Biosíntesis de glucosa a partir de piruvato

Los organismos heterótrofos, al no poseer la maquinaria fotosintética, no pueden convertir de manera neta al CO2 en glucosa. Lo que sí pueden hacer es transformar otras moléculas orgánicas en glucosa. El propósito de esta sección es analizar cómo ocurre este proceso.

 

Hay que recordar que la glucosa, mediante las reacciones de la glucólisis, se transforma en piruvato; ahora estamos interesados en caminar la ruta al revés, o sea sintetizar moléculas de glucosa a partir del piruvato. La célula, para hacer esto, utiliza casi las mismas enzimas que se emplean en la glucólisis, pero funcionando en sentido contrario. La razón por la que no se emplean todas las enzimas de la glucólisis, es que algunas reacciones de esta vía son irreversibles y por lo tanto se requeriría mucha energía para realizar la reacción en sentido contrario. Por lo tanto, los puntos en donde se emplean enzimas diferentes entre la glucólisis y la síntesis de la glucosa es en donde ocurren reacciones irreversibles.

 

A continuación se enumeran los puntos irreversibles de la glucólisis:

 

1. La formación de glucosa – 6 – fosfato a partir de glucosa.

2. La formación de fructosa 1,6 – difosfato a partir de fructosa – 6 – fosfato.

3. La formación de piruvato a partir de fosfoenol piruvato.

 

Todas las demás reacciones de la glucólisis pueden ocurrir en las dos direcciones (síntesis o degradación), las arriba descritas funcionan únicamente en el sentido de la degradación de la glucosa. Cuando se está sintetizando glucosa, al llegar a estos puntos irreversibles se requiere(n) de otra(s) enzima(s) diferente(s) para subir esta cuesta energética.

 

A continuación se revisan las reacciones que conducen a la síntesis de la glucosa a partir del piruvato.


CONVERSIÓN DEL PIRUVATO EN FOSFOENOLPIRUVATO

 

Durante la glucólisis, la enzima piruvato quinasa cataliza la reacción en la que el fosfoenolpiruvato reacciona con ADP, para producir piruvato más ATP. Esta reacción tiene un cambio de energía libre igual a – 7.5 Kcal/mol, o sea que es una reacción muy exergónica y por lo tanto, se acerca a la irreversibilidad, ya que hacer la reacción contraria: ATP + piruvato a fosfoenolpiruvato + ADP, implica proporcionar + 7.5 Kcal/mol. Esta reacción no ocurre en sentido contrario.

 

Para convertir al piruvato en fosfoenolpiruvato se emplea un conjunto de enzimas que hace más suave la cuesta energética, las reacciones que catalizan se describen a continuación.

 

REACCIÓN 1: CONVERSIÓN DEL PIRUVATO EN OXALOACETATO

 

En esta reacción una molécula de piruvato reacciona con agua, CO2 y ATP, para producir una molécula de oxaloacetato, ADP y Pi. Como sabemos, el oxaloacetato es un intermediario del ciclo de Krebs. El piruvato es un compuesto de tres carbonos, el cual al carboxilarse produce un compuesto de cuatro: el oxaloacetato. La enzima que cataliza esta reacción recibe el nombre de piruvato carboxilasa. (Figura 11.22).


REACCIÓN 2: OBTENCIÓN DE UNA MOLÉCULA DE GTP A PARTIR DE ATP

 

En la reacción el ATP transfiere uno de sus fosfatos a una molécula de GDP produciéndose GTP y ADP. La enzima de este paso se llama nucleosido difosfato quinasa. En la Figura 11.23 se aprecia esta reacción.


REACCIÓN 3: TRANSFORMACIÓN DEL OXALOACETATO EN FOSFOENOLPIRUVATO

 

En este punto, el oxaloacetato reacciona con una molécula de GTP para producir fosfoenolpiruvato, CO2 y GDP. La enzima que efectúa la reacción es la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa. (Figura 11.24).


Con las reacciones que se acaban de analizar se obtiene fosfoenolpiruvato, y por lo tanto se ha "brincado" el primer obstáculo energético. Las reacciones que siguen, hasta fructosa - 1,6 - difosfato, son catalizadas por las enzimas de la glucólisis. Obviamente, para sintetizar una molécula de glucosa, a partir de piruvato, se requieren dos moléculas de este compuesto.


REACCIONES HASTA FRUCTOSA - 1,6 - DIFOSFATO

 

REACCIÓN 1: CONVERSIÓN DEL FOSFOENOLPIRUVATO EN 2 - FOSFOGLICERATO

 

Esta reacción, catalizada por la enolasa, convierte al fosfoenolpiruvato en 2 - fosfoglicerato, en la reacción ingresa una molécula de agua. (Figura 11.25).


REACCIÓN 2: TRANSFORMACIÓN DEL 2 - FOSFOGLICERATO EN 3 - FOSFOGLICERATO

 

La enzima fosfoglicerato mutasa transforma al 2 - fosfoglicerato en su isómero 3 - fosfoglicerato. (Figura 11.26).


REACCIÓN 3: CONVERSIÓN DEL 3 - FOSFOGLICERATO EN 1,3 - DIFOSFOGLICERATO

 

Esta reacción requiere de una molécula de ATP, que reacciona con 3 - fosfoglicerato y produce 1, 3 - difosfoglicerato y ADP. La enzima es la fosfoglicerato quinasa. En la Figura 11.27 se observa la reacción.



REACCIÓN 4: REDUCCIÓN DEL 1,3 - DIFOSFOGLICERATO PARA PRODUCIR GLICERALDEHIDO - 3 - FOSFATO

 

Una molécula de NADH y un H+ reaccionan con 1,3 - difosfoglicerato, para producir gliceraldehido - 3 - fosfato y NAD+. La enzima es la deshidrogenasa del gliceraldehido - 3 - fosfato. (Figura 11.28).


REACCIÓN 5: ISOMERIZACIÓN DEL GLICERALDEHIDO - 3 - FOSFATO EN FOSFATO DE DIHIDROXIACETONA

 

La enzima triosa fosfato isomerasa convierte al gliceraldehido - 3 - fosfato en fosfato de dihidroxiacetona. En la Figura 11.29 se tiene un esquema de la reacción.


REACCIÓN 6: UNIÓN DE UNA MOLÉCULA DE GLICERALDEHIDO - 3 - FOSFATO CON OTRA DE FOSFATO DE DIHIDROXIACETONA PARA FORMAR FRUCTOSA 1, 6 - DIFOSFATO.

 

Las triosas gliceraldehido - 3 - fosfato y dihidroxiacetona fosfato se unen en este paso, para formar la hexosa fructosa - 1, 6 - difosfato, en una reacción catalizada por la aldolasa. (Figura 11.30).


Con esta reacción se llega al siguiente punto irreversible de la síntesis de la glucosa. Durante la glucólisis, la fructosa 1,6 - difosfato es producida mediante la transferencia de un grupo fosfato, del ATP, a la fructosa - 6 - fosfato, obteniéndose además ADP. Esta reacción es muy exergónica y por lo tanto es difícil que proceda en sentido contrario y por lo tanto se tiene que emplear otro camino para regresar.


TRANSFORMACIÓN DE LA FRUCTOSA - 1,6 - DIFOSFATO EN FRUCTOSA - 6 - FOSFATO

 

En este punto el fosfato unido a la posición uno de la fructosa - 1,6 - difosfato es simplemente hidrolizado para producir fructosa - 6 - fosfato y Pi. La enzima que cataliza la reacción es la fructosa difosfatasa. En la Figura 11.31 se tiene un esquema de la reacción.


CONVERSIÓN DE LA FRUCTOSA - 6 - FOSFATO EN GLUCOSA - 6 - FOSFATO

 

Esta reacción es reversible y por lo tanto se usa la misma enzima para la síntesis que para la degradación, en ella, la fructosa - 6 - fosfato se convierte en glucosa - 6 - fosfato. La enzima de esta reacción se llama glucosa fosfato isomerasa. (Figura 11.32).


TRANSFORMACIÓN DE LA GLUCOSA - 6 - FOSFATO EN GLUCOSA

 

Esta es la tercera reacción irreversible, en ella la glucosa - 6 - fosfato se hidroliza para producir glucosa y Pi. En la Figura 11.33 se aprecia un esquema de la reacción.


Con el paso anterior se termina la síntesis de glucosa a partir de piruvato, un resumen de las reacciones se encuentra en la Figura 11.34 y la reacción global en la Figura 11.35.


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Figura 11.34 Resumen de las reacciones que convierten dos moléculas de piruvato en una de glucosa. (Figura elaborada por el autor).


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Figura 11.35 Reacción global de la síntesis de la glucosa a partir de piruvato. (Figura elaborada por el autor).    


Observe la ecuación global de la síntesis de la glucosa, a partir de piruvato, que se muestra en la Figura 11.35 y compárela con la ecuación global para la degradación de la glucosa hasta piruvato, la cual se muestra en la Figura 8.15. Al degradar una molécula de glucosa a piruvato se obtiene la ganancia de 2 moléculas de ATP, para sintetizar una molécula de glucosa a partir de piruvato se requieren 6 ATP.


Este es un ejemplo muy claro de cómo se utiliza la energía en los seres vivientes, éstos no podrían funcionar como un sistema cerrado, es decir, no es posible degradar moléculas y luego usar la energía liberada para sintetizarlas. La energía no se puede usar al ciento por ciento. Si, por ejemplo, partimos de 10 moléculas de glucosa que se degradan hasta piruvato, se obtienen 10 x 2 = 20 moléculas de ATP, si se quiere regresar de piruvato hacia glucosa, con las veinte moléculas de ATP que se tienen, únicamente se pueden sintetizar 3 glucosas y no las diez originales, puesto que para fabricar diez se requiere 6 x 10 = 60 ATP. Este es el motivo por el que continuamente tenemos que comer, es decir, introducir a nuestro organismo muchas moléculas orgánicas complejas, que al ser degradadas nos proporcionan el ATP que se requiere para fabricar las moléculas que nos constituyen. Degradamos más de lo que sintetizamos.