Pregunta 2

a) Teoría Quimiosmótica y Flujo de Protones

La teoría quimiosmótica explica la dependencia de la transferencia electrónica de la síntesis de ATP en la mitocondria. Cuando se bloquea el flujo de protones hacia la matriz a través del canal de la ATP sintasa, no hay una vía de retorno de los protones a la matriz y su salida continúa impulsada por la actividad de la cadena respiratoria que genera un gradiente de protones. La fuerza protón motriz va aumentando hasta que el coste (la energía libre) del bombeo de protones fuera de la matriz en contra de este gradiente es igual o superior a la energía liberada por la transferencia de electrones desde el NADH al H2O. Llegado a este punto, el flujo de electrones ha de parar, la energía libre del proceso global del flujo de electrones acoplado al bombeo de protones es cero y, por lo tanto, se alcanza el equilibrio.

b) Fosforilación a Nivel de Sustrato

1. Mecanismo

La fosforilación a nivel de sustrato es otro de los mecanismos por los cuales se puede obtener ATP. Es un mecanismo capaz de sintetizar ATP a partir de ADP por transferencia de un grupo fosfato de alta energía que procede de un intermediario de una ruta catabólica, por lo que dicho mecanismo no se puede explicar por la teoría quimiosmótica. El sustrato, que es el donador de electrones, es oxidado por una coenzima, por ejemplo NAD+, de manera que se origina un intermediario no fosforilado con una gran energía de hidrólisis. Dicho intermediario experimenta una sustitución con un fosfato, para dar la correspondiente forma acetil-fosfato, siendo este enlace de alta energía. Finalmente, este acetil-fosfato dona su fosfato de alta energía al ADP, que se transforma en ATP. En esta fosforilación actúan enzimas solubles e intermediarios químicos. Este proceso está acoplado a la fermentación. Este catabolismo genera, además:

• Equivalentes de reducción
• Intermediarios oxidados de las rutas catabólicas. Ejemplo: gliceraldehído-3-P—1,3-difosfoglicérico—-3-fosfoglicérico.

2. Diferencias entre Fosforilación Oxidativa y Fosforilación a Nivel de Sustrato

Las más significativas son que en la fosforilación a nivel de sustrato no se utiliza cadena transportadora de electrones mientras que en la fosforilación oxidativa se necesita O₂, mientras que en la fosforilación a nivel de sustrato no, porque se trata de una fermentación. Al contrario que en la fosforilación oxidativa, en la fosforilación a nivel de sustrato no se necesita ningún gradiente de pH ni de carga, solo necesita un compuesto capaz de recibir un grupo fosfato y luego donarlo. Otra diferencia es que en la fosforilación a nivel de sustrato son unas series de reacciones bioquímicas en la que la transferencia de un grupo químico se cataliza por enzimas solubles. También existen intermediarios metabólicos en los que el fosfato está unido covalentemente. En cambio, en la fosforilación oxidativa, está ligada a membrana, implica una secuencia ordenada de transportadores de electrones que sufren oxidaciones y reducciones reversibles. No hay intermediarios covalentes, sino que la transferencia de energía se realiza por medio de un gradiente electroquímico de protones.

3. Resumen de Características

Fosforilación a Nivel de Sustrato:

• Son procesos escalares.
• Existen intermediarios metabólicos en los que el fosfato está unido covalentemente.

Fosforilación Oxidativa:

• Es vectorial, está ligada a membrana.
• Es la culminación del metabolismo productor de energía en los organismos aeróbicos.
• Todos los procesos enzimáticos de la degradación oxidativa de glucosa, grasas y aminoácidos convergen en esta etapa final de la respiración celular.
• Se produce la reducción de O2 a H2O con electrones cedidos por el NADH y FADH2.

Pregunta 3

Glucólisis y Gluconeogénesis

El paso de glucógeno a lactato, donde se produce energía, se lleva a cabo mediante glucólisis. Este proceso tiene lugar en las células del músculo (miocitos) y el proceso en sí, detalladamente, es el siguiente:

En primer lugar, el glucógeno actúa como almacén de la glucosa. La glucosa tiene tres destinos: almacenamiento, obtención de ribosa-5-fosfato por oxidación y obtención de piruvato en la glucólisis. El proceso de glucólisis consta de dos fases, cada una compuesta por cinco etapas, sumando un total de diez etapas. Una vez obtenidas las dos moléculas de piruvato, este tiene varios destinos. El que nos interesa es el paso de piruvato a lactato llevado a cabo en las células del músculo (miocitos) en condiciones anaerobias.

El NADH en la glucólisis no puede ser reoxidado a NAD+, el cual es imprescindible para continuar con la glucólisis, ya que actúa como aceptor de electrones en la oxidación del piruvato. En estas condiciones, el piruvato se reduce a lactato, aceptando los electrones del NADH y regenerando así el NAD+ necesario para la continuación de la glucólisis. La reducción del piruvato a lactato está catalizada por la lactato deshidrogenasa, que forma el isómero L del ácido láctico. El equilibrio global de esta reacción favorece fuertemente la formación de lactato.

En la glucólisis, la deshidrogenación de las dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato proveniente de cada molécula de glucosa, transforma dos moléculas de NAD+ en dos moléculas de NADH. Luego, debido a que la reducción de dos moléculas de piruvato a dos moléculas de lactato regenera dos moléculas de NAD+, el proceso está equilibrado.

En resumen, el glucógeno almacena la glucosa y esta, mediante la glucólisis, se oxida a piruvato. Este piruvato, en condiciones anaerobias, se reduce a lactato por la fermentación láctica llevada a cabo en las células del músculo. El paso inverso es el paso de lactato a piruvato y luego a glucosa. Este proceso, llevado a cabo mediante gluconeogénesis, permite que el lactato producido en la glucólisis pase a la sangre y llegue al hígado (hepatocitos), donde se convierte en glucosa con aporte de energía durante la recuperación de la actividad muscular. La glucosa obtenida en la gluconeogénesis, en las células del hígado, pasa de nuevo al músculo a través de la sangre para obtener más energía y así sucesivamente.

Ciclo de Cori

El ciclo de Cori se lleva a cabo de la siguiente manera: el glucógeno que se encuentra circulando a través de la sangre se convierte en lactato durante una actividad muscular vigorosa, produciendo una cierta cantidad de ATP mediante la glucólisis, necesaria para la contracción rápida del músculo. Este lactato pasa de nuevo a la sangre y llega a las células del hígado, donde, mediante la gluconeogénesis, se convierte en glucosa. Este proceso requiere un aporte de ATP. Esta glucosa producida pasa de nuevo al músculo a través de la sangre para obtener más energía y así sucesivamente. El ATP empleado por el hígado para la conversión del lactato en glucosa se regenera por fosforilación oxidativa, lo que implica un consumo extra de oxígeno. Después de un ejercicio muscular vigoroso, transcurren aproximadamente 30 minutos hasta que la velocidad de consumo de oxígeno vuelve a su nivel de reposo. Esto se conoce como deuda de oxígeno. Cuando el lactato se produce en grandes cantidades durante la actividad muscular vigorosa, la acidificación que resulta de la ionización del ácido láctico en el músculo y en la sangre provoca dolor y limita el periodo de actividad.

Pregunta 4

a) Mecanismos de Regulación Metabólica

Miles de reacciones químicas de las células catalizadas por enzimas están organizadas en diversas rutas metabólicas. Cada ruta consta de una secuencia catalítica. Los seres vivos han producido mecanismos sofisticados para regular las rutas bioquímicas. La regulación es esencial por varias razones:

1. Mantenimiento de un estado ordenado.
2. Conservación de la energía.
3. Respuesta a las variaciones ambientales.

La regulación de las rutas bioquímicas es compleja y se consigue principalmente ajustando las concentraciones y las actividades de determinadas enzimas. Las enzimas se pueden clasificar en:

1. Adaptativas: son aquellas que no se sintetizan continuamente en la célula y pueden ser inducibles o reprimibles.
2. Constitutivas: son aquellas que se encuentran siempre en la célula, ya que se están sintetizando continuamente.

La regulación de la actividad enzimática metabólica se puede llevar a cabo mediante:

• Enzimas reguladoras
• Zimógenos
• Regulación hormonal
• Retroinhibición
• Modificación covalente reversible

Enzimas Reguladoras

Podemos dividir las enzimas reguladoras en dos tipos:

• Enzimas alostéricas: son enzimas reguladoras con actividad catalítica modulada por la unión no covalente de un metabolito específico a un sitio distinto del sitio activo. Los moduladores pueden ser inhibidores o estimuladores. En ausencia de inhibidores, el sustrato se une al sitio activo de la enzima y la reacción progresa. La unión de un inhibidor al sitio alostérico induce un cambio conformacional en la enzima e impide la unión del sustrato. En otros casos, la unión de una molécula por un lugar distinto al centro activo provoca una activación. Se provoca un cambio en la conformación que hace que la subunidad catalítica se active y pueda fijar el sustrato con mayor afinidad.
• Enzimas interconvertibles: son otro tipo de enzimas reguladoras, y como tales, también se ocupan de llevar a cabo el control del metabolismo. La reacción se produce por una serie de transformaciones en las que están implicadas proteínas diferentes, por esta razón se le llama reacción en cascada. En esta cascada enzimática, la forma activada de un factor cataliza la forma activada del siguiente.

Zimógenos

Es un mecanismo regulador que implica la activación de la enzima mediante ruptura proteolítica. El zimógeno (precursor inactivo de la enzima) es el responsable de iniciar la formación de la enzima activa. Muchas proteasas del estómago y del páncreas se regulan así. Esta ruptura específica produce cambios conformacionales que hacen asequible el sitio activo de la enzima. Se necesita otro mecanismo de inactivación de estas enzimas, ya que este tipo de regulación es irreversible. Proteínas inhibidoras que se fijan fuertemente al sitio activo de la enzima, son las que se encargan de inactivar la proteasa.

Regulación Hormonal

Esta regulación es llevada a cabo por las hormonas. Una hormona es una sustancia que se sintetiza en células especializadas y son liberadas al torrente sanguíneo para ser reconocidas por las células diana (que presenta receptores de cada hormona en la membrana plasmática). El sistema de transducción de señales es un proceso de transmisión de mensajes y de realización de cambios metabólicos, está formado por un transductor, un efector y un receptor. El receptor es una proteína transmembrana, el transductor es una proteína G y el efector es la enzima adenilato ciclasa. Muchas hormonas usan el AMPc como segundo mensajero. La hormona se une con un receptor específico situado en la membrana plasmática de una célula. Dicho receptor está en contacto con una proteína G estimuladora, la cual libera su subunidad α, que llega por difusión a una adenilato ciclasa, activándola. El efector cataliza la conversión de ATP en AMPc, el cual actúa como segundo mensajero, siendo capaz de activar otras enzimas.

Retroinhibición

En algunos sistemas multienzimáticos, el producto final de una secuencia de reacciones se acumula en exceso a las necesidades de la célula y es capaz de inhibir, de manera alostérica, la enzima reguladora de la cadena que conduce a su propia síntesis. Cuando la reacción de la enzima reguladora se hace más lenta, todas las enzimas posteriores actuarán a velocidad reducida, ya que sus sustratos desaparecen debido a la ley de acción de masas. Así, se va equilibrando la velocidad de formación del producto final de la ruta con respecto a las necesidades de la célula.

Modificación Covalente Reversible

Es otro tipo importante de regulación enzimática. Se modula la actividad por modificación covalente de una molécula enzimática, este proceso es catalizado por enzimas específicas. Generalmente, estos grupos modificados se unen covalentemente y se eliminan de la enzima reguladora por otras enzimas. Algunas de las enzimas reguladoras más complejas están localizadas en puntos cruciales del metabolismo, de manera que responden a múltiples metabolitos reguladores tanto por modificación covalente como alostérica.

b) Gluconeogénesis y su Regulación

La mayoría de los organismos pueden sintetizar glucosa a partir de precursores más sencillos, tales como piruvato o lactato. En los mamíferos, este proceso, llamado gluconeogénesis, tiene lugar principalmente en el hígado y su misión es proporcionar glucosa para exportarla a otros tejidos cuando se han agotado otras fuentes de glucosa. Este proceso utiliza la mayor parte de las enzimas de la glucólisis; siete de las reacciones glucolíticas son libremente reversibles y las enzimas que catalizan estas también funcionan en la gluconeogénesis. Las tres restantes son tan exergónicas que son prácticamente irreversibles: las catalizadas por la hexoquinasa, la PFK-1 y la piruvato quinasa, siendo estos los puntos de regulación de las dos rutas.

La PFK-1 se inhibe alostéricamente por el ATP y el citrato. En la mayoría de los tejidos de mamíferos, en el hígado incluido, la PFK-1 se activa alostéricamente por la fructosa-2,6-bisfosfato. El piruvato quinasa se inhibe alostéricamente por el ATP y la isoenzima hepática es también inhibida por la fosforilación dependiente de AMPc.

La gluconeogénesis está regulada a nivel de la piruvato carboxilasa (que es activada por el acetil-CoA) y de la FBPasa-1 (que es inhibida por la fructosa-2,6-bisfosfatasa y por el AMPc). Para limitar el ciclo inútil entre la gluconeogénesis y la glucólisis, las dos rutas están bajo control alostérico recíproco, que se consigue mayoritariamente por los efectos opuestos de la fructosa-2,6-bisfosfato sobre la PFK-1 y la FBPasa-1. El glucagón o la adrenalina disminuyen la concentración de la fructosa-2,6-bisfosfato, al aumentar la concentración de AMPc y fosforilar la enzima bifuncional PFK-2/FBPasa-2. La insulina aumenta la concentración de la fructosa-2,6-bisfosfato al activar una fosfoproteína fosfatasa que desfosforila y, de este modo, activa la PFK-2.