de conversión metabólica de la glucosa en dióxido de carbono y agua (Ecuación 20-10). La liberación de\(\ce{CO_2}\) ocurre después de la formación de piruvato en un proceso llamado de diversas maneras, el ciclo del ácido cítrico, el ciclo de Krebs, o el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA).
El paso inicial, que realmente no forma parte del ciclo, es la conversión de piruvato a etanoil CoA (acetil CoA):
Para lograr la oxidación del acetil CoA de manera continuada, los intermedios consumidos en ciertas etapas deben regenerarse en otros. Así, tenemos una situación similar a la del ciclo Calvino (Sección 20-9), donde la primera etapa del ciclo logró la reacción deseada (\(\ce{CO_2}\)formación) y la segunda etapa está diseñada para regenerar los intermedios necesarios para perpetuar el ciclo.
El punto de entrada es la reacción entre acetil CoA y una unidad de cuatro carbonos, ácido 2-oxobutanodioico. Una adición de tipo aldol del\(\ce{CH_3CO}\) grupo a este\(\ce{C_4}\) cetoácido extiende la cadena a un\(\ce{C_6}\) ácido ramificado (como ácido cítrico):
La deshidratación-rehidratación del citrato lo convierte en isocitrato:
A partir de aquí, la oxidación de la función hidroxilo\(\ce{NAD}^\oplus\) da un cetoácido, que pierde\(\ce{CO_2}\) fácilmente (Sección 18-4) y proporciona 2-oxopentandioato:
Ahora tenemos un\(\ce{C_5}\) cetoácido que se puede oxidar de la misma manera que el\(\ce{C_3}\) cetoácido, ácido pirúvico, para dar un butanodioil CoA:
Dos moléculas de\(\ce{CO_2}\) ahora se han producido y la parte restante del ciclo del ácido cítrico se ocupa de la regeneración del CoA para formar acetil CoA a partir de 2-oxopropanoato, y también de regenerar el 2-oxobutanodioato, que es el precursor del citrato. Los pasos involucrados son
La hidrólisis del acil CoA en la primera etapa se utiliza para el almacenamiento de energía mediante la conversión de guanosina difosfato (GDP) en guanosina trifosfato (GTP):
La hidratación del trans-butenodioato (Sección 10-3G) y la reacción de oxidación final (Sección 15-6C) han sido discutidas previamente.
Rutas alternativas en el metabolismo de carbohidratos
Existe una vía alternativa, llamada vía de pentosa fosfato, por la cual la glucosa ingresa a la secuencia glicolítica al piruvato. Esta vía logra la descarboxilación oxidativa de la glucosa para dar ribosa, como el 5-fosfato éster. Los pasos esenciales son
El resultado neto es que tres pentosas se convierten en dos moléculas de fructosa y una de gliceraldehído\(\left( 3 \ce{C_5} \rightarrow 2 \ce{C_6} + \ce{C_3} \right)\).
La relación de la vía pentosa-fosfato con la glucólisis se muestra en la Figura 20-11. Los pasos involucrados en la derivación de pentosa son fácilmente reversibles, pero hay varios pasos en la glucólisis que no lo son. Estas son las etapas de fosforilación (Figura 20-9). Sin embargo, tiene que haber una ruta de retorno del piruvato a la glucosa. Esta vía se denomina gluconeogénesis y, en animales, se realiza en el hígado. No discutiremos los pasos en la gluconeogénesis excepto para indicar nuevamente que no son todos lo contrario de la glucólisis. A modo de comparación, los pasos que difieren se indican en la Figura 20-9 mediante líneas discontinuas.
¿Por qué se forma lactato a partir del piruvato en el metabolismo de la glucosa? El\( + \: \ce{NADH} + \ce{H}^\oplus \rightarrow\) lactato de piruvato\(+ \: \ce{NAD}^\oplus\) es un camino sin salida, pero proporciona lo\(\ce{NAD}^\oplus\) necesario para la glucólisis en el músculo activo. Esta vía de formación\(\ce{NAD}^\oplus\) es importante, ya que en circunstancias de esfuerzo físico, la tasa de producción\(\ce{NAD}^\oplus\) de la fosforilación oxidativa puede ser más lenta que la demanda\(\ce{NAD}^\oplus\), en cuyo caso se dispone de un suministro temporal a partir de la reducción de\(\rightarrow\) lactato de piruvato. El lactato así formado se acumula en el tejido muscular bajo condiciones de esfuerzo físico y es apto para provocar que los músculos se “calambre”. El exceso de lactato así formado finalmente se elimina al convertirse de nuevo en piruvato por oxidación con\(\ce{NAD}^\oplus\).
La belleza del ciclo metabólico a través del piruvato, que se muestra en resumen en la Figura 20-11, es la forma en que puede ser aprovechado en varios puntos según si el organismo requiere ATP (de glucólisis),\(\ce{NADH}\) (de derivación de pentosa) o\(\ce{NAD}^\oplus\) (del revestimiento de lactato).
Colaboradores y Atribuciones
- John D. Robert and Marjorie C. Caserio (1977) Basic Principles of Organic Chemistry, second edition. W. A. Benjamin, Inc. , Menlo Park, CA. ISBN 0-8053-8329-8. This content is copyrighted under the following conditions, "You are granted permission for individual, educational, research and non-commercial reproduction, distribution, display and performance of this work in any format."