Bioquimica - Ruta de la pentosa fosfato PDF

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Ruta de la pentosa fosfato...

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Contenido Definición La ruta de la pentosa fosfato es otra ruta catabólica que parte de la glucosa. En esta ruta la glucosa se oxida, y se obtiene energía pero no en forma de ATP. Es regulado por insulina. Entre las finalidades de la ruta de las pentosas fosfato se encuentran: +

● La obtención de poder reductor en el citoplasma, en forma de NADPH + H , que es un

agente reductor necesario para infinidad de reacciones anabólicas, además de ser un antioxidante muy potente de gran utilidad en células con un elevado riesgo de daño oxidativo como, por ejemplo, los eritrocitos. ● La obtención de ribosa-5-fosfato, necesaria para las síntesis de los nucleótidos, base de

los ácidos nucleicos, los nucleótidos trifosfato y gran cantidad de cofactores enzimáticos. Otro glúcido importante que se origina en esta ruta es la eritrosa-4fosfato, esencial para la síntesis de aminoácidos aromáticos. La ruta de la pentosa fosfato tiene una gran flexibilidad, de hecho, es un módulo ideal del metabolismo, que se adapta continuamente a las cantidades requeridas de ATP, NADPH, ribosa-5-fosfato, piruvato o acetil-CoA, según las necesidades de la célula. Justamente uno de los nombres alternativos para esta ruta es el de ciclo de las pentosas fosfato. Esta formulación enfatiza que la mayor parte de la glucosa 6-fosfato que entra en la ruta es recirculada: una sexta parte es convertida en CO2 y Pi con una formación neta de NADPH. Cuantitativamente, la formación de NADPH es lo más importante de esta ruta analizada en forma cíclica.

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Otro de los nombres asignado a esta serie de reacciones, ruta de las pentosas fosfato oxidativa también enfatiza el hecho de la producción de una coenzima reducida como principal producto de la vía. (Universidad CEU San Pablo, 2016)

Localización Celular La ruta de la pentosa fosfato tiene lugar en el citosol de las células, ya que en ellas se encuentran las enzimas que participan en las diferentes reacciones que se llevan a cabo. (Tejedor, 2011)

Tejido ●

Tejido adiposo: Esta ruta metabólica transcurre fuertemente en el tejido adiposo, donde hay una gran

oferta de glucosa y una alta necesidad de NADPH, requerido para la biosíntesis de ácidos grasos. Se dará lugar a NADPH para las células del tejido, pero, la formación de ribosa-5fosfato no dará suficiente síntesis de nucleótidos, hecho que provocará la conversión de las pentosas en gliceraldehído-3-fosfato y fructosa-6-fosfato. Por lo general, estas biomoléculas se incorporarán en la glucólisis, con la ayuda de la enzima piruvato deshidrogenasa, para formar, finalmente, acetil-CoA necesario para la síntesis de ácidos grasos. 2

Así pues, en la glucólisis simultáneamente se forman equivalentes de reducción (NADPH, NADH) y también de energía (ATP). Este proceso se detiene cuando ya hay suficiente y, además, se han cubierto las necesidades de ATP. En este momento, los productos finales de la fase no oxidativa de esta ruta metabólica podrán incorporarse en la gluconeogénesis, para formar nuevamente glucosa-6-fosfato y cerrar el ciclo.

●

Tejido muscular: En el tejido muscular, se encuentra una baja necesidad de NADPH, por lo que se realiza

la inversión de la ruta.

●

Glóbulos rojos: Los glóbulos rojos de la sangre necesitan grandes cantidades de NADPH para la

reducción de la hemoglobina oxidada y para poder regenerar el glutatión reducido, un antioxidante que presenta importantes funciones como la eliminación de peróxidos y la reducción de ferri hemoglobina (Fe3+). Estas necesidades se ven cubiertas gracias a la ruta de la pentosa fosfato con el intermediario de reducción NADPH.

●

Hígado: Síntesis de ácidos grasos y colesterol.

●

Glándula adrenal: Síntesis de esteroides.

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●

Testículos: Síntesis de esteroides.

●

Glándulas mamarias en lactancia: Síntesis de ácidos grasos.

●

Ovarios: Síntesis de esteroides. (Tejedor, 2011)

Función Generación de NADPH El NADPH es un reductor celular que se utiliza en la síntesis de ácidos grasos y de colesterol y se lo asocia con numerosas reducciones en otras rutas anabólicas. En los vertebrados, esta coenzima también se utiliza como parte de un mecanismo de protección contra el daño oxidante. Por ello, en los hematíes, la ruta de las pentosas fosfato puede llegar a representar alrededor del 10% del consumo total de glucosa. La unidad del poder reductor más provechosa con fines biosintéticos en las células es el NADPH, ya que sirve como dador de electrones en las biosíntesis reductoras, sin generar ninguna energía como consecuencia. (Materias unq, 2016)

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Procesos metabólicos que requieren NADPH

●

Biosíntesis de ácidos grasos: Los ácidos grasos son ácidos

mono

carboxílicos,

en

su

orgánicos composición

predominan el carbono, oxígeno e

hidrógeno;

elementos de gran importancia

dentro de la

química orgánica. Los ácidos grasos forman parte fosfolípidos

y

glucolípidos,

constituyen la bicapa lipídica de

de

los

moléculas que todas

las

membranas celulares. En los mamíferos, incluido el ser humano, la mayoría de los ácidos grasos se encuentran en forma de triglicéridos, moléculas donde los extremos carboxílico (-COOH) de tres ácidos grasos se esterifican con cada uno de los grupos hidroxilos (-OH) del glicerol (glicerina, propanotriol); los triglicéridos (grasas) se almacenan en el tejido adiposo . (González, 2019)

●

Biosíntesis de colesterol: El colesterol es una sustancia similar a la grasa e indispensable

para la vida. Se encuentra en las membranas celulares de nuestros organismos, desde el sistema nervioso al hígado y al corazón. El cuerpo necesita colesterol para fabricar hormonas, ácidos biliares, vitamina D, y otras sustancias. Sin embargo, el aumento del colesterol en la sangre 5

y su depósito en las arterias puede ser peligroso y producir ateroesclerosis (estrechamiento o endurecimiento de las arterias por depósito de colesterol en sus paredes). (Texas Heart Institute, s.f.)

●

Biosíntesis de neurotransmisores: Los neurotransmisores son biomoléculas que se

encargan de transmitir la información de una neurona a otra que se encuentran unidas mediante una sinapsis (unión intercelular que se encarga de la transmisión de la información entre una célula y otra mediante impulsos eléctricos), en la cual la neurona pre sináptica es la que se encarga de emitir la información y la neurona pos sináptica se encarga de recibirla. La función principal que tienen los neurotransmisores es la de inhibir o excitar la actividad de la célula pos sináptica, es decir, dependiendo del tipo de receptor, los neurotransmisores pueden potenciar o disminuir su funcionamiento. (Galindo, s.f)

●

Reducción de glutatión oxidado Es un tripéptido no proteínico constituido por tres

aminoácidos: glutamato, cisteína y glicina. Contiene un enlace peptídico inusual entre el grupo amino de la cisteína y el grupo carboxilo de la cadena lateral del glutamato. Es el mayor antioxidante endógeno producido por las células, participa directamente en la neutralización de radicales libres y compuestos de oxígeno reactivo, así como en el 6

mantenimiento de los antioxidantes exógenos; por ejemplo, las vitaminas C y E, en sus formas reducidas (activas). (Cisneros, 1995)

Formación de ribosa 5 fosfato Es una molécula de ribulosa fosforilada en el carbono 5. Este compuesto es uno de los productos finales de la ruta de las pentosas fosfato, así como un intermediario del ciclo de Calvin. Su síntesis es catalizada por la enzima fosfogluconato deshidrogenasa a partir de 6-fosfogluconato. También actúa como sustrato tanto de la fosfopentosa isomerasa como de la fosfopentosa epimerasa. En células de los músculos y las del cerebro su función principal es la formación de ribosa 5-fosfato para la biosíntesis de nucleótidos. (ACADEMIC, 2010)

Biomoléculas que necesitan pentosas ●

Nucleótidos: Son moléculas orgánicas formadas por la unión covalente de un monosacárido de

cinco carbonos (pentosa), una base nitrogenada y un grupo fosfato. El nucleósido es la parte del nucleótido formada únicamente por la base nitrogenada y la pentosa. Son los monómeros de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) en los cuales forman cadenas lineales de miles o millones de nucleótidos, pero también realizan

funciones importantes como moléculas libres (por ejemplo, el ATP o el GTP). (Rodwell, 2013)

●

Ácidos nucleicos: Los ácidos nucleicos constituyen el material genético de los organismos y son

necesarios para el almacenamiento y la expresión de la información genética. Existen dos tipos de ácidos nucleicos química y estructuralmente distintos:

✔ Ácido desoxirribonucleico (ADN) El ADN funciona como el almacén de la información genética y se localiza en los cromosomas del núcleo, las mitocondrias y los cloroplastos de las células eucariotas. En las células procariotas el ADN se encuentra en su único cromosoma y, de manera extra cromosómica, en forma de plásmidos.

✔ Ácido ribonucleico (ARN) El ARN interviene en la transferencia

de

la

información contenida en el ADN hacia

los

compartimientos celulares. Se encuentra

en el núcleo, el

citoplasma, la matriz mitocondrial y el

estroma

de

cloroplastos de células eucariotas y en el

citosol

de

células procariotas. (Navarro, 2015)

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●

Coenzimas: ✔

ATP: Molécula que se encuentra en todos los seres vivos y constituye la fuente principal de energía utilizable

por

las células

para realizar

sus

actividades. El ATP se origina por el metabolismo de los alimentos en unos orgánulos especiales de la célula llamados mitocondrias. El ATP se comporta como una coenzima, ya que su función de intercambio de energía y la función catalítica (trabajo de estimulación) de las enzimas están íntimamente relacionadas. (Botánica del CNBA, 2015)

✔ GTP: El GTP es un nucleótido cuya base nitrogenada es la purina guanina. Su función es similar a la

del ATP, dado

que también

es

como

moneda

energética. es

utilizado

Además el GTP el

precursor de la

base guanina

en la síntesis

de ADN (replicación) y en la de ARN (transcripción). Es esencial en ciertas vías de señalización, en las que actúa como activador de sustratos en reacciones metabólicas, al igual que hace el ATP pero de una forma más específica. En estas reacciones, como por ejemplo cuando se asocia a proteínas G, el GTP actúa como segundo mensajero, activando a la proteína G al unirse a ésta. (Clínica Universidad de Navarra, s. f.) 9

✔ NAD: El dinucleótido de nicotinamida y adenina, también conocido como nicotin adenin dinucleótido o nicotinamida adenina dinucleótido (abreviado NAD+ en su forma oxidada y NADH en su forma reducida). Es una coenzima que se halla en las células vivas y que está compuesta por un dinucleótido, es decir, por dos nucleótidos, unidos a través de grupos fosfatos: uno de ellos es una base de adenina y el otro, una nicotinamida. Tiene varias funciones esenciales en el metabolismo: o Actúa como coenzima en las reacciones redox. o Como donante de grupos ADP-ribosa en las reacciones de ADP ribosilación. o Como precursor del segundo mensajero de la molécula cíclica ADP ribosa. o Actúa como sustrato para las ADN ligasas bacterianas y un grupo de enzimas llamadas sirtuinas, que usan NAD+ para eliminar los grupos acetilo de las proteínas acetiladas. (Clínica Universidad de Navarra, s. f.)

✔ FAD: El flavín adenín dinucleótido o dinucleótido de flavina y adenina (abreviado FAD en su forma oxidada y FADH2 en su forma reducida) es una coenzima que interviene en las reacciones metabólicas de oxidación-reducción. Interviene como dador o aceptor de electrones y protones (poder reductor) en reacciones metabólicas redox; su estado oxidado (FAD) se reduce a FADH2 al aceptar dos átomos de hidrógeno (cada uno formado por un electrón y un protón). (Clínica Universidad de Navarra, s. f.)

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✔ CoA: Es una coenzima, notable por su papel en la biosíntesis y la oxidación de ácidos grasos, así como en la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, paso previo al ciclo de Krebs. (Clínica Universidad de Navarra, s. f.)

Etapas La ruta de las pentosas fosfato se puede dividir en dos etapas, una oxidante y otra no oxidante. En la etapa oxidante se inicia con dos moléculas de glucosa 6 fosfato, esta es descarboxilada para ser convertida en ribulosa 5-fosfato. En esta etapa se produce todo el NADPH que se obtiene de esta ruta, que son cuatro en total, dos por cada molécula de glucosa 6 fosfato ingresada. En la etapa no oxidante, se inicia con dos moléculas de ribulosa 5-fosfato, que son convertidas en una serie de azúcares fosfato, hasta llegar a dos intermediarios de la ruta glucolítica (fructosa 6-fosfato y gliceraldehido 3-fosfato). La ribosa 5-fosfato es uno de los intermediarios de esta etapa no oxidante, y en determinadas condiciones puede ser el producto final de la ruta. (Rodwell, 2013)

Fase oxidativa Durante la fase oxidativa, a partir de glucosa-6-fosfato obtenida mediante la fosforilación de la glucosa libre, se obtiene NADPH y finalmente se forma la pentosa ribulosa 5 fosfato, motivo por el cual este proceso metabólico se denomina “la ruta de la pentosa fosfato”. 11

La primera reacción es la oxidación de la glucosa-6-fosfato, llevada a cabo por la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. En este primer paso se deshidrogena el grupo C1 para dar un grupo carboxilo, el cual, junto al C5, forma una lactona, es decir, un éster intramolecular. Se liberan dos hidrógenos de los cuales se transfiere un protón (H+) y dos electrones (e-) al NADP+ que actúa como aceptor de electrones reduciéndose hasta formar la primera molécula de NADPH; el protón sobrante queda libre en el medio.

Acto seguido, se produce la hidrólisis de la lactona gracias a la actuación de la lactonasa, con lo que se obtiene el ácido libre 6 fosfogluconato.

El 6 fosfogluconato se transforma en ribulosa 5 fosfato por acción de la 6 fosfogluconato

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deshidrogenasa. Aquí se obtiene la segunda molécula de NADPH, además de la liberación de una molécula de CO2 debido a la descarboxilación oxidativa del ácido libre.

Finalmente, la enzima pentosa 5 fosfato isomerasa, mediante un intermediario endiol, isomeriza la ribulosa-5-fosfato y la convierte en ribosa-5-fosfato, gracias a la transformación del grupo cetosa en aldosa. Esta última reacción prepara un componente central de la síntesis de nucleótidos para la biosíntesis de RNA, DNA y cofactores de nucleótidos. Al mismo tiempo, lleva a cabo la

transición hacia la fase no oxidativa de la ruta metabólica de la pentosa fosfato.

Pentosa-5-fosfato isomerasa

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De este modo se acaba obteniendo dos moléculas de NADPH que, además de su uso en la biosíntesis reductiva, también es responsable del mantenimiento de un medio reductor en la célula. Gracias a las dos moléculas de glucosa-6-fosfato, a las cuatro moléculas de NADP+ y a la molécula de agua podemos conseguir al final de esta etapa dos moléculas de ribulosa5-fosfato, cuatro moléculas de NAPDH, dos moléculas de hidrógeno y una molécula de CO 2. (Rodwell, 2013) La etapa completa es la siguiente:

Fase no oxidativa La fase no oxidativa de la ruta de la pentosa fosfato se inicia en caso de que la célula necesite más NADPH que ribosa-5-fosfato. En este segundo proceso se encuentran una compleja secuencia de reacciones que permiten cambiar los azúcares C3, C4, C5, C6 y C7 de las pentosas para poder formar finalmente gliceraldehído-3-fosfato y fructosa-6-fosfato, los cuales podrán seguir directamente con la glucólisis.

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Esta fase conlleva toda una serie de reacciones reversibles, el sentido de las cuales depende de la disponibilidad del sustrato. Asimismo, la isomerización de ribulosa-5-fosfato a ribosa-5-fosfato es también reversible. Esto nos permite poder eliminar el excedente de ribosa-5-fosfato para acabar transformándolo en productos intermediarios de la glucólisis. La primera reacción llevada a cabo es la epimerización, regulada mediante la enzima pentosa-5-fosfato epimerasa, que convertirá la ribulosa-5-fosfato, producto de la fase oxidativa, en xilulosa-5-fosfato.

Pentosa-5-fosfato epimerasa

Gracias a la isomerización de la ribulosa-5-fosfato obtenemos ribosa-5-fsofato mediante la enzima pentosa-5-fosfato isomerasa.

Pentosa-5-fosfato isomerasa

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La transcetolasa, la cual actúa junto a la coenzima pirofosfato de tiamina (TPP) convertirá la xilulosa-5-fosfato en ribosa-5-fosfato y, mediante la transferencia de una unidad de C2 de la cetosa a la aldosa, se producirá gliceraldehído-3-fosfato y sedoheptulosa-7-

fosfato.

Sucedido esto, la transaldolasa, con la ayuda de un resto lisina en su centro activo, transfiere una unidad C3 de la sedoheptulosa-7-fosfato a gliceraldehído-3-fosfato, con lo que se formarán la tetrosa eritrosa-4-fosfato, además de uno de los primeros productos finales: la hexosa fructosa-6-fosfato, la cual se dirigirá hacia la glucólisis.

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Acto seguido, la enzima transcetolasa vuelve a transferir una unidad C2, desde la xilulosa-5-fosfato a eritrosa-4-fosfato, consiguiendo así formar otra molécula de fructosa6-fosfato y un gliceraldehído-3-fosfato, ambos intermediarios de la glucólisis.

De esta manera, se cierra la fase no oxidativa de esta ruta metabólica. Esta fase de la ruta conectará los procesos metabólicos que generan NADPH con los que originan NADH y ATP. El gliceraldehído-3-fosfato y la fructosa-6-fosfato pueden intervenir, en vez de en la glucólisis, en la gluconeogénesis para formar una nueva síntesis de glucosa. (Universidad CEU San Pablo, 2016) La etapa completa es la siguiente:

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Rutas con las que se relacionan Gluconeogénesis Se encarga de la síntesis de glucosa a partir de precursores que no sean hidratos de carbono, puede ser cualquier metabolito que pueda ser convertido a piruvato u oxalacetato. Se relaciona con la vía de las pentosas fosfato ya que su uno de sus productos debe de ser la glucosa-6-fosfato.

El Hígado (90%) y el riñón (10%) son los órganos donde tiene lugar principalmente. 19

Los precursores pueden ser los siguientes: ● Lactato:

Durante el ejercicio físico vigoroso, cuando se contrae el músculo esquelético, el NADH es regenerado a NAD+ por lactato deshidrogenasa. ● Aminoácidos:

Degradación de proteínas de la dieta o proteínas de músculo esquelético. ● Glicerol:

Hidrólisis triacilglicéridos en células adiposas. (Marco, 2016)

Glucólisis Es una serie de reacciones que extraen energía de la glucosa al romperla en dos moléculas de tres carbonos llamadas piruvato. En los organismos que realizan respiración celular, la glucólisis es la primera etapa de este proceso. Sin embargo, la glucólisis no requiere de oxígeno, por lo que muchos organismos anaerobios también tienen esta vía. Se relaciona con la vía de las pentosas fosfato debido a que uno de sus productos es la glucosa 6-fosfato para poder...