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9A. GLUCONEOGÉNESIS (GN)

1. (a) Defina gluconeogénesis y mencione el sitio celular donde se lleva a cabo. Es la formación de glucosa a partir de precursores diferentes a las hexosas y se realiza en citosol y

en matriz mitocondrial. La mayoría de las reacciones toma lugar en citosol y solo una reacción (empezando de piruvato) se lleva a cabo en la matriz mitocondrial.

Este proceso es absolutamente necesario en todos los mamíferos porque el cerebro y el sistema nerviosos, así como la médula renal, los testículos, los eritrocitos y el tejido embrionario, requieren glucosa de la sangre.

El cerebro humano requiere 120 g de glucosa/día. Las células de los mamíferos sintetizan continuamente glucosa de los precursores simples piruvato y lactato y entonces transportan la glucosa a la sangre. Otros precursores importantes son glicerol y la mayoría de los aminoácidos. (b) ¿Cuáles son las necesidades diarias de glucosa en un adulto normal? 160 gramos. (c) ¿Cuál es la cantidad de glucosa almacenada como reserva en un adulto normal y durante cuánto tiempo puede suplir las necesidades energéticas? La cantidad de glucosa presente en los fluidos corporales es de aprox. 20 g y la disponible de la movilización rápida del glucógeno es de 190 g. Así, las reservas de glucosa son suficientes para suplir las necesidades de 1 día. (d) ¿En que situaciones fisiológicas se requiere una alta actividad gluconeogénica? En largos períodos de ayuno y en los períodos de intenso ejercicio. 2. (a) ¿Cuáles son los principales sustratos para la síntesis de glucosa? Ver arriba, piruvato, lactato, glicerol y aminoácidos. El lactato se sintetiza por el músculo esquelético en intensa actividad cuando la velocidad de glicólisis excede la velocidad metabólica del CAC y la cadena respiratoria. Los aa se derivan de las proteínas de la dieta y, durante el ayuno, del rompimiento de las proteínas del músculo esquelético. La hidrólisis de los TG en los adipocitos produce glicerol y ácidos grasos. (b) ¿Qué enzimas se requiere para que el glicerol se convierte en un intermediario de la gluconeogénesis? Glicerol cinasa: glicerol + ATP >>>glicerol 3 P + ADP y glicerol 3 fosfato deshidrogenasa que convierte el glicerol 3 fosfato en dihidroxiacetona fosfato y NADH + H+. (c) ¿Por qué los animales no pueden convertir ácidos grasos de cadena par en glucosa? La acetil CoA (el producto de la degradación de los AG) no se puede convertir en piruvato u OA en los animales. Los dos carbonos del grupo acetilo de AcCoA entran al CAC, pero salen dos carbones del CAC por descarboxilaciones. Por lo que el OA, es regenerado, pero no es formado de novo cuando las unidades de acetilCoA se oxidan en el CAC. Por el contrario, las plantas tienen dos enzimas adicionales (isocitrato liasa y malato sintasa) que las capacitan para sintetizar glucosa a partir de AG. (d) ¿Por qué se dice que algunos aminoácidos son gluconeogénicos? Porque pueden catabolizarse a piruvato o intermediarios del ciclo de Krebs (α-CG, succinil CoA, fumarato u OA) y así dar lugar a la síntesis de glucosa. 3. (a) ¿Cuál es la importancia fisiológica de la gluconeogénesis en hígado y en riñón?

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El principal sitio de la GN es el hígado, aunque también se lleva a cabo en la corteza renal, aunque la cantidad total de glucosa formada ahí es de 1/10 de la formada en hígado, debido a la menor masa renal. La GN en el hígado ayuda a mantener los niveles de glucosa en sangre de tal manera que el cerebro y músculo pueden usar la glucosa circulante para suplir sus necesidades. (b) ¿Cuál es la razón por la que la GN no se lleva a cabo en cerebro y en músculo? Porque carecen de la enzima glucosa 6 fosfatasa que permite sintetizar glucosa a partir de glucosa 6 fosfato.

4. (a) ¿Cuáles son las diferencias enzimáticas entre la glicólisis y la gluconeogénesis, señale qué enzima sustituyen a la hexocinasa, fosfofructocinasa-1 y piruvato cinasa? La hexocinasa es sustituida por la glucosa 6 fosfatasa, la fosfofructocinasa-1 por la fructosa 2,5 bifosfatasa y la piruvato cinasa por las enzimas piruvato carboxilasa (mit) y fosfoenolpiruvato carboxicinasa (cit). Las primeras reacciones de la GN empezando de piruvato son: Piruvato + ATP + HCO3

- ⇒ OA + ADP + Pi + H+ (Pir carboxilasa)(mit) OA + NADH + H+ ⇔ L-malato + NAD+ (Malato desh) (mit) Malato (mit) ⇒ Malato (cit) (transportador malato-α-CG) (m-interna-mit) Malato + NAD+⇒OA + NADH + H+ (malato desh) (citosol) OA + GTP ⇔ PEP + CO2 + GDP (PEP carboxicinasa) (citosol) Piruvato + ATP + GTP + HCO3

- ⇒ PEP + ADP + Pi + H+ + CO2 (global) ΔGo’ = + 0.2 kcal/mol La reversa de la glicólisis sería: Piruvato + ATP ⇒ PEP + ADP + H+ ΔGo’ = +7.5 kcal/mol (b) ¿Qué enzima de la gluconeogénesis está unida a la membrana del retículo endoplásmico liso? Glucosa 6 fosfatasa. Cataliza el paso final de la gluconeogénesis el cual no se lleva a cabo en el citosol. La glucosa 6 fosfato se transporta al lumen del retículo endoplásmico en donde es hidrolizada por glucosa 6 fosfatasa, una enzima unida a membrana. Una proteína estabilizadora asociada a calcio es esencial para la actividad de la fosfatasa. La glucosa y el fosfato son regresados al citosol por un par de transportadores. El transportador de glucosa del retículo endoplásmico es similar al encontrado en la membrana plasmática (c) ¿Que coenzima requiere y cómo se regula la enzima piruvato carboxilasa? Requiere de biotina y la actividad de esta enzima depende de la presencia de acetil CoA. La biotina está unida covalentemente, como un grupo prostético, a la piruvato carboxilasa y sirve como un acarreador de CO2 activado. El grupo carboxilo terminal de la biotina está unido al grupo ε-amino de un residuo de lisina específico por un enlace amida. La biotina está unida a la piruvato carboxilasa por una cadena larga y flexible, como el de la lipoamida en el complejo de la piruvato deshidrogenasa. La carboxilación del piruvato se lleva a cabo en dos etapas: Biotina-enzima + ATP + HCO3

- <---> CO2∼biotina-enzima + ADP + Pi CO2∼biotina-enzima + piruvato <--> biotina-enzima + OA La biotina no se carboxila, a menos que acetil CoA (o acil-CoA) esté unido a la enzima. La activación alostérica de piruvato carboxilasa por acetil CoA, es un mecanismo de control fisiológicamente importante. OA, el producto de la piruvato carboxilasa, es tanto un intermediario estequiométrico en la GN y un intermediario catalítico en el CAC.

Un alto nivel de AcCoA indica la necesidad de mas OA. Si hay mucho ATP, el OA se usará en la GN. Si hay una deficiencia de ATP, el OA entrará al CAC.

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No solo la piruvato carboxilasa es importante en la GN, sino que también juega un papel critico en el mantenimiento de los intermediarios del CAC (d) ¿Qué enzima de la gluconeogénesis está localizada en la matriz mitocondrial?

Piruvato carboxilasa. Esta enzima fue descubierta en 1959 por Merton Utter, es una proteína tetrámerica de subunidades idénticas de ∼120 kd, cada una de las cuales tiene un grupo prostético biotina.

La biotina, que fue identificada primero en 1935 como un factor de crecimiento, es un nutrimento esencial en humanos.

Su deficiencia nutrimental es rara, porque está presente en muchos alimentos y es sintetizada por las bacterias intestinales.

La deficiencia humana de biotina ocurre casi siempre como un resultado del consumo de grandes cantidades de huevos crudos. Debido a que la clara del huevo contiene una proteína, avidina, que une biotina tan fuertemente (K disociación = 10-15 M) y previene su absorción intestinal (el huevo cocido no causa este problema debido a que la cocción desnaturaliza la avidina).

Se piensa que la presencia de avidina en el huevo inhibe el crecimiento de microorganismos en este ambiente muy nutritivo.

La fosfoenolpiruvatocarboxicinasa (PEPCKN) es una enzima monomérica de 74 kD. La generación de oxaloacetato a partir de piruvato o de intermediarios del CAC se lleva a cabo solo en la mitocondria, mientras que las enzimas que convierten PEP a glucosa son citosólicas. La localización celular de PEPCKN varía con las especies.

En el hígado de ratón y rata se localiza casi exclusivamente en el citosol, en el hígado de palomas y conejos es mitocondrial, y en los cobayos y humanos está distribuida en igual proporción en ambos compartimientos.

Para que la GN se lleve a cabo, el OA debe salir de la mitocondria para convertirse en PEP, o el PEP formado debe entrar al citosol. El PEP es transportado a través de la membrana mitocondrial por proteínas de transporte específicas.

Surge la pregunta entonces, de cuál de las dos vías (PEPCKN mitocondrial o citosólica) es la que se usa en la GN. Esto depende de las necesidades de NADH para la GN. En la reacción citosólica de PEPCKN, se generó NADH citosólico en la conversión de malato a OA, por lo tanto esta reacción es necesaria para generar NADH.

Por el contrario cuando el piruvato se origina de lactato, la conversión citosólica de lactato a piruvato produce NADH, por lo que el OA puede ser convertido intramitocondrialmente a PEP, sin la necesidad de la exportación de equivalente reductores de la mitocondria al citosol dentro de malato.

De hecho, sólo se necesita 1 NADH por cada PEP que entra a la GN (2 por cada glucosa, ver ecuación balanceada abajo). El cociente [NADH]/[NAD+] en el citosol es de 8 x 10-4, cerca de 105 veces menos que en la mitocondria. 5. (a) ¿Cuál es la ecuación balanceada y cuántos enlaces de alta energía se consumen en la gluconeogénesis a partir de piruvato? 2Piruvato + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 4H2O -> Glucosa + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD+ + 2H+ ΔGo’ = -9

kcal/mol (seis enlaces de alta energía). (b) Compare la ecuación anterior, incluyendo el cambio de energía libre estándar, con la ecuación balanceada para la reversa de la glicólisis.

La reversa de la glicólisis es:

2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H2O ---> Glucosa + 2 ADP + 2Pi + 2NAD+ ΔGo’ = +20 kcal/mol.

Esto significa que la reversa de la glicólisis es termodinámicamente imposible y que la GN es irreversible por los 6 enlaces de alta energía que se usan.

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6. Explique en que consiste el Ciclo de Cori. Es un ciclo por medio del cual, el lactato producido por el músculo en intensa contracción, difunde hacia la sangre (la mayoría de las membranas plasmáticas son permeables al lactato y piruvato) y llega al hígado en donde se usa como sustrato para sintetizar glucosa, la cual, a su vez, es exportada al músculo en intensa actividad. De esta manera, hay una interrelación entre el hígado y el músculo. 7. Explique las razones por las que la glicólisis y la gluconeogénesis se regulan independientemente. Mencione enzimas y moduladores específicos, así como hormonas, que expliquen la respuesta. No tiene ningún sentido degradar y sintetizar al mismo tiempo la glucosa. Además los moduladores y metabolitos hacen imposible que esto sea así. (1) Los altos niveles de acetil CoA inhiben la conversión de piruvato a acetil CoA pero estimulan la conversión de piruvato a oxaloacetato. Entonces, la biosíntesis de glucosa a partir de piruvato se inhibe solo cuando el AcCoA mitocondrial está en exceso a las necesidades inmediatas de la célula por el CAC. También cuando el NADH se acumula por la disminución de la fosforilación oxidativa, se inhibe el CAC y la AcCoA se acumula. Esto conduce a la inhibición de la producción de acetil CoA a partir de piruvato y a la estimulación de la GN por la activación de piruvato carboxilasa. El segundo punto de control en la GN es la reacción catalizada por fructosa 1,6 bifosfatasa, la cual es inhibida intensamente por AMP. La enzima correspondiente de la glicólisis es estimulada por AMP y ADP, pero inhibida por citrato y ATP, así que estos pasos opuestos en la vía son regulados de una manera recíproca o coordinada. Cuando hay suficientes cantidades de acetil CoA o el producto de la condensación de acetil CoA y oxaloacetato (citrato), o cuando está presente una alta proporción de ATP, la GN se favorece y se promueve la formación de glucosa y su almacenamiento como glucógeno. La regulación hormonal de la glicólisis y de la GN en el hígado es mediada por F2,6,BP, un modulador alostérico de las enzimas PFK-1 y FBPasa-1. Cuando la F2,6,BP se une a su sitio alostérico sobre PFK-1, aumenta la afinidad por sus sustrato F6P y reduce su afinidad para los inhibidores alostéricos ATP y citrato. La F2,6,BP activa, por lo tanto, a la PFK-1 y a la glicólisis en el hígado. La F2,6,BP también inhibe la FBPasa-1 y así disminuye la GN. El nivel del regulador F2,6,BP, refleja el nivel de glucagon en la sangre, el cual a su vez varía con la cantidad de glucosa en sangre. La concentración celular de F2,6,BP se establece por las velocidades relativas de su formación y rompimiento. La F2,6,BP se forma por la fosforilación de F6P, catalizada por la PFK-2 e hidrolizado por F2,6BP. La PFK-2 y FBP-2 son dos actividades enzimáticas distintas pero son parte de una proteína única y bifuncional. El balance de estas dos actividades en el hígado, y, por lo tanto, el nivel celular de F2,6,BF está regulado por glucagon. El glucagon aumenta cuando la glucosa disminuye y sus niveles varían inversamente a los de insulina la cual aumenta cuando hay mucha glucosa en sangre. El glucagon es una hormona que estimula la adenilato ciclasa. El AMPc, a su vez, estimula la proteína cinasa dependiente de AMPc, la cual transfiere un grupo fosfato del ATP a la proteína bifuncional PFK-2/FBpasa-2. La fosforilación de esta proteína aumenta su actividad de FBPasa-2 e inhibe la PFK-2. El glucagon, por lo tanto, disminuye el nivel de F2,6,BP y de esta manera inhibe la glicólisis y estimula la GN. La producción resultante de más glucosa capacita al hígado para reponer la glucosa sanguínea en respuesta al glucagon. La piruvato cinasa, una enzima glicolítica clave, también disminuye su actividad cuando la glucosa se requiere más urgentemente por el cerebro y el músculo.

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El glucagon dispara la cascada de AMPc que conduce a la fosforilación y consecuente inhibición de la piruvato cinasa durante el ayuno. El control también se da a nivel de la expresión de los genes. La insulina estimula la expresión de PFK-1, PK, y la enzima bifuncional que forma y degrada la F2,6BP. El glucagon inhibe la expresión de estas enzimas y estimula la producción de PEP-carboxicinasa y F1,6,BP. Resumen de la regulación hormonal de la [F2,6,BF] y de GN.

Baja [glucosa] en sangre ⇓

Aumento en la secreción de glucagon ⇓

Aumento en la [AMPc] ⇓

Aumento en la fosforilación de enzimas ⇓

Activación de FBPasa-2 e inactivación de PFK-2 ⇓

Disminución en la [F2,6,BP] ⇓

Inhibición de la PFK-1 y activación de FBPasa ⇓

Aumento en la GN 8. Problemas 5 y 6, Cap. 18.

9B. VÍA DE LAS PENTOSAS FOSFATO

1. (a) ¿Qué es la vía de las pentosas, cuáles son los otros nombres que recibe esta y en que parte de la célula se lleva a cabo? Es una vía secundaria del metabolismo de glucosa, que se inicia a partir de glucosa 6 fosfato. En la 1ª etapa, esta hexosa es descarboxilada oxidativamente a una pentosa con la producción concomitante de NADPH. La 2ª. Etapa es la vía no oxidativa en donde 6 moléculas de pentosas sufren transformaciones para dar lugar a 5 moléculas de hexosa. También recibe los nombres de derivación de las pentosas, vía de las hexosas monofosfato o vía oxidativa del fosfogluconato y se lleva a cabo en el citosol. (b) ¿Cuáles son los productos principales y la ecuación balanceada de la etapa oxidativa de esta vía? Ribosa 5 fosfato (R5P) y NADPH.

Glucosa 6P + 2 NADP+ + H2O ---> Ribosa 5P + 2 NADPH + 2 H+ + CO2 (c) ¿Cuál es la diferencia estructural y funcional entre NADH y NADPH? El NADH es oxidado por la cadena respiratoria para generar ATP, mientras que el NADPH sirve como un donador de electrones (Donador de iones hidruro) en la biosíntesis reductora. El grupo fosforilo en el carbón 2 de la unidad de ribosa del NADPH lo distingue del NADH. (d) ¿De qué macromoléculas y biomoléculas es precursor la ribosa 5 fosfato? De ADN y ARN y de ATP, CoA, NAD+ y FAD.

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(e) ¿En qué proceso metabólico en las plantas está involucrado parte de la vía de las pentosas? En la formación de hexosas a partir de CO2 en la fotosíntesis. 2. (a) ¿Qué reacciones catalizan las siguientes enzimas: (a1) glucosa 6 fosfato deshidrogenasa, (a2) lactonasa, (a3) fosfogluconato deshidrogenasa, (a4) fosfopentosa isomerasa y (a5) fosfopentosa epimerasa? (a1) Glucosa 6P + NADP+ --> 6 Fosfoglucono δ lactona + NADPH + H+; (a2) 6 Fosfoglucono δ lactona + H2O ---> 6 Fosfogluconato + H+ (a3) 6 Fosfogluconato + NADP+ ---> Ribulosa 5P + NADPH + CO2 (a4) Ribulosa 5 P <--> Intermediario enediol <--> Ribosa 5 P (a5) Ribulosa 5P <---> Xilulosa 5 P (b) ¿Cuál(es) de las enzimas anteriores requiere(n) NADP+ y cataliza(n) reacciones de descarboxilación oxidativa. Glucosa 6 fosfato deshidrogenasa y 6-fosfogluconato deshidrogenasa requieren de NADP+ y la ultima cataliza una descarboxilación oxidativa. (c) ¿Qué enzimas de la glicólisis catalizan reacciones similares a la de la fosfopentosa isomerasa? Fosfoglucosa isomerasa y triosa fosfato isomerasa. (d) ¿Qué enzima de la fermentación alcohólica cataliza una reacción de descarboxilación? Piruvato descarboxilasa. (e) ¿Qué enzimas del ciclo del ácido cítrico catalizan reacciones de descarboxilación oxidativa? Isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa. (f) ¿Cuál es la enzima que sirve como sitio de control en esta vía y cuál es el modulador mas importante? La glucosa 6 P deshidrogenasa cataliza una reacción irreversible, Esta reacción es limitante de la velocidad bajo condiciones fisiológicas y sirve como sitio de control siendo el factor regulatorio mas importante el NADP+. El cociente NADP+/NADPH en el citosol de una célula hepática de una rata bien alimentada es 0.014, varias órdenes de magnitud que el cociente NAD+/NADH, el cual es 700 bajo las mismas condiciones. El efecto marcado del nivel de NADP+ sobre la velocidad de la rama oxidativa asegura que la generación de NADPH este acoplada estrechamente a su utilización en la biosíntesis reductora. 3. (a) Describa la manera en que la ribosa 5 fosfato se puede convertir en intermediarios de la glicólisis. Por medio de la vía no oxidativa de las pentosas y de las enzimas fosfopentosa epimerasa, transaldolasa (TA) y transcetolasa (TK) que catalizan las siguientes interconversiones: C5 + C5 <<TC>> C3 + C7; C3 + C7 <<TA>> C6 + C4; C5 + C4 <<TK>> C6 + C3; en donde C5 equivale a Xilulosa 5P y Ribosa 5P en la primera reacción y a xilulosa 5P en la tercera; C3 equivale a Gliceraldehído 3P; C7 equivale a sedoheptulosa 7 P; C6 a fructosa 6 P y C4 a eritrosa 4 P. De esta manera, la suma de las reacciones anteriores es:

2 Xilulosa 5P + Ribosa 5P <----> 2 Fructosa 6 P + Gliceraldeído 3P Ya que xilulosa 5P puede formarse a partir de Ribosa 5 P por la acción secuencial de fosfopentosa isomerasa y fosfopentosa epimerasa, la ecuación neta empezando de ribosa 5P es

3 Ribosa 5 P<--->2 fructosa 6P + Gliceraldehído 3 P

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De lo anterior se concluye que el exceso de ribosa 5 fosfato producido por la vía de las pentosas fosfato puede ser convertido completamente en intermediarios glicolíticos. Es evidente que el esqueleto de carbones de los azúcares puede rearreglarse para suplir las necesidades fisiológicas. (b) ¿Que reacciones catalizan y cuál es el grupo prostético de transcetolasa y transaldolasa? Ver la pregunta anterior y TPP es el grupo prostético de la TK, mientras que TA no tiene grupo prostético, sino que se forma una base de Schiff entre el grupo carbonilo de la cetosa y el grupo ε-amino de un residuo de lisina en el sitio activo de la enzima. Esta clase de intermediario enzima-sustrato es parecido al que se forma en la fructosa bifosfato aldolasa en la vía glicolítica. En el caso de la TK, el mecanismo de catálisis es similar en que una unidad de aldehído activada es transferida a un aceptor. En este caso, el aceptor es una aldolasa, mientras que en la reacción de la piruvato deshidrogenasa es la lipoamida. En ambas reacciones, el sitio de adición del sustrato ceto es el anillo de tiazol del grupo prostético. (c) En que otras enzimas actúa la TPP como grupo prostético: Piruvato descarboxilasa, piruvato deshidrogenasa, y α-cetoglutarato deshidrogenasa (d) ¿Por qué la vía de las pentosas es muy activa en el tejido adiposo? Porque se requieren grandes cantidades de NADPH en la biosíntesis reductora de ácidos grasos a partir de AcetilCoA. 4. (a) OPCIONAL ¿Cuál es el mecanismo de acción de la TK? (b) OPCIONAL ¿Cuál es el origen del síndrome de Wernicke-Korsakoff? Es una enfermedad neurosiquiátrica sorprendente, causado por la deficiencia de tiamina en la dieta de personas susceptibles. Se caracteriza por parálisis del movimiento de los ojos y paso y postura anormal y alteraciones en la función mental. En particular, los pacientes con este síndrome están desorientados y tienen una memoria severamente dañada. Solo una pequeña minoría de los alcohólicos y otras personas crónicamente desnutridas desarrollan esta enfermedad. Su incidencia es mucho mayor en Europeos que en no-europeos con dietas deficientes en tiamina. Los estudios con transcetolasa de fibroblastos en cultivo muestra que la TK de los pacientes con el síndrome de Wernicke-Korsakoff unen tiamina pirofosfato 10 veces menos que la enzima de las personas normales. Otras dos enzimas dependientes de tiamina, las deshidrogenasas de piruvato y α-cetoglutarato están normales en esta enfermedad. La anormalidad de la transcetolasa llega a ser clínicamente evidente solo cuando el nivel de TPP es demasiado bajo para saturar a la enzima. (c) Describa las consecuencias de la deficiencia de glucosa 6 fosfato deshidrogenasa. La droga antimalaria primaquina fue introducida en 1926. La mayoría de los pacientes toleraron bien la droga, pero unos pocos desarrollaron síntomas severos después del inicio de la terapia. La orina se tornó negra, se desarrolló ictericia, y el contenido de hemoglobina disminuyó abruptamente. En algunos casos, la destrucción masiva de los eritrocitos causó la muerte. Treinta años después se demostró que esta anemia hemolitica inducida por drogas fue causada por una deficiencia de glucosa 6 P deshidrogenasa. Este defecto que afecta a cientos de millones de gentes es heredado y ligado al sexo. Los eritrocitos son afectados porque carecen de mitocondrias y no tienen formas alternativas de generar NADPH. El papel principal del NADPH en los eritrocitos es reducir la forma oxidada (disulfuro) de glutatión a la forma sulfhidrilo, una reacción catalizada por la glutatión reductasa. El glutatión reducido sirve como un amortiguador de sulfhidrilos para mantener los residuos de cisteína de la hemoglobina y de otras proteínas de los eritrocitos en su estado reducido. Las células con bajos niveles de glutatión reducido son mas susceptibles a la hemólisis. Las drogas como primaquina (usada antes para tratar la malaria) distorsionan a la superficie de las células rojas en la

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ausencia de glutatión reducido, lo cual las hace mas susceptibles a la destrucción y remoción por el bazo. Estas drogas también aumentan la velocidad de producción de peróxidos tóxicos, los cuales se eliminan normalmente con glutatión reducido. La ingestión de habas (vicia faba) pueden, de igual manera, inducir una anemia hemolítica en personas deficientes de G6PD. La incidencia de la mayoría de las formas de deficiencia de G6PD, caracterizada por una reducción del 10% entre los americanos de origen africano. Esta alta frecuencia sugiere que la deficiencia puede ser ventajosa bajo ciertas condiciones medioambientales. En realidad, la deficiencia de G6PD protege contra la malaria falciparum. Los parásitos que causan esta enfermedad requieren de glutatión reducido y los productos de la vía de las pentosas para un crecimiento óptimo. De tal manera que la deficiencia de G6PD y la característica de células falciformes son mecanismo paralelos de protección, lo que explica su alta incidencia en regiones infestadas de malaria. Esta forma reducida también juega un papel en la detoxificación al reaccionar con peróxido de hidrógeno y otros peróxidos orgánicos. Normalmente, el cociente Glured/Gluox en un eritrocito es de 500. Las células con bajos niveles de glutatión son mas susceptibles a la hemólisis. 5. Problemas 1 y 3, Cap 18.

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10. FOTOSÍNTESIS

1. (a) Describa las interrelaciones entre los organismos fotosintéticos y los heterótrofos y los procesos metabólicos en los organismo fotosintéticos que requieren de energía solar.

La captura de la energía solar por los organismos fotosintéticos y su conversión en energía química de

los compuestos orgánicos reducidos es la última fuente de toda la energía biológica. Los organismos fotosintéticos y heterotróficos viven en un estado estacionario balanceado en la biosfera.

Los organismos fotosintéticos atrapan la energía solar y forman ATP y NADPH, los cuales usan como

fuente de energía para hacer CHOS y otros componentes orgánicos a partir de CO2 y H2O, simultáneamente liberan O2 a la atmósfera.

Los heterotróficos aeróbicos (humanos, por ejemplo) usan el O2 formado para degradar los productos

ricos en energía de la fotosíntesis a CO2 y H2O, generando ATP para sus propias actividades. El CO2 formado por la respiración en los heterótrofos regresa a la atmósfera, para ser usado otra vez por los organismos fotosintéticos.

La energía solar proporciona la fuerza conductora para el continuo ciclo del CO2 atmosférico y O2 a

través de la biosfera y proporciona los sustratos reducidos (combustibles), como glucosa, del cual dependen los organismos no fotosintéticos.

(b) ¿Cuál es la ecuación global de la fotosíntesis y cuál de los reactivos es el donador y el aceptor de

electrones y cual es el producto formado?

CO2 + H2O --(luz)---> O2 + (CH2O) El donador de electrones (como hidrógeno) es el agua y se usa para reducir el CO2 y dar como

producto CHOS. (c) Compare el potencial de reducción estándar del agua y del NADH. A diferencia del NADH (el donador de hidrógenos en la fosforilación oxidativa), el agua es un donador

pobre de electrones; su potencial de reducción estándar es 0.82 V comparado con -0.32 V para el NADH. (d) ¿Cuál es la diferencia principal y cuáles son las similitudes entre la fosforilación oxidativa y

la fotofosforilación? La diferencia principal entre la fotofosforilación y la FosOxid es que el último proceso empieza con un

buen donador de electrones, mientras que el primero requiere de energía libre, en la forma de luz, para crear un buen donador de electrones.

Excepto por esta diferencia, ambos procesos son muy similares. En la fotofosforilación, los electrones fluyen a través de una serie de acarreadores unidos a la membrana incluyendo citocromos, quinonas y proteínas hierro-azufre, mientras que los protones son bombeados a través de la membrana para crear un gradiente electroquímico.

Este potencial es la fuerza conductora para la síntesis del ATP por el complejo de la ATP sintasa, el cual es muy similar al que funciona en la FosOxid.

(e) ¿Cuáles son los dos procesos en los que se puede dividir la fotosíntesis, que sucede en cada

uno de ellos y describa la estructura de los cloroplastos? (e1) reacciones luminosas que se llevan a cabo solo cuando la planta es iluminada y (e2) las reacciones de fijación de carbono (también llamadas reacciones oscuras) que ocurren tanto

en la luz como en la oscuridad. En las reacciones luminosas, la clorofila y otros pigmentos de las células fotosintéticas absorben energía solar y la conservan en forma química en dos productos ricos en energía: ATP y NADPH; simultáneamente el oxígeno se desprende.

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En las reacciones oscuras, el ATP y el NADPH son usados para reducir el CO2 para formar

glucosa y otros compuestos orgánicos. La formación de O2, lo cual ocurre solo con la luz, y la reducción del CO2, que no requiere luz, son dos proceso distintos y separados.

Ambos procesos se realizan en los cloroplastos. Una membrana interna encierra el compartimiento

interno en el cual hay muchas vesículas rodeadas de membranas o sacos aplanados, llamados tilacoides, los cuales se arreglan normalmente en pilas llamadas grana. Los tilacoides están separados de la membrana interna.

Los pigmentos fotosintéticos están embebidos en las membranas de los tilacoides y todas las enzimas

requeridas para las reacciones primarias de la luz. El fluido en el compartimiento que rodea los tilacoides, el estroma, contiene la mayoría de las enzimas que se requieren para las reacciones de fijación del CO2 a triosas fosfato y de ahí a glucosa.

(f) ¿Cuál es la función de las mitocondrias en las plantas? Cuando la energía solar no está disponible, las mitocondrias de la planta generan ATP por la oxidación

de los CHOS originalmente producidos en los cloroplastos en la fase luminosa. 2. (a) Describa el experimento de Hill y sus conclusiones. Indique la reacción y el reactivo de Hill. Hill encontró, en 1937, que cuando los extractos de hojas conteniendo cloroplastos fueron

suplementados con un aceptor de hidrógenos no biológico y entonces iluminadas, se llevó a cabo la producción de O2 y reducción simultánea del aceptor de hidrógenos, de acuerdo a una ecuación conocida ahora como reacción de Hill:

2H2O + 2A--(luz)--> 2AH2 + O2 en donde A es el aceptor artificial de hidrógenos. Uno de los aceptores de hidrógeno usados por Hill

fue el colorante 2,6-diclorofenolindofenol, ahora llamado reactivo de Hill, el cual en su forma oxidada [A] es azul y en su forma reducida [AH2] es incoloro. Cuando el extracto de hojas suplementado con el colorante se iluminó, el color azul se tornó incoloro y se produjo O2.

En la oscuridad no se llevó a cabo ni la producción de O2 ni la reducción del colorante. Esta fue la

primera pista específica para poder entender como la energía luminosa absorbida se convirtió en energía química: causa un flujo de electrones del agua a un aceptor de electrones. Además, Hill encontró que el CO2 no se requirió en esta reacción, ni fue reducido a una forma estable bajo estas condiciones. Por lo tanto, el concluyó que la producción de O2 se pudo disociar de la reducción de CO2.

(b) ¿Cuál es el aceptor biológico de los electrones en los cloroplastos? El NADP+ es el aceptor

biológico de los electrones en los cloroplastos, de acuerdo a la ecuación:

2 H2O + 2 NADP+ ---(luz)---> 2 NADPH + 2 H+ + O2 (c) Contraste la dirección en la que fluyen los electrones en la fotofosforilación y en la fosforilación

oxidativa mencionando las moléculas donadoras y aceptoras de electrones en cada caso. En los cloroplastos, los electrones fluyen del H2O al NADP+, mientras que en la respiración

mitocondrial los electrones fluyen en la dirección opuesta, del NADH o NADPH al O2 con la liberación de energía libre. Debido a que el flujo de electrones inducido por la luz en los cloroplastos ocurre en dirección cuesta arriba, del agua al NADP+, no puede ocurrir sin la participación de la energía libre, esta energía viene de la luz.

(d) ¿Cuál es el rango de λ de la luz visible?

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De 400 a 700 nm aprox. del violeta al rojo (una parte muy pequeña del espectro electromagnético que va de <1 nm en los rayos gamma a miles de metros en las ondas de radio).

(e) ¿Qué sucede cuando una molécula absorbe un fotón? Cuando un fotón es absorbido, un electrón es impulsado a un nivel energético superior. Esto

sucede sobre una base de todo o nada, para ser absorbido, el fotón debe contener una cantidad de energía (un quantum) que empate exactamente la energía de la transición electrónica.

Una molécula que ha absorbido un fotón está en un estado excitado, que es generalmente inestable. Los electrones impulsados hacia un orbital energético superior usualmente regresan rápidamente a sus orbitales de menor energía; la molécula excitada revierte (decae) a su estado basal estable.

3. (a) ¿Cuáles son los pigmentos mas importantes y los pigmentos accesorios que absorben luz en

las membranas de los tilacoides? Las clorofilas y los pigmentos accesorios son los carotenoides y las ficobilinas. Las clorofilas, son

pigmentos verdes con estructuras planares, policíclicas que se parecen a la de la protoporfirina de la hemoglobina, excepto que el Mg+2, y no el Fe+2 ocupa la posición central. Los cloroplastos de las plantas superiores siempre contienen dos tipos de clorofila.

Una es invariablemente clorofila a, y la segunda en muchas especies es clorofila b, la cual tiene un grupo aldehído en lugar de un grupo metilo unido al anillo II. Aunque ambas son verdes, sus espectros de absorción son ligeramente diferentes, permitiendo que los dos pigmentos se complementen uno a otro en el rango de absorción de luz en la región visible.

La mayoría de las plantas superiores contienen cerca de 2 veces mas clorofila a que clorofila b. La clorofila bacteriana difiere solo ligeramente de los pigmentos de las plantas.

Las ficobilinas son tetrapirroles lineales que tienen un sistema de polienos extendidos como el de las clorofilas, pero no tienen su estructura cíclica o el Mg+2 en el centro. Ejemplos son ficoeritrina y ficocianina.

(b) Describa cuáles son las diferencias estructurales y de espectro de absorción entre las clorofilas a

y b. La luz que no es absorbida apreciablemente por la clorofila a (a 460 nm por ejemplo), es capturada por

la clorofila b, la cual tiene una intensa absorción a esta λ. Estas dos clases de clorofilas se complementan una a otra en la absorción de la luz solar incidente. La región espectral de 500 a 600 nm es solo débilmente absorbida por estas clorofilas, lo cual no es un problema para las plantas verdes.

Por el contrario, la luz es frecuentemente un factor limitante para las cianobacterias y algas rojas. Ellas poseen pigmentos cosechadores de luz accesorios que las capacitan para atrapar la luz que no es absorbida fuertemente por las clorofilas de los organismos fotosintéticos que están arriba.

(c) ¿De que color pueden ser los carotenoides y cuáles son los mas importantes? Los carotenoides pueden ser amarillos, rojos o púrpuras. El mas importante es β-caroteno, un

compuesto isoprenoide rojo-naranja que es el precursor de la vitamina A en los animales, y el carotenoide amarillo xantofila.

Los carotenoides absorben luz a una longitud de onda diferente a la de las clorofilas y así son receptores de luz suplementarios.

(d) ¿En dónde están presentes las ficobilinas y en que región absorben luz? Las ficobilinas están presentes solo en las algas rojas y cianobacterias, absorben luz en la región de

520 a 630 nm, permitiendo que estos organismos vivan en nichos donde la luz de menor o mayor longitud de onda ha sido filtrada por los pigmentos de otros organismos vivos en el agua arriba de ellos o por el agua misma.

4. (a) ¿Qué es un fotosistema, un centro de reacción fotoquímico y una molécula antena?

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Un fotosistema es un conjunto de pigmentos que absorben luz en la membrana de los tilacoides arreglados de una manera funcional. En los cloroplastos de las espinacas cada fotosistema contiene cerca de 200 moléculas de clorofilas y 50 moléculas de carotenoides.

Este fotosistema puede absorben luz en todo el rango visible, pero especialmente entre 400 y 500 nm y 600 y 700 nm. Todas las moléculas de pigmentos en un fotosistema pueden absorber luz, pero solo unas pocas pueden transducir la energía luminosa en energía química.

Un centro de reacción fotoquímico es un complejo formado por un pigmento que transduce, el cual consiste de varias moléculas de clorofila combinadas con una proteína y unidas fuertemente a varias quinonas.

Las otras moléculas de pigmentos son llamadas moléculas antena o cosechadoras de luz, cuya

función es de absorber energía luminosa y transmitirlas a una velocidad muy alta al centro de reacción fotoquímico en donde ocurre la reacción fotoquímica.

(b) ¿Con quién están unidas las moléculas de clorofila en las membranas de los tilacoides? Están unidas con proteínas integrales de membrana llamadas proteínas CAB o clorofilas de unión

a/b que orientan las moléculas de clorofila en relación al plano de la membrana y le confieren características de absorción de luz que son sutilmente diferente de las de la clorofila libres.

Cuando las moléculas de clorofila aisladas in vitro son excitadas por la luz, la energía absorbida es liberada rápidamente como fluorescencia y calor, pero, cuando las clorofilas en las hojas de espinacas intactas son excitadas por la luz visible, se observa muy poca fluorescencia.

En lugar de esto, se lleva a cabo una transferencia de energía directa de la clorofila excitada (una clorofila antena) a las moléculas vecinas de clorofila, excitando una segunda molécula y permitiendo que la primera regrese a su estado basal.

Esta energía de transferencia se repite hasta una tercera, cuarta o subsecuente molécula de clorofila, hasta que la clorofila de centro de reacción llega a ser excitada.

En esta molécula de clorofila especial, un electrón es promovido por excitación a un orbital superior.

Este electrón pasa entonces a un aceptor de electrones vecino que es parte de la cadena de transferencia de electrones del cloroplasto, dejando la molécula de clorofila excitada con un orbital vacío (“un hoyo de electrones”).

El aceptor de electrones adquiere así una carga negativa. El electrón perdido por la clorofila del centro

de reacción es reemplazado por un electrón de una molécula donadora de electrones vecina, la cual adquiere una carga positiva.

De esta manera, la excitación produce una separación de cargas eléctricas e inicia la cadena de

óxido reducción. Acoplado al flujo de electrones impulsado por la luz a lo largo de esta cadena están los procesos que genera ATP y NADPH.

(c) ¿Cuáles son las dos clases de fotosistemas de las membranas del tilacoide, sus centros de

reacción y la proporción de clorofilas a y b? El fotosistema I tiene un centro de reacción denominado P700 y un alto cociente [clorofila

a/clorofila b]. El fotosistema II, con sus centro de reacción P680, contiene cantidades similares de clorofila a y clorofila b y puede contener un tercer tipo, la clorofila c.

(d) ¿Qué fotosistema(s) está(n) presente(s) en los organismos fotosintéticos que desprenden y en los

que no desprenden oxígeno? Todas las células fotosintéticas que producen oxígeno- las de las plantas superiores, algas y

cianobacterias- contienen ambos fotosistemas I y II, y todas las especies de bacterias fotosintéticas que no desprenden oxígeno contienen solo el fotosistema I.

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5. Explique los eventos secundarios a la absorción de luz por los fotosistemas I y II. Describiendo, para el PSII (P680),. el papel de

feofitina (un pigmento accesorio parecido a clorofila, pero sin Mg+2), plastoquinona unida a proteína (QA), el complejo de ruptura de agua y

Y para el caso del PSI (P700): plastocianina (una proteína soluble de transferencia de electrones que contiene Cu), Ao (una clase especial de clorofila que funciona de manera análoga a la feofitina del fotosistema II), filoquinona (A1), ferredoxina, ferredoxina NADP+ oxidorreductasa. La excitación en el PII crea momentáneamente un especie química de potencial de óxido-reducción

muy bajo - un donador excelente de electrones. El P680 excitado, denominado P680*, dentro de picosegundos transfiere un electrón a feofitina, la cual queda con una carga negativa (denominado Ph-).

Con la pérdida de un electrón P680* queda como un catión denominado P680+. De esta manera, la excitación, creando Ph- y P680+ produce la separación de las cargas. Ph- pasa inmediatamente su electrón extra a QA (una plastoquinona unida a proteínas), la cual, a su vez, los pasa a QB, una quinona unida laxamente. Cuando QB ha adquirido dos electrones de tal transferencia de QA y dos protones del agua, está en su forma totalmente reducida, quinol QBH2.

Esta moléculas se disocia de su proteína y difunde del centro de reacción fotoquímico, llevando en sus enlaces químicos algo de la energía de los fotones que originalmente excitaron P680.

La reacción global iniciada por la luz en el PSII es la siguiente:

4P680 + 4H+ + 2QB + luz (4 fotones) --à 4P680+ + 2QBH2 Eventualmente los electrones en QBH2 son transferidos a través de una cadena de acarreadores

unidos a membrana al NADP+, reduciéndolo a NADPH y liberando los protones. En tanto pasa esto, P680+ debe adquirir un electrón para regresarlo a su estado basal en preparación

para la captura de otro fotón de energía. En principio, el electrón requerido puede venir de varios compuestos orgánicos o inorgánicos.

Las bacterias fotosintéticas pueden usar varios donadores de electrones para este propósito: acetato, succinato, malato o sulfuro, dependiendo del que este disponible en su nicho ecológico. Hace mucho tiempo, las bacterias fotosintéticas produjeron un fotosistema capaz de tomar electrones de un donador que está siempre disponible, el agua.

En este proceso se rompen dos moléculas de agua, produciendo 4 electrones, cuatro protones y oxígeno molecular:

2 H2O --> 4H+ + 4e- + O2.

Un solo fotón de luz visible no posee suficiente energía para romper los enlaces en el agua; se

requieren cuatro fotones en esta reacción de ruptura fotolítica. Los cuatro electrones obtenidos del agua no pasan directamente a P680+, el cual puede aceptar solo un electrón a la vez.

En vez de esto, un aparato molecular complejo, el complejo de ruptura del agua, pasa los electrones a P680+ de uno en uno.

El donador inmediato de e- a P680+ es un residuo de tirosina (representado por el símbolo Z) en la proteína D1 del centro de reacción del fotosistema II:

4 P680+ + 4 Z ⇒ 4 P680 + 4 Z+

Este residuo de tirosina obtiene nuevamente el electrón faltante al oxidar un racimo de cuatro iones

manganeso en el complejo de ruptura del agua. Con cada electrón de transferencia, este racimo de Mn llega a estar mas oxidado; cuatro

transferencias sencillas, cada una correspondiente a la absorción de un fotón, produce una carga de +4 en el complejo Mn:

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4Z+ + [complejo Mn]o ⇒ 4Z + [Complejo Mn]+4.

De esta manera, el complejo Mn puede tomar 4 electrones de un par de moléculas de agua, liberando

4H+ y O2:

[Complejo Mn]4+ + 2 H2O ⇒ [complejo Mn] + 4 H+ + O2

La suma de todas las ecuaciones hasta QB es:

2 H2O + 2 QB + 4 fotones ⇒ O2 + 2QBH2

La actividad de ruptura del agua es una parte integral del centro de reacción del fotosistema II, y ha sido muy difícil su purificación. Tampoco se conoce la estructura detallada del complejo Mn.

(a2) Los eventos fotoquímicos que siguen a la excitación del fotosistema I (P700) son similares a los

descritos para el fotosistema II. Primero, la luz es capturada por cualquiera de las 200 moléculas de clorofila a y b, o pigmentos

accesorios adicionales que sirven como antenas, y que la energía absorbida se mueve a P700. El centro de reacción excitado P700* cede un electrón a un aceptor Ao (una forma especial de

clorofila, que funciona de manera análoga a la feofitina del fotosistema II) produciendo así P700+ y Ao-.

P700+ es un fuerte agente oxidante, el cual adquiere rápidamente un electrón de plastocianina, una proteína de transferencia de electrones soluble que contiene Cu.

Ao- es un agente reductor excepcionalmente fuerte, el cual pasa sus electrones a través de una

cadena de acarreadores que lo conducen hasta NADP+. Primero filoquinona (A1) acepta un electrón de Ao-

y lo pasa a una proteína hierro-azufre. De aquí, los electrones se mueven a ferredoxina (Fd), otra proteína hierro azufre asociada laxamente con la membrana del tilacoide.

La ferredoxina de espinacas (Mr 10,700), que ha sido aislada y cristalizada, contiene dos centros Fe-2S. Los átomos de fierro de la ferredoxina transfieren electrones de uno en uno por cambios de valencia Fe2+ a Fe3+.

El cuarto acarreador de la cadena es una flavoproteína llamada ferredoxina-NADP+ oxidorreductasa. Transfiere electrones de la ferredoxina (Fdred

+2) al NADP+.

2Fdred+2 + 2H+ + NADP+ ⇒ 2Fdox

+3 + NADPH + H+ 6. (a) ¿Qué nos describe el esquema Z y cuál es su ecuación? La máxima velocidad de fotosíntesis, medida como producción de O2, requiere luz de, al menos dos λ,

que, ahora se conoce, excitan a los fotosistemas I y II. Los dos fotosistemas deben de funcionar juntos en las reacciones que producen O2 en la fotosíntesis.

El esquema Z nos presenta la vía de transferencia de electrones entre los dos fotosistemas así como las relaciones de energía en las reacciones luminosas.

Cuando los fotones son absorbidos por el fotosistema I, los electrones son expelidos del centro de

reacción y fluyen por la cadena de acarreadores de e- al NADP+ para reducirlo a NADPH. El P700+, deficiente de electrones transitoriamente, acepta un electrón expelido por la iluminación de PSII, el cual llega vía una segunda cadena de conexión de acarreadores de electrones.

Esto deja un “hoyo” de electrones en el PSII, el cual es llenado por los electrones del agua. Se ha descrito como el agua se rompe para producir (1) electrones, que son donados al PSII deficiente de electrones; (2) protones, que son liberados dentro del lumen del tilacoide, y (3) O2, el cual se libera en la fase gaseosa. El esquema Z describe así la vía completa por la cual los

electrones fluyen del agua al NADP+, de acuerdo a la ecuación:

2H2O + 2 NADP+ + 8 fotones ⇒ O2 + 2 NADPH + 2H+

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Se transfieren 4 electrones del agua al NADP+, se absorben 2 fotones, uno por cada fotosistema. Para formar una molécula de O2, lo cual requiere la transferencia de 4 e- de 2 moléculas de agua a 2 moléculas de NADP+, se deben absorber 8 fotones, 4 de cada fotosistema.

(b) Describa la estructura y función del citocromo bf y mencione a que molécula transportadora de

electrones de la membrana interna mitocondrial se parece. Los electrones almacenados en QBH2, como resultado de la excitación de P680 en el PS II, son

acarreados a P700 (PSI) vía un ensamblaje de varias proteínas integrales de membrana conocidas como complejo citocromo bf y la proteína soluble plastocianina.

Este complejo puro contiene citocromos tipo b con dos grupos hemo (cit b563), una proteína hierro-azufre (PM 20,000), y citocromo f también llamado b552. Los electrones fluyen a través del complejo cit bf desde QBH2 al citocromo f aunque la vía exacta no se conoce.

El cit f pasa sus electrones a plastocianina, el donador para la reducción de P700. El citocromo bf de las plantas es muy similar al citocromo bc1 del complejo II de la cadena de transporte de electrones mitocondrial, y realiza una función similar.

Ambos complejos transportan electrones de una quinona reducida, un acarreador de 2 electrones liposoluble, móvil (UQ en mitocondria y QB en cloroplastos) a una proteína liposoluble (citocromo c en mitocondria y plastocianina cloroplastos).

Como en la mitocondria, la función de este complejo involucra el ciclo Q en el cual los electrones

pasan de uno en uno de QBH2 al citocromo b. Como en el complejo III mitocondrial, este ciclo resulta en el bombeo de protones a través de la membrana, en los cloroplastos, la dirección del movimiento de protones es del compartimiento del estroma al lumen del tilacoide. El resultado es la producción de un gradiente de protones a través de la membrana del tilacoide cuando los electrones pasan del PSII al PSI.

Debido al que el volumen del lumen tilacoidal es pequeño, el influjo de un número relativamente pequeño de protones tiene un efecto muy grande sobre el pH luminal. De hecho existe una diferencia de 3,000 veces en la concentración de protones en el estroma (pH 8) y el lumen tilacoidal (pH 4.5), una fuerza conductora poderosa para la síntesis de ATP.

7. (a) ¿Cuáles son las 6 evidencias que apoyan el hecho de que un gradiente de protones está

involucrado en la fotofosforilación o fosforilación fotosintética? a1 Los centros de reacción, los acarreadores de electrones, y las enzimas que forman ATP están

localizadas en una membrana- la membrana del tilacoide; a2 la fotofosforilación requiere de membranas de tilacoide intactas; a3 la membrana de los tilacoides es impermeable a los protones; a4 la fotofosforilación puede ser desacoplada del flujo de electrones por reactivos que promueven el

paso de protones a través de la membrana del tilacoide, a5 la fotofosforilación puede ser bloqueada por venturicidina y agentes similares que inhiben la

formación de ATP por la ATP sintasa de las mitocondrias; y a6 la síntesis de ATP está catalizada por un complejo FoF1, localizado en la superficie exterior de la

membrana del tilacoide, que es muy similar, en estructura y función, al complejo FoF1 de la mitocondria. (b) Describa el experimento de André Jagendorf y sus conclusiones. El demostró, en 1968, que un gradiente de pH a través de la membrana del tilacoide (alcalino

afuera) proporciona la fuerza conductora para generar ATP. Las primeras observaciones de Jagendorf proporcionaron la evidencia experimental mas importante en

apoyo de la hipótesis quimiosmótica de Mitchell. En la oscuridad, el sumergió los cloroplastos en un buffer de pH 4, que penetró lentamente en el compartimiento interno de los tilacoides, disminuyendo su pH interno.

El agregó ADP y Pi a la suspensión de cloroplastos en la oscuridad y entonces rápidamente aumentó

el pH del medio externo a 8, creando momentáneamente un enorme gradiente a través de la membrana.

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Cuando los protones de los tilacoides se movieron al medio, se sintetizó ATP a partir de ADP y Pi. Debido a que la formación del ATP ocurrió en la oscuridad (sin la participación de energía luminosa), este experimento demostró que un gradiente de pH a través de la membrana es un estado de alta energía que puede, como en la fosforilación oxidativa mitocondrial, mediar la transducción de la energía de la transferencia de electrones a la energía química el ATP.

(c) Describa brevemente la estructura y localización de la ATP sintasa de los cloroplastos. Es un gran complejo con dos componentes funcionales. CFO y CF1 (C denota el origen de

cloroplastos). CFo es un poro de protones transmembranal compuesto de varias proteínas integrales de membrana y es homólogo con Fo mitocondrial. CF1 es un complejo de proteínas de membrana periférica similar en composición de subunidades, estructura y función a F1 mitocondrial. Juntas estas proteínas constituyen la sintasa de ATP de cloroplastos.

Las bacterias también tienen ATP sintasa que es considerablemente similar, en estructura y función, a la del cloroplasto y mitocondria. La microscopía electrónica de cloroplastos seccionados muestra a los complejos de ATP sintasa como proyecciones parecidas a perillas sobre la superficie exterior (estroma) de la membrana de los tilacoides; estas corresponden al complejo de la ATP sintasa que se proyectan en la superficie interna (matriz) de la membrana interna mitocondrial.

De tal manera que tanto la orientación de la ATP sintasa y la dirección del bombeo de protones en los cloroplastos son opuestos a los de la mitocondria. En ambos casos, la porción F1 está localizada en el lado mas alcalino a través del cual fluyen los protones a favor del gradiente de concentración; la dirección del flujo de protones relativo a F1 es la misma en ambos casos. CF1 tiene un composición de subunidades α3β3γδε.

Las subunidades α y β contiene los sitios de unión t catalíticos para el ATP y el ADP. La subunidad δ une a CF1 con CFo y la subunidad γ controla el flujo de protones. La subunidad ε inhibe la actividad catalítica del complejo en la obscuridad para impedir el hidrólisis de ATP.

(d) Describa la fotofosforilación cíclica, escriba la ecuación que la describe y en que casos se lleva a

cabo. Existe una vía alternativa del flujo de electrones inducido por luz que permite que los cloroplastos

cambien el cociente de NADPH y ATP formado durante la iluminación; se conoce como el flujo cíclico de electrones para diferenciarlo del proceso normalmente unidireccional o flujo no cíclico de electrones que procede del agua al NADP+.

El flujo cíclico de electrones involucra solo al Fotosistema I. Los electrones que pasan de P700 a ferredoxina no continúan hasta NADP+, sino que regresan al complejo de citocromo bf y de allí a plastocianina.

La plastocianina dona los electrones a P700, cuya iluminación promueve la transferencia de electrones

a ferredoxina. Así, la iluminación del fotosistema I puede causar que los electrones ciclen continuamente fuera del centro de reacción del fotosistema I y regresen a el, cada electrón siendo impulsado alrededor del ciclo por la energía producida por la absorción de un fotón.

El flujo cíclico de electrones no está acompañado por la formación de NADPH o la producción de oxígeno. Sin embargo está acompañado del bombeo de protones y de la fosforilación del ADP a ATP, referido como fotofosforilación cíclica. La ecuación total para el flujo de electrones cíclico y la fotofosforilación es:

ADP + Pi ⇒ ATP + H2O Se piensa que este proceso cíclico ocurre cuando la célula de la planta tienen NADPH en abundancia

pero requiere ATP adicional para otras necesidades adicionales. (e) Mencione 1 ejemplo de donador de hidrógenos inorgánico y 1 ejemplo de donador de

hidrógenos orgánico y el producto que se genera en bacterias fotosintéticos, en vez del O2,

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Con la excepción de las cianobacterias, las cuales tienen un sistema fotosintético productor de O2 parecido al de las plantas, las bacterias fotosintéticas no producen O2. Algunas usan compuestos inorgánicos como donadores de hidrógeno.

Por ejemplo, las bacterias verde azufrosas usan H2S como donador de hidrógeno. En vez de oxígeno producen S. Otras bacterias usan lactato y su producto es piruvato

(f) Cuál es la ecuación general de la fotosíntesis en todo tipo de organismos.

2H2D + CO2 + luz ⇒ (CH2O) + H2O + 2D En donde H2D simboliza un donador de hidrógenos y D es su forma oxidada. H2D puede ser agua,

H2S, lactato o algún otro compuesto. 8. (a) ¿Qué enzimas de los tejidos animales pueden incorporar CO2? Piruvato carboxilasa (GN), propionil CoA carboxilasa (propionil Coa a D metilmalonil CoA, β-

oxidación de ácidos grasos de cadena impar) acetil CoA carboxilasa (síntesis de ácidos grasos) o por carbamil fosfato sintetasa I durante la formación de urea.

En todos los casos anteriores el CO2 es eliminado posteriormente. Los autótrofos pueden usar CO2 como la única fuente de todos los átomos de carbono requeridos para la biosíntesis no solo de celulosa y almidón, sino también de lípidos y proteínas, y de todos los demás componentes de la planta.

Por el contrario, los heterótrofos, en general, son incapaces de reducir en forma neta el CO2 para formar nueva glucosa en cantidades significativas.

(b) ¿Cuáles son las tres etapas en las que ocurre la fijación de CO2 en los organismos fotosintéticos? b1 Condensación del 3 moléculas de CO2 con un aceptor de 5 carbones, ribulosa 1,5 bifosfato,

para formar 6 moléculas de 3PG, b2 Reducción de 6 moléculas de 3PG a moléculas de G3P, por medio de ATP y NADPH: b3 Regeneración de un aceptor. Una moléculas de estas triosas fosfato puede ser usada para

producir energía vía glicólisis y el CAC, o condensada a hexosa fosfato para ser usada en la síntesis del almidón o sacarosa.

Cinco de las 6 moléculas de G3P (15 carbones) son usadas para regenerar tres moléculas de ribosa 5 fosfato. Así, el proceso es cíclico y permite la continuación de la conversión de CO2 en triosas y hexosas fosfato.

La fructosa 6P es un intermediario clave en la etapa 3. La vía de hexosas fosfato a pentosas fosfato involucra las mismas reacciones usadas en células animales para la conversión de pentosas fosfato a hexosas fosfato durante la operación de la vía de las pentosas. En la fijación fotosintética del CO2, esta vía opera en la dirección opuesta, convirtiendo hexosas fosfato en pentosas fosfato.

(c) ¿Cuál es la enzima que cataliza la ETAPA 1 (incorporación de CO2 en un compuesto orgánico)? Ribulosa 1,5 bifosfato carboxilasa o RuBP carboxilasa/oxigenasa (Rubisco en forma corta) (d) ¿Cuál es la estructura de esta enzima? Como una carboxilasa, rubisco cataliza la unión covalente de CO2 al azúcar de 5 átomos R 1,5, BP y

la ruptura del intermediario de 6 carbonos inestable para formar dos moléculas de 3PG, una de las cuales lleva el carbono del CO2 introducido en su grupo carboxilo.

La rubisco de las plantas tienen una estructura compleja (Mr de 550,000); tiene 8 subunidades (cada

una de 56,000) cada una conteniendo un sitio activo, y 8 pequeñas subunidades (cada una de 14,000) cuya función aún no se entiende completamente. En las plantas la enzima está localizada en el estroma del cloroplasto, donde constituye el 50% de la proteína total del cloroplasto.

La rubisco no está presente en los animales, es la enzima mas abundante de la biosfera, es la enzima clave en la producción de biomasa a partir de CO2. Está en una concentración de 250 mg/ml en el estroma, lo cual corresponde una concentración extraordinariamente alta de sitios activos (≈ 4 mM)

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En la Fig. 19-21 se aprecia a la izquierda una vista desde arriba de la enzima y a la derecha se aprecia una vista lateral. Las subunidades grandes son grises y azul intenso y las subunidades chicas están en azul y azul claro. Los residuos de aminoácidos del sitio activo están en rojo

La estructura de las subunidades de rubisco de las bacterias fotosintéticas es totalmente diferente,

con dos subunidades que se parecen a la subunidad grande de la enzima de las plantas en muchos aspectos. En la Fig. 19-21(c) se precia una molécula de rubisco de la bacteria Rhodospirillum rubrum. La subunidades están en azul claro y en blanco. Los residuos de aminoácidos del sitio activo están en rojo. En amarillo se muestra un residuo de lisina del sitio activo, el cual se carboxila para formar carbamto en la enzima activa.

(e) ¿Qué enzimas participan en la ETAPA 2 (conversión de 3 PG a G3P)? El 3PG se convierte en G3P en dos pasos que son esencialmente la reversa de los pasos

correspondientes en la glicólisis con una excepción: el nucleótido cofactor para la reducción de 1,3 BPG es NADPH, no NADH.

El estroma del cloroplasto contiene el complemento total de enzimas glicolíticas. Estas enzimas del

estroma son isoenzimas de las encontradas en el citosol, ambos conjuntos de enzimas catalizan las mismas reacciones, pero son producidas por diferentes genes.

La 3PG cinasa en el estroma cataliza la transferencia de fosfato de ATP a 3PG, produciendo 1,3BPG.

Entonces el NADPH dona los electrones en una reducción catalizada por G3P deshidrogenasa, produciendo G3P.

Además a su papel como un intermediario en la fijación de CO2, el G3P tiene varias destinos posibles

en las células de las plantas. Puede ser oxidado vía glicólisis para la producción de energía o usado para la síntesis de hexosas.

(f) ¿Qué enzimas participan en ETAPA 3 (regeneración de ribulosa 1,5 bifosfato a partir de las

triosas fosfato)? La primera reacción en la fijación de CO2 a triosas fosfato consume R1,5BP. Para que se continúe el

flujo de CO2 a carbohidratos, la R1,5BP se debe regenerar. Las células de las plantas resuelven este problema con una serie de reacciones que, junto con las etapas 1 y 2, forman una vía cíclica. Por medio de esta vía, el producto de la primera reacción (3PG) pasa a través de una serie de transformaciones que eventualmente conducen a la regeneración del material inicial, R1,5BP. La regeneración de R1,5BP involucra el rearreglo de los esqueletos de carbono de G3P y DHAP producidos en las primeras dos etapas de la fijación del carbono. Los intermediarios en la vía incluyen azúcares de 3, 4, 5, 6, y 7 carbonos. Las enzimas involucradas son:

Pasos 1, 4, 5 transcetolasa, Paso 2 aldolasa (similar a la de la glicólisis), Paso 3 sedoheptulosa 1,7 bifosfatasa Paso 6 fosfopentosa isomerasa Paso 7 fosfopentosa epimerasa Paso 8 ribulosa 5 fosfato cinasa El paso 1 es catalizado por la enzima transcetolasa, que contiene TPP como su grupo prostético y

que requiere Mg+2. La transcetolasa cataliza la transferencia reversible de un grupo cetol de un donador cetosa fosfato (fructosa 6 P), a un aceptor aldosa fosfato (G3P)

El paso 2 es promovido por una aldolasa similar a la que participa en la glicólisis. Cataliza la

condensación reversible de un aldehído, con DHAP para formar S1,7BP Paso 1: Fructosa 6P + G3P à xilulosa 5P + eritrosa 4P (transcetolasa)

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Paso 2: eritrosa 4P + DHAP à sedoheptulosa 1,7BP (aldolasa) Paso 3: sedoheptulosa 1,7 BP + H2O à sedoheptulosa 7 P + Pi (sedoheptulosa 1,7 bifosfatasa) Paso 4: sedoheptulosa 7 P à ribosa 5 P + TPP-2C ( transcetolasa) Paso 5. TPP-2C + G3P à xilulosa 5 P (transcetolasa) Paso 6: ribosa 5 P à ribulosa 5 P (fosfopentosa isomerasa) Paso 7 xilulosa 5 P à ribulosa 5 P (fosfopentosa epimerasa) Paso 8 ribulosa 5 P + ATP à ribulosa 1,5 BP (ribulosa 5 fosfato cinasa) C3 + C3 à C6 (Gluconeogénesis) C6 + C3 à C5 + C4 (Transcetolasa) Paso 1 C4 + C3 à C7 (Aldolasa) Paso 2 C7 + C3 à C5 + C5 (Transcetolasa) Pasos 3, 4 y 5 Esta vía es esencialmente la reversa e la vía oxidativa de las pentosas, emplea las mismas enzimas e

interconvierte hexosas y pentosas fosfato. 9 (a) ¿Cuántas moléculas de ATP y de NADPH se requieren para sintetizar una triosa fosfato en la

síntesis de carbohidratos de la fotosíntesis? Nueve de ATP y seis de NADPH. El ATP se requiere en la conversión de 3PG a 1,3 BPG y de

ribulosa 5 fosfato en ribulosa 1,5 bifosfato, y el NADPH se requiere en la conversión de 1,3BPG a G3P. La fuente del ATP y NADPH usados en estas reacciones son las reacciones impulsadas por la luz en la en la fotofosforilación.

(b) ¿Por qué los animales no pueden convertir CO2 en glucosa? Todas las reacciones del Ciclo de Calvin, excepto la primera catalizada por Rubisco y la última

catalizada por ribulosa 5 fosfato cinasa, están presentes en tejidos animales. Por la carencia de estas dos enzimas, los animales no pueden realizar la conversión neta de CO2 en glucosa.

(c) Describa el sistema de transporte de la membrana interna del cloroplasto que exporta triosas

fosfato e importa fosfato. La membrana interna del cloroplasto es impermeable a la mayoría de los compuestos fosforilados,

incluyendo fructosa 6P, glucosa 6P, y Fructosa 1,6BP. Sin embargo, hay un transportador específico (antiporter) que cataliza el intercambio uno a uno de Pi con triosas fosfato (DHAP o 3PG). Este antiporter mueve triosa fosfato del cloroplasto al citosol, y Pi del citosol al cloroplasto, en donde es usado en la fotofosforilación.

Sin este sistema antiporter, la fijación de CO2 en el cloroplasto se detendría rápidamente. El transporte neto de triosas fosfato desde el cloroplasto tiene el propósito de remover las triosas fosfato que se producen por la fijación de carbono. En el citosol, las triosas fosfato se convierten a sacarosa.

Las principales vías por medio de las cuales se usa el exceso de triosas fosfato son la síntesis de

sacarosa en el citosol y la síntesis de almidón en el cloroplasto. El último paso de la síntesis de sacarosa produce una molécula de Pi. Este es transportado de regreso

al cloroplasto y usado en la síntesis de ATP, y así reemplazando efectivamente la molécula de Pi que se usa para generar triosas fosfato.

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Por cada molécula de triosa fosfato removida del cloroplasto, un Pi es transportado al cloroplasto. Si este intercambio fuera bloqueado, la síntesis de triosa fosfato depletaría rápidamente el Pi disponible en el cloroplasto y prevendría la fijación adicional de CO2.

El antiporter triosa fosfato-Pi tiene un papel adicional. El ATP y el poder reductor se requieren en el

citosol para una variedad de reacciones sintéticas y que requieren energía. No se ha determinado el grado de participación de la mitocondria en estas necesidades. Una segunda fuente potencial de energía es que el ATP y el NADH generados en el estroma durante las reacciones luminosas de la fotosíntesis, sin embargo el ATP y el NADPH no cruzan la membrana del cloroplasto, El sistema antiporter tiene el efecto indirecto de mover de mover ATP y equivalentes reductores a través de la membrana del cloroplasto.

La DHAP formada en el estroma por la fijación de CO2 es transportada al citosol, donde es convertida

por las enzimas glicolíticas a 3PG, generando ATP y NADH. El 3PG vuelve a entrar al cloroplasto completando el ciclo. Efecto neto es el transporte neto de NADPH/NADH y ATP del cloroplasto al citosol.

(d) ¿Cómo se regula la actividad de rubisco por CO2, por rubisco activasa, por el pH, por la [Mg+2] y

por 2 carboxiarabinitol? La rubisco está sujeta a una regulación positiva. Con altos niveles de CO2, la carbamilación de los

residuos de lisina ocurre no enzimáticamente. Sin embargo, el sustrato para esta enzima, ribulosa 1,5 bifosfato, inhibe la carbamilación y este efecto es casi completo a concentraciones fisiológicas de CO2. Una enzima llamada rubisco activasa supera esta inhibición y promueve una activación de rubisco dependiente de ATP que resulta en la carbamilación.

- Después de la iluminación, el pH del estroma cambia de 7 a 8 ya que los protones son bombeados

del estroma al tilacoide. La rubisco tiene un pH optimo de 8. - Es estimulada por Mg+2. El influjo de protones al espacio del tilacoide se acompaña de un eflujo de

Mg+2 al estroma La rubisco es inhibida por 2-carboxiarabinitol-1-fosfato un análogo del estado de transición que

ocurre normalmente y que tiene una estructura similar a la de un intermediario β-ceto ácido de la reacción de rubisco.

Este compuesto se sintetiza en la oscuridad en algunas plantas para inhibir la actividad de rubisco, y

en algunas ocasiones se le llama como “inhibidor nocturno”. Se escinde cuando regresa la luz, permitiendo una reactivación de rubisco.

(e) ¿Cómo afecta la luz la actividad del ciclo de Calvin? La fijación reductora de CO2 requiere de ATP y NADPH, y su concentración en estroma aumenta

cuando los cloroplastos se iluminan. El transporte de protones a través de la membrana del tilacoide inducido por luz también hace que el estroma se haga alcalino y que salgan iones Mg+2 del tilacoide al estroma.

Varias enzimas del estroma han evolucionado para tomar ventaja de estas condiciones dependientes

de la luz que indican la disponibilidad de ATP y NADPH; sus condiciones óptimas son cercanas al pH alcalino o a la alta [Mg+2] en el estroma.

La activación de rubisco por la formación de lisil carbamato es mas rápida a pH alcalino y la alta concentración de Mg+2 favorece la formación de un complejo activo de Mg+2. La fructosa 1,6 bifosfatasa requiere Mg+2 y su actividad es muy dependiente del pH. Su actividad aumenta por un factor de mas de 100 cuando se elevan el pH y la [Mg+2] durante la iluminación de los cloroplastos.

Otras tres enzimas esenciales para la operación del Ciclo de Calvin están sujetas a otro tipo de regulación por la luz. Estas son: ribulosa 5 fosfato cinasa, fructosa 1,6 bifosfatasa y sedoheptulosa 1,7

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bifosfatasa las cuales pueden existir en cualquiera de dos formas, difiriendo en el estado de oxidación de residuos de Cis esenciales para su actividad catalítica.

Cuando estos residuos de Cis se oxidan como enlaces disulfuro, las enzimas están inactivas, ésta

es la situación normal en la oscuridad. Con la iluminación, los electrones fluyen del PSI a ferredoxina, la cual pasa los electrones a una proteína pequeña, soluble y que contiene disulfuro llamada tioredoxina.

La tioredoxina dona los electrones para la reducción de puentes disulfuro de estas enzimas activadas por la luz y es reactivado en una reacción catalizada por tioredoxina reductasa.

Enzima Moduladores positivos Moduladores negativos Rubisco carbamilación por CO2 de manera no

enzimática y catalizada por rubisco activasa, pH alcalino (8.0), alta concentración de Mg+2

2 carboxiarabinitol (análogo del intermediario β-ceto). Inhibidor nocturno,

Fructosa 1,6 bifosfatasa Reducción de puentes disulfuro por tioredoxina. pH alcalino (8.0), alta concentración de Mg+2

Ribulosa 5 P cinasa Reducción de puentes disulfuro por tioredoxina

Sedoheptulosa 1,7 bifosfatasa Reducción de puentes disulfuro por tioredoxina

(e) ¿Cómo afecta la luz la recíproca de la glicólisis y gluconeogénesis? Esta vías son reguladas, al igual que en los animales, por las concentraciones de fructosa 2,6 BP, el

cual activa la glicólisis e inhibe la GN. La concentración de este metabolito depende, a su vez, de los metabolitos 3PG y DHAP (cuya

concentración aumenta con la fotosíntesis activa en presencia de luz) y de Pi (cuya concentración aumenta en ausencia de fotosíntesis, durante la oscuridad). Los metabolitos 3PG y DHAP inhiben a la enzima PFK-2 (la cual sintetiza F2,6BP) y Pi la estimula.

Por lo tanto, la inhibición de PFK-2 inhibe la glicólisis (ya que la actividad de PFK-1 depende la [F2,6BP]) y estimula la gluconeogénesis. En resumen, con la luz se estimula la GN y durante la obscuridad se estimula la glicólisis.

Regulación de la fosfofructocinasa-2 en las células vegetales.

Positivos Negativos PI (aumenta en la oscuridad) 3PG y DHAP (aumentan durante la iluminación Luz à ↑rubisco y C. de Calvin à ↑3PG y DHAP à ↓PFK-2 à ↓[F2,6BP] à ↓PFK-1 à ↓Glicólisis ↑GN

Obscuridad à ↓rubisco y C. de Calvin à ↑ Pi à ↑ PFK-2 à ↑[F2,6BP] à ↑PFK-1 à ↑Glicólisis y ↓GN

(f) ¿Cómo se sintetiza el almidón? El almidón, como el glucógeno, es un polímero de alto peso molecular de D-glucosa en enlaces a1-4.

La síntesis del almidón se lleva a cabo en los cloroplastos. El mecanismo de la polimerización de la hexosa en la síntesis de almidón, es similar al de la síntesis de glucógeno.. Un nucleótido activado (en este caso, ADP-glucosa) se forma por la condensación de G1P con ATP, reacción catalizada por la enzima ADP glucosa pirofosforilasa. Esta enzima es estimulada por 3PG e inhibida por Pi. Después la sintasa de almidón transfiere residuos de glucosa de ADP-glucosa al extremo no reductor de moléculas de almidón preexistentes que actúan como iniciadores. El almidón no ramificado resultante se llama amilosa, pero la

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amilopectina tiene numerosas ramificaciones (α1-6) como las del glucógeno, del cual difiere en peso molecular y grado de ramificación. Los cloroplastos contienen una enzima similar a la involucrada en la síntesis de glucógeno, la cual introduce las ramificaciones (α1-6) de amilopectina.

Con la hidrólisis del pirofosfato inorgánico producida durante la síntesis de ADP-glucosa por la pirofosfatasa, la reacción global para la formación de almidón a partir de glucosa 1P es

Almidónn + G1P + ATP à almidón n+1 + ADP + 2Pi AGo´ = -50 kJ/mol (g) ¿Cómo se sintetiza la sacarosa? La mayoría de las triosas fosfato generadas durante la fijación del CO2 en las plantas se convierten en

sacarosa o almidón. El enlace glicósidico de la sacarosa (que involucras los carbonos anoméricos de glucosa y fructosa) no es hidrolizada por amilasa u otras enzimas que degradan carbohidratos. La sacarosa es sintetizada en el citosol, empezando de DHAP y G3P exportados del cloroplasto. Después de la condensación a F1,6BP por aldolasa, la hidrólisis por F1,6Bpasa produce Fructosa 6 fosfato. La sacarosa 6 fosfato sintasa cataliza la reacción de fructosa 6 fosfato con UDP-glucosa para formar sacarosa 6 fosfato. Esta enzima es estimulada por el producto sacarosa 6 fosfato. Finalmente, la sacarosa 6 P libera el grupo Pi por hidrólisis catalizada por la enzima sacarosa 6 fosfato fosfatasa, lo cual forma sacarosa, la cual puede ser exportada a otros tejidos de la planta

(h) ¿Cómo se regula la síntesis de sacarosa y almidón? La síntesis de sacarosa se regula principalmente en tres pasos: los catalizados por F1,6Bpasa,

sacarosa 6 fosfato sintasa y sacarosa fosfato fosfatasa. Cuando la luz ilumina la hoja de una planta por la mañana, el nivel de triosas fosfato aumenta en el

citosol. Las triosas fosfato inhiben la actividad de la PFK-2, lo cual conduce a una disminución de F2,6BP. Esto libera la inhibición de F1,6Bpasa, permitiendo la síntesis de F6P y de otras hexosas como glucosa 6 fosfato. La Glucosa 6 fosfato es un activador alostérico de la enzima sacarosa 6 fosfato sintasa. La sacarosa fosfato fosfatasa cataliza el paso final en la síntesis de sacarosa cuando dispone de sustrato.

La enzima regulatoria clave en la síntesis del almidón es la ADP-glucosa pirofosforilasa, la cual es

activada indirectamente cuando aumenta la concentración de sacarosa. La sacarosa 6 fosfato sintasa y la sacarosa 6 fosfato fosfatasa son inhibidas en parte por sacarosa. Esta inhibición llega a ser efectiva cuando la [sacarosa] se eleva, lo cual conduce a un aumento en la reserva citosólica de hexosas fosfato que, efectivamente secuestran mucho del fosfato disponible, de tal manera que no puede retornar al cloroplasto. El nivel de fosfato libre en el citosol y la consecuente disminución en la actividad del transportador antiporte Pi-triosa fosfato, conduce a una disminución de Pi y a un aumento en compuesto de tres carbonos en el cloroplasto.

La ADP glucosa pirofosforilasa es inhibida por Pi y estimulada por 3PG, así que una consecuencia del aumento en la concentración de sacarosa citosólica conduce a un aumento en la síntesis de almidón en el cloroplasto. En el estado estacionario, éstas actividad están balanceadas de tal manera que la síntesis de sacarosa y almidón cada una consume el 50% de las triosas fosfato producidas durante la fijación del carbono, y las velocidades del proceso están reguladas de tal manera que los precursores e intermediarios requeridos para la fijación del carbono están mantenidos en niveles óptimos

Enzimas de la síntesis de almidón y sacarosa.

Enzima Moduladores positivos Moduladores negativos F1,6Bpasa ↓ [Fructosa 2,6,BP] sacarosa 6 fosfato sintasa Glucosa 6 fosfato Sacarosa, sacarosa 6 fosfato. sacarosa fosfato fosfatasa. Sacarosa ADP-glucosa pirofosforilasa Aumenta indirecta/ cuando aumenta el nivel

de sacarosa en citosol. 3 Fosfoglicerato.

Pi

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10. (a) Explique el proceso de fotorespiración? La rubisco no es absolutamente específica para el CO2 como sustrato; el O2 compite con el CO2 en el

sitio activo, y la rubisco cataliza la condensación de O2 con ribulosa-1,5 BP para formar una molécula de 3PG y una de fosfoglicolato.

Esta es la actividad de oxigenasa de la enzima, evidente en su nombre: RuBP

carboxilasa/oxigenasa. La función metabólica de esta reacción no está clara. No produce fijación de carbono y parece ser de liabilidad para la célula en donde ocurre, salvando los átomos de carbono de fosfoglicolato, que no es un metabolito útil, usa energía celular. La vía del salvamento involucra la conversión de dos moléculas de fosfoglicolato en una molécula de serina (que tienen tres carbones) y una molécula de CO2

La actividad de oxigenasa de rubisco combinada con la vía de salvamento consume O2 y produce CO2, un proceso llamado fotorespiración A diferencia de la respiración mitocondrial, este proceso no conserva energía.

(b) Explique la manera en que las plantas C4 fijan el CO2 indicando de que otra manera se le llama a

esta vía, y las enzimas que participan en este proceso: fosfoenolpiruvato carboxilasa (no confundir con fosfoenolpiruvato carboxicinasa), malato deshidrogenasa, enzima málica y piruvato fosfato dicinasa.

La mayoría de las plantas en los trópicos, también como cultivos en zona templadas de plantas de

origen tropical como el maíz, caña de azúcar y sorgo, han desarrollado un mecanismo para darle la vuelta al problema de la fotorespiración derrochadora.

El último paso de la fijación de CO2 en un producto de carbonos: 3PG, es precedido por varios paso,

uno de los cuales es una fijación preliminar de CO2 en un compuesto con cuatro átomos de carbono. A esta plantas se les conoce como plantas C4. Las plantas en las cuales el primer paso es la fijación de CO2 con R1,5BP a 3PG, se llaman plantas C3.

Las plantas C3, las cuales crecen típicamente en climas con altas temperaturas e intensidades luminosas, tiene varias características importantes: alta velocidad fotosintética, alta velocidad de crecimiento, baja velocidad de fotorespiración, bajas velocidades de pérdida de agua y una estructura de hojas poco común. La fotosíntesis en la hojas de las plantas C4 involucra dos tipos de células: células del mesófilo y túnico vasculares.

Hay tres patrones conocidos del metabolismo C4. La vía mas conocida es la descrita por los

bioquímicos de plantas Hatch y Slack en los 60s. El primer intermediario en el cual el 14CO2 se fija no es el 3PG sino OA, (un C4). Esta reacción ocurre en las células de las hojas del mesófilo y es catalizada por la PEP carboxilasa.

PEP + HCO3- ⇒ OA + Pi

esta enzima no está presente en tejidos animales. El OA formado en las células del mesófilo es

reducido a malato a expensas de NADPH.

OA + NADPH + H+ ⇒ L-malato + NADP+ Alternativamente el OA puede ser convertido a aspartato por transaminación. El malato o aspartato

formados en las células del mesófilo, y que contienen el CO2 fijado, es transferido a las células vecinas túnico vasculares vía uniones especiales (plasmodesmata).

En las células túnico vasculares el malato es oxidado y descarboxilado para producir piruvato y CO2

por la acción de la enzima málica.

L-malato + NADP+ ⇒ Piruvato + CO2 + NADPH + H+

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en las plantas que emplean el aspartato como el acarreador de CO2, el aspartato es transaminado primero para formar OA y entonces reducido a malato en células túnico vasculares antes de la liberación de CO2 por la enzima málica. El CO2 libre formado en las células túnico vasculares es la misma moléculas de CO2 que se fijó originalmente en OA en las células del mesófilo.

En las células túnico vasculares, el CO2 que proviene de la descarboxilación del malato es fijado otra vez, en esta ocasión por rubisco, en la misma reacción que ocurre en las plantas C3 conduciendo a la incorporación de CO2 en C-1 de 3PG.

El piruvato formado por la descarboxilación de malato en las células túnico vasculares es transferido

de regreso a las células del mesófilo, donde es convertido en PEP por una reacción no enzimática catalizada por piruvato fosfato dicinasa.

(c) ¿Cuáles son las diferencias entre fosfoenolpiruvato carboxilasa y rubisco? La PEP carboxilasa de las células del mesófilo tienen una alta afinidad por HCO3

- y pueden fijar CO2 mas eficientemente que la rubisco. A diferencia de rubisco, la PEP carboxilasa no usa O2 como un sustrato alternativo, por lo que no hay competencia entre el CO2 y el O2 por esta enzima.

Esta reacción sirve para fijar y condensar el CO2 en la forma de malato. Esta reacción sirve para fijar y

condensar el CO2 en la forma de malato. La liberación del CO2 en las células túnico vasculares produce una suficiente concentración local de

CO2 para que rubisco funcione cerca de su velocidad máxima, con relativamente poco de la reacción colateral competitiva con O2.

(d) ¿Cuál es el mecanismo de acción de la enzima piruvato fosfato dicinasa? Cataliza la siguiente

reacción: Piruvato + ATP + Pi ⇒ PEP + AMP + PPi

Esta enzima es llamada dicinasa debido a que dos diferentes moléculas son fosforiladas

simultáneamente por una molécula de ATP: piruvato es fosforilado a PEP y el fosfato es fosforilado a pirofofosfato.

El pirofosfato es hidrolizado subsecuentemente a fosfato, de tal forma que dos grupos fosfato de ATP

son usados en la regeneración del PEP. El PEP está ahora listo para fijar otra molécula de CO2 en las células del mesófilo.

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11. DEGRADACIÓN Y SÍNTESIS DE GLUCÓGENO (GLUCOGENOLISIS Y GLUCOGENOGENESIS)

1. (a) ¿Cuál es la estructura y función y en que parte de la célula y en que tejidos está presente el glucógeno? El glucógeno es un almacén de glucosa rápidamente movilizable. Es un polímero de residuos de glucosa muy grande y ramificado. La mayoría de los residuos de glucosa están unidos por enlaces glicosídicos α-1,4. Las ramificaciones se producen cada 10 residuos por enlaces glicosídicos α-1,6. El glucógeno aumenta en gran manera la cantidad de glucosa disponible inmediatamente entre las comidas y durante la actividad muscular. Los principales sitios de almacenamiento de glucógeno son el hígado y el músculo esquelético. La concentración es mayor en hígado pero la cantidad de glucógeno es mayor en el músculo debido a su mayor masa. Está presente en el citosol en forma de gránulos de tamaños variables entre 10 y 40 nm de diámetro. Estos gránulos contienen las proteínas regulatorias que catalizan la síntesis y degradación de glucógeno. Hay cuatro puntos importantes por los cuales estudiar la síntesis y degradación de glucógeno. 1) regulan los niveles de glucosa en sangre y constituye una reserva de esta durante la actividad muscular extenuante, 2) la síntesis y degradación de glucógeno se llevan a cabo por diferentes vías, 3) la regulación hormonal de glucógeno está mediado por mecanismos que son de significancia general. El papel del AMPc en el control coordinado de la síntesis y degradación de glucógeno se entienden bien. Las enzimas del metabolismo de glucógeno se regulan por fosforilación reversible, una herramienta de control recurrente en todos los sistemas biológicos. Los efectos de epinefrina, glucagon e insulina sobre el metabolismo de glucógeno se entienden bien a nivel molecular, y 4) Se han caracterizado una buena cantidad de defectos enzimáticos heredados del metabolismo de glucógeno. (b) Compare la cantidad de energía presente en la glucosa circulante y el glucógeno almacenado. La energía en forma de glucosa presente en los fluidos corporales de un hombre promedio de 70 kg. es de 40 kcal, mientras que la energía en forma de glucógeno total es de 600 kcal, aún después de una noche de ayuno.

(c) ¿Cuáles son las enzimas que participan en la degradación del glucógeno? Glucógeno fosforilasa, enzima desramificante (glucosidasa α-1,6) y transferasa (d) ¿Que reacción cataliza la glucógeno fosforilasa y qué cofactor es necesario en esta reacción?

Glucógeno + Pi ⇔ G1P + Glucógeno(n-1) La fosforilasa cataliza la remoción secuencial de residuos glucosilo de los extremos no reductores de la molécula de glucógeno. Esta reacción catalizada por fosforilasa es rápidamente reversible in vitro. A pH 6.8, el cociente de equilibrio de ortofosfato a glucosa 1P es 3.6. Requiere de piridoxal fosfato. 2. (a) ¿Cuál es la estrategia de la célula para hidrolizar los enlaces glicosídicos α-1,6 del glucógeno? El glucógeno es degradado hasta un cierto límite solo por la fosforilasa. Sin embargo, los enlaces glicosídicos α-1,6 en los puntos de ramificación no son susceptibles a la ruptura por fosforilasa. De hecho, la fosforilasa se detiene cuando alcanza un residuo terminal situado a 4 residuos del punto de ramificación. Una transferasa desplaza un bloque de tres residuos glucosilo de una ramificación externa a la otra. Esta transferencia expone el enlace α-1,6 a la acción de la enzima desramificante o α-1,6 glucosidasa, la cual hidroliza este enlace.

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De esta manera, la transferasa y la glucosidasa convierten la estructura ramificada en una estructura lineal, que es sustrato de la glucógeno fosforilasa. La transferasa y la α-1,6 glucosidasa están presentes en una sola cadena polipeptídica de 160 kd. (b) ¿Qué reacción cataliza la fosfoglucomutasa y a que reacción de la vía glicolítica es análoga?

Glucosa 1P ⇔ Glucosa 6P

Esta reacción es necesaria para convertir el producto de la degradación del glucógeno en G6P para que pueda entrar a la vía glicolítica o gluconeogénica. El sitio catalítico de la mutasa activa contiene un residuo de serina fosforilada. El grupo fosforilo es transferido al grupo hidroxilo C-6 de la G1P para formar G1,6BP. El fosforilo del C-1 de este intermediario, es transferido al mismo residuo de serina, resultando en la formación de G6P y la regeneración de la fosfoenzima. Estas reacciones son parecidas a las de la enzima glicolítica fosfogliceromutasa. El papel del 2,3 BPG en la interconversión de 2PG y 3PG es parecido al de G1,6BP en la interconversión de las hexosas. Una fosfoenzima participa en ambas reacciones. (c) ¿Cuál es la distribución en tejidos de la glucosa 6 fosfatasa y cuáles son sus implicaciones fisiológicas? Está presente en hígado, riñón e intestino pero ausente del músculo y cerebro. Por lo tanto, la G6P es retenida por el músculo y cerebro, que requieren grandes cantidades de este combustible para la generación de ATP. Por el contrario, la glucosa no es combustible primario para el hígado, sino que la almacena y libera principalmente para el beneficio de otros tejidos. 3. (a) ¿Cuál es la diferencia entre la vía biosintética y de degradación del glucógeno? Son dos vías diferentes. El glucógeno se sintetiza por una vía que utiliza UDP-glucosa, y no G1P como el donador activado de glucosa.

Glucógenon + UDP-glucosa ⇒ glucógenon+1 + UDP.

(b) ¿Qué molécula dona la glucosa para la síntesis de glucógeno y como se sintetiza y se logra que esta reacción sea posible? La UDP-glucosa se sintetiza a partir de G1P y UTP en una reacción catalizada por UDP glucosa pirofosforilasa. El pirofosfato liberado, viene de los residuos fosforilos externos del UTP.

G1P + UTP ⇔ UDP-glucosa + PPi

Esta reacción es rápidamente reversible. Sin embargo, el pirofosfato es hidrolizado rápidamente in vivo a ortofosfato por una pirofosfatasa inorgánica lo que impulsa la reacción hacia adelante. (c) ¿En que otros procesos biosintéticos se usa este mismo donador? En la síntesis de sacarosa (d) ¿Qué reacción cataliza la glucógeno sintasa y la enzima ramificante?

UDP Glucosa + Glucógenon ⇒ UDP + Glucógenon+1

Esta enzima requiere un poco de glucógeno formado. Esta formación es catalizada por glicogenina, una proteína de 37 kd que porta un oligosacárido de unidades de glucosa α-1,4. El C-1 de la primera unidad de esta cadena está unido covalentemente.

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Otra enzima forma los enlaces α-1,6 que permite que el glucógeno sea un polímero ramificado. La ramificación es importante porque produce un gran número de residuos terminales, los sitios de acción de glucógeno sintasa y glucógeno fosforilasa. Así, la ramificación aumenta las velocidades de síntesis y de degradación de glucógeno. La ramificación ocurre después de que se han unido varios residuos de glucosa en unión α-1,4. Una ramificación se produce por la ruptura de un enlace α-1,4 y la formación de un enlace α-1,6; esta reacción es diferente de la de desramificación. Un bloque de residuos, generalmente siete, es transferido a un sitio mas interno. La enzima ramificante que cataliza esta reacción es muy exacta. El bloque de siete residuos debe incluir el extremo no reductor y viene de una cadena de al menos 11 residuos de longitud. Además, la nueva rama debe estar al menos cuatro residuos de una preexistente. 4. (a) Escriba una ecuación balanceada para la síntesis de glucógeno a partir de glucosa 6 fosfato.

Glucosa 6-Fosfato ⇒ Glucosa 1-Fosfato

Glucosa 1 Fosfato + UTP ⇒ UDP-glucosa + PPi PPi + H2O ⇒ 2 Pi

UDP-glucosa + glucógenon ⇒ glucógenon+1 + UDP UDP + ATP ⇒ UTP + ADP

-------------------------------------------------------------------------- G6P + ATP + glucógenon + H2O ⇒ Glucógenon+1 + ADP + 2Pi

Se gasta 1 enlace de alta energía en la incorporación de G6P en glucógeno. El rendimiento de energía es del rompimiento de glucógeno. Aproximadamente el 90% de los residuos son fosforoliticamente rotos a G1P, el cual se convierte sin costo en G6P. (b) Explique como se regula hormonal y alostéricamente las enzimas glucógeno fosforilasa, fosforilasa cinasa y glucógeno sintasa. Enfatice el papel de epinefrina, glucagon, AMPc, insulina, glucosa, cafeína, teofilina, fosfodiesterasas de nucleótidos cíclicos y fosfatasa. Precise si hay diferencias en hígado y en músculo. La fosforilasa es regulada por varios efectores alostéricos que indican el estado energético de la célula y por fosforilación reversible, la cual es alterada por insulina, epinefrina y glucagon. La fosforilasa de músculo esquelético, un dímero con subunidades de 97 kd, existe en dos formas interconvertibles: una fosforilasa a activa y una fosforilasa b normalmente inactiva. La fosforilasa b es convertida en fosforilasa a por la fosforilación de un residuo de serina específico (serina 14) en cada subunidad. Esta modificación es catalizada por fosforilasa cinasa. La fosforilasa a es desactivada por la hidrólisis del residuo de fosfoserina en cada subunidad, una reacción catalizada por la proteína fosfatasa 1. La fosforilasa b de músculo es activa solo en la presencia de altas concentraciones de AMP, el cual actúa alostéricamente. El ATP actúa como un modulador alostérico negativo al competir con el AMP. La glucosa 6 fosfato también inhibe la fosforilasa b, principalmente al unirse al sitio del AMP. Bajo la mayoría de las condiciones fisiológicas, la fosforilasa b es inactiva debido al efecto inhibitorio del ATP y glucosa 6 fosfato. La fosforilasa b es activa solo cuando la carga energética de las células musculares es baja. Por el contrario, la fosforilasa a es totalmente activa, independientemente del nivel de ATP, AMP y glucosa 6P. En el músculo en descanso, casi toda la enzima está en la forma inactiva b. Durante el ejercicio, los niveles elevados de AMP conducen a la activación de fosforilasa b. La regulación alostérica de la fosforilasa hepática difiere de la enzima en músculo en dos aspectos importantes: (1) El AMP no activa la fosforilasa b del hígado.

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(2) La fosforilasa a es desactivada por la unión de glucosa. En otras palabras, la glucosa desplaza el equilibrio alostérico de la forma a. El propósito de la degradación de glucógeno en el hígado es formar glucosa para exportarla a otros tejidos cuando el nivel de glucosa es bajo. De aquí, la fosforilasa hepática es sensible a glucosa pero no a AMP, un indicador de su propio estatus metabólico. La glucosa no es un combustible importante para el hígado. Por el contrario, el músculo esquelético necesita glucosa para la actividad intensa. La activación de la fosforilasa b por AMP conduce a una rápida movilización de glucógeno. (c) ¿Cómo se regula la actividad de la fosforilasa cinasa? La fosforilasa cinasa, la enzima que activa la fosforilasa, al catalizar la fosforilación del residuo de serina 14, es una proteína muy grande. La composición de subunidades de la cinasa en el músculo esquelético es (αβγδ)4, y su masa es 1,200 kd. Esta cinasa está bajo un control dual. Es convertida, de una forma de baja actividad a una de alta actividad, por fosforilación. La enzima que cataliza la activación de la fosforilasa cinasa es la proteína cinasa A (PKA), la cual es activada por AMPc. Las hormonas como epinefrina inducen el rompimiento del glucógeno activando una cascada de AMPc. La fosforilasa cinasa puede activarse parcialmente en una forma diferente, aumentando la [Ca+2] a 1 µM. Su subunidad δ es calmodulina, un sensor de calcio que estimula muchas enzimas en eucariontes. Este modo de activación de la cinasa es importante en músculo, donde la contracción es disparada por la liberación de Ca+2 del retículo sarcoplásmico. Las hormonas, como la vasopresina, aumentan la [Ca+2] pero por un mecanismo diferente. La vasopresina activa la cascada de fosfoinosítidos uniéndose a un receptor de 6 hélices, el cual a su vez estimula la proteína G que estimula la fosfolipasa C. El aumento consecuente en los niveles de 1,4,5-trisfosfato induce la liberación de Ca+2 de los depósitos del retículo sarcoplásmico. Esta ruta de activación de la fosforilasa cinasa es importante en el hígado. (d) Describa las interrelaciones en la regulación de la sintasa de glucógeno y de la fosforilasa. La síntesis de glucógeno está estrechamente relacionada con su degradación. La actividad de la sintasa de glucógeno, como la de la fosforilasa, está regulada por modificación covalente. La forma activa a de la sintasa, está regulada por modificación covalente. La forma activa a de la sintasa es convertida en una forma inactiva b por fosforilación. La forma fosforilada b requiere un alto nivel de glucosa 6P para su actividad, mientras que la forma desfosforilada a es activa en su presencia o ausencia. Así, la fosforilación tienen efectos opuestos sobre la actividad enzimática de la glucógeno sintasa y fosforilasa. La glucógeno sintasa es fosforilada en múltiples sitios por proteína cinasa A y otras cinasas. La insulina induce la síntesis de glucógeno. El glucagon y la epinefrina disparan el rompimiento de glucógeno. La actividad muscular, o su anticipación, conduce a la liberación de epinefrina, una catecolamina, derivada de tirosina, de la médula adrenal. La epinefrina estimula marcadamente el rompimiento de glucógeno en músculo y en menor proporción en el hígado. El hígado es mas sensible al glucagon, el cual es liberado con bajas concentraciones de glucosa. (e) Describa los efectos de la proteína fosfatasa sobre el metabolismo de glucógeno. La proteína fosfatasa 1 revierte los efectos regulatorios de las cinasas sobre el metabolismo de glucógeno. La hidrólisis de casi todos los residuos de serina y treonina fosforilados en las proteínas está catalizado solo por cuatro fosfatasas de proteínas. Por razones históricas, se conocen como proteína fosfatasa 1, 2A, 2B, y 2C (PP1, PP2A, PP2B, y PP2C).

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Philip Cohen encontró que la PP1 juega un papel clave en la regulación del metabolismo de glucógeno. La PP1 inactiva a la fosforilasa cinasa y a la fosforilasa a por desfosforilación de estas enzimas. De esta manera la PP1 disminuye la velocidad de rompimiento del glucógeno. Además, PP1 también remueve el grupo fosforilo de la sintasa del glucógeno b para convertirla en una forma a mucho mas activa. Por lo tanto, la PP1 acelera la síntesis de glucógeno. La actividad de fosfatasa PP1 está controlada rigurosamente. La subunidad catalítica de 37-kd es inactiva por sí misma, debido a que tiene baja afinidad por las partículas de glucógeno. La asociación de la subunidad G de 160-kd (G significa que se une a glucógeno y no a GTP) le confiere alta afinidad. La subunidad G conduce a la PP1 a la partícula de glucógeno, donde puede remover eficientemente los grupos fosforilo de la sintasa de glucógeno y de la fosforilasa cinasa. Sin embargo, la fosforilación de la subunidad G por la proteína cinasa A impide la unión de la subunidad catalítica de la PP1. Por lo tanto, la activación de la cascada del AMPc por epinefrina conduce a la inactivación de la PP1 debido a que no une sus sustratos. El otro inhibidor clave de esta fosfatasa es el inhibidor 1. La catálisis por PP1 es bloqueada por la forma fosforilada, pero no por la forma desfosforilada del inhibidor 1, una proteína pequeña. El grado de fosforilación del inhibidor 1, está bajo control hormonal. El AMPc, actuando a través de la proteína cinasa A, bloquea a la PP1 por la fosforilación del inhibidor 1. Así, cuando la degradación de glucógeno es estimulada por AMPc, la fosforilación concomitante del inhibidor 1 mantiene a la fosforilasa en la forma activa a y a la glucógeno sintasa en la forma inactiva b. La fosforilación de la subunidad G y del inhibidor 1 inducida por epinefrina son herramientas complementarias para apoyar la degradación del glucógeno. Cuando hay suficiente combustible (después de una comida rica en carbohidratos), la insulina estimula la síntesis de glucógeno al disparar una vía que desfosforila, y, por lo tanto, activa a la sintasa de glucógeno. La degradación de glucógeno es inhibida simultáneamente por la desfosforilación de la fosforilasa cinasa y de la fosforilasa a. El primer paso en la acción de la insulina es su unión a un receptor tirosina cinasa en la membrana plasmática. ¿Cómo puede la activación de una tirosina cinasa unida a membrana cambiar la actividad catalítica en los gránulos de glucógeno. Las fosforilaciones múltiples, son otra vez los mecanismos regulatorios. La unión de insulina a su receptor conduce a la activación de una cinasa de proteínas sensible a insulina que fosforila la subunidad G de PP1 en un sitio diferente del modificado por proteína cinasa A. La insulina, a diferencia de epinefrina, hace a la proteína fosfatasa 1 mas activa. La consecuencia de la desfosforilación de glucógeno sintasa, fosforilasas cinasa y fosforilasa, promueve la síntesis de glucógeno y bloquea su degradación. Una vez mas se observa que la síntesis y degradación de glucógeno están controladas coordinadamente. (f) Explique cómo el metabolismo de glucógeno en el hígado regula los niveles sanguíneos de glucosa. La concentración de glucosa en sangre varia normalmente de 80 a 120 mg/dl (4.4 a 6.7 mM). El hígado “percibe” la concentración de glucosa en sangre y en consecuencia toma o libera glucosa a la sangre. La cantidad de fosforilasa a disminuye rápidamente cuando se infunde glucosa. Después de un período “de retraso”, la cantidad de glucógeno sintasa aumenta, lo cual resulta en la síntesis de glucógeno. De hecho, la fosforilasa a es el sensor de glucosa en las células hepáticas. La unión de glucosa a fosforilasa a desplaza el equilibrio alostérico de la forma activa R a la forma inactiva T, lo cual expone el grupo fosforilo de serina 14 a la hidrólisis de la proteína fosfatasa 1. La PP1 está unida fuertemente a la fosforilasa a, pero actúa catalíticamente solo cuando la glucosa induce la transición a la forma T. ¿De que manera la glucosa activa a la sintasa? La fosforilasa b, en contraste a la a, no une a la fosfatasa. Por lo tanto, la conversión de a a b se acompaña de la liberación de la PP1, la cual queda libre para activar a la glucógeno sintasa. La remoción del grupo fosforilo de la sintasa inactiva b la convierte a la forma activa a. Inicialmente, hay 10 moléculas de fosforilasa a por fosfatasa. De aquí que, la actividad de la sintasa empieza a aumentar solamente después de que la mayoría de la fosforilasa a se convierte en b. Este interesante sistema sensible a glucosa depende de tres elementos clave:

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(1) la comunicación entre serina fosfato y el sitio alostérico para glucosa, (2) el uso de la PP1 para inactivar a la fosforilasa y activar a la sintasa, y (3) la unión de la fosfatasa a la fosforilasa a para impedir la activación prematura de la sintasa. (g) ¿Cuáles serían las consecuencias de la deficiencia en la actividad de las siguientes enzimas: glucosa 6 fosfatasa (enfermedad de von Gierke, tipo I), fosforilasa (enfermedad de Hers, tipo VI) y fosforilasa cinasa (tipo VIII) en hígado y de la fosforilasa en músculo (enfermedad de McArdle, tipo V)? Estas son enfermedades heredadas del metabolismo de glucógeno. La primera enfermedad fue descrita por Edgar von Gierke en 1929. Un paciente, que mas tarde (en 1952) se supo, tenía deficiencia de glucosa 6 fosfatasa, tenía un abdomen muy grande causado por un aumento masivo del tamaño del hígado. Tenía una hipoglicemia pronunciada entre las comidas. Además, los niveles de glucosa en sangre, no se elevaban por la administración de epinefrina y glucagon. Los niños con este problema pueden tener convulsiones por los bajos niveles de glucosa en sangre. Esta fue la primera demostración de una deficiencia heredada por una enzima del hígado. La estructura del glucógeno hepático es normal, pero está presente en cantidades muy grandes. La ausencia de glucosa 6 fosfatasa en el hígado causa hipoglicemia debido a que la glucosa no puede formarse a partir de glucosa 6 fosfato. Un aumento compensatorio en la glicólisis en el hígado conduce a un alto nivel de lactato y piruvato en sangre. Estos pacientes también tienen un aumento en la dependencia del metabolismo de grasas. Esta enfermedad también puede ser producida por la deficiencia del transportador de glucosa 6 fosfato. Recuerde que glucosa 6 fosfato debe transportarse al lumen del retículo endoplásmico para ser hidrolizada por la fosfatasa. En la enfermedad de McArdle, la glucógeno fosforilasa del músculo está ausente y la capacidad del paciente para realizar ejercicio extenuante está limitada debido a los calambres musculares dolorosos. Por lo demás, el paciente está normal y bien desarrollado. El pH de las células del músculo esquelético de la gente normal cae durante el ejercicio intenso debido a la producción de ácido láctico. Por el contrario, las células del músculo de pacientes con esta enfermedad se pone mas alcalino durante el ejercicio debido al rompimiento de creatina fosfato. El lactato no se acumula en estos pacientes debido a la velocidad glicolítica de su músculo es mucho menor que lo normal; su glucógeno no puede movilizarse. Los estudios de NMR han demostrado que los calambres dolorosos en esta enfermedad correlacionan con altos niveles de ADP. La enfermedad tipo VI (de Hers) se caracteriza por un defecto de la fosforilasa del hígado, lo cual produce un aumento en la cantidad de glucógeno. Sus características clínicas son similares a las del tipo I, pero de un curso menos grave). La enfermedad tipo VIII, se caracteriza por deficiencia de fosforilasa cinasa en hígado lo que conduce a un aumento de la cantidad de glucógeno en hígado y produce un agrandamiento ligero del hígado e hipoglicemia moderada. 5. Problemas 1, 2 y 7 de Cap 19. MATERIAL DE APOYO PARA EL CURSO DE BIOQUÍMICA Efectos de glucagon, epinefrina e insulina sobre el metabolismo de carbohidratos en los mamíferos Glucagon Epinefrina Insulina Fuente células α del páncreas médula adrenal células β del páncreas Blanco primario hígado músculo>hígado músculo, hígado, adiposo Efecto sobre:

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[AMPc] ↑ ↑ ↓ [Fructosa 2,6 bifosfato] ↓ ↑ ↑ Gluconeogénesis ↑ F1,6 bifosfatasa ↑ ↓ Glicólisis ↓ PFK-1 ↑ ↑ PFK-1, piruvato deshid. Síntesis glucógeno ↓ glucógeno sintasa ↓ ↑ glucógeno sintasa Degradación glucógeno ↑ glucógeno fosforilasa ↑ ↓ glucógeno fosforilasa

En el hígado, el regulador mas importante de la fosfofructocinasa-1 (PFK-1) es fructosa 2,6 bifosfato (F2,6BP), cuyo aumento en los niveles aumenta la actividad de la PFK-1. El nivel de F2,6 BP se regula por la actividad de la PFK-2, que la sintetiza a partir de F6P y por FBasa-2 que hidroliza el grupo 2 fosfato (en realidad, las dos enzimas están contenidas e una misma cadena polipeptídica, por lo que se conoce como una enzima bifuncional).

Cuando el nivel de glucosa en sangre es bajo, una cascada dispara por glucagon conduce a la activación de esta fosfatasa y a la inactivación de la cinasa por la fosforilación de un residuo de serina. Por el contrario, cuando la glucosa es abundante, la enzima bifuncional pierde el grupo fosfato, lo que conduce a un aumento en el nivel de F2,6 BP y la consecuente aceleración de la glicólisis.

La PFK-2 se controla de una manera diferente en el músculo. La cinasa que cataliza la síntesis de F2,6BP, se estimula, no se inhibe, por la fosforilación inducida por AMPc. Esto conduce a un aumento en los niveles de AMPc y a un aumento de la glicólisis en el músculo inducida por epinefrina.