Fisica de los sistemas biologicos.

Notas sobre la glucólisis

La glucólisis

Las proteínas, los lípidos y los polisacáridos que ingerimos con los alimentos deben partirse en moléculas más pequeñas para que las células puedan usarlos. La ``rotura'' enzimática de los mismos, o catabolismo, tiene lugar en tres etapas. La primera etapa, la digestión, ocurre principalmente en el intestino. All´i los polímeros grandes se rompen en las subunidades monoméricas que los constituyen mediante la acción de enzimas que se secretan. La segunda etapa ocurre en el citoplasma luego de que las moléculas más pequeñas generadas en la primera etapa entran en las células, donde se las continúa degradando. La mayor parte de los átomos de carbono e hidrógeno de los azúcares son convertidos en ``piruvato'', el que ingresa en las mitocondrias y es convertido en los grupos acetílicos del compuesto acetil co-enzima A (acetil CoA). Este compuesto también es generado a partir de los ácidos grasos. En la tercera etapa el grupo acetílico del acetil CoA es completamente degradado en CO tex2html_wrap_inline56 y H tex2html_wrap_inline56 O. Es durante esta última etapa que se genera la mayor parte del ATP. A través de una serie de reacciones acopladas, prácticamente la mitad de la energía que, en teoría, puede derivarse de la combustión de carbohidratos y grasas es usada para producir la reacción, energéticamente desfavorable, de fosforilación del ADP en ATP ( tex2html_wrap_inline60 ). Existen alrededor de tex2html_wrap_inline62 moléculas de ATP en solución en el interior de una célula típica.

El proceso más importante de la segunda etapa del catabolismo es la ``glucólisis'', la que puede generar ATP en ausencia de oxígeno. Durante este proceso una molécula de glucosa con seis átomos de carbono se convierte en dos moléculas de piruvato, cada una de ellas con tres átomos de carbono. Esta conversión involucra una secuencia de 9 pasos enzimáticos en los que se crean intermediarios que contienen fosfatos. La célula hidroliza dos moléculas de ATP para poner en marcha los primeros pasos del proceso, pero al final produce cuatro moléculas de ATP, por lo que hay una ganancia neta de ATP.

La secuencia de reacciones que constituyen la glucólisis puede dividirse en 3 partes. En la primera parte la glucosa es convertida en dos moléculas de gliceraldehído trifosfato (una molécula con tres átomos de carbono). Esta parte requiere invertir energía: la hidrólisis del ATP es la que provee los dos fosfatos que se necesitan. En la segunda parte el grupo aldehído de cada molécula de gliceraldehído trifosfato se oxida formando ácido carboxílico y la energía liberada en cada una de estas reacciones se acopla a la de la fosforilación de ADP para formar ATP. En la última parte, los dos fosfatos que habían sido usados para formar las dos moléculas de gliceraldehído trifosfato son transferidos al ADP para formar ATP. Por lo tanto, como resultado neto de la glucólisis se obtiene una ganancia neta de dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.

Para la mayoría de las células animales, la glucólisis es sólo una porción de la segunda etapa del catabolismo, ya que el ácido pirúvico que se genera al final, entra rápidamente en las mitocondrias para ser completamente oxidado y convertido en  CO tex2html_wrap_inline56 y H tex2html_wrap_inline56 O. En el caso de los organismos anaeróbicos o en tejidos tales como el de algunos músculos que funcionan en condiciones anaeróbicas, la glucólisis puede ser la principal fuente de ATP de la célula. Estas reacciones anaeróbicas que generan energía se llaman fermentaciones. En estos casos, las moléculas de piruvato permanecen en el citosol y, dependiendo del organismo, pueden convertirse en etanol (como en la levadura) o en lactato (como en el músculo).
 

Las oscilaciones glicolíticas.

Las oscilaciones glicolíticas fueron observadas por primera vez a fines de la década del cincuenta en levadura (yeast). Duysens y Amesz observaron que la fluorescencia de algunas sustancias intermedias en el proceso de glucólisis mostraban oscilaciones amortiguadas. Más tarde, Chance y colaboradores, mostraron que estas oscilaciones podían ser mantenidas durante períodos relativamente largos en suspensiones de levadura. Las oscilaciones regulares permanecían al mantener una inyección permanente del sustrato glicolítico. Esta última condición podía cumplirse si se usaba trehalosa, un metabolito que se transforma en sustrato, a una tasa relativamente baja, por medio de la enzima trehalasa. Este fenómeno periódico se observa tanto en suspensiones como en células individuales. Se observa además que todos los intermediarios de la glucólisis oscilan con la misma frecuencia, aunque con distinta fase. Este comportamiento periódico sostenido se observa en un rango preciso de tasa de inyección del sustrato. Por debajo de un valor crítico el sistema tiende a un punto fijo estable. Al aumentar la tasa de inyección, aparecen las oscilaciones, las que a su vez, desaparecen cuando la tasa se incrementa por encima de un segundo valor crítico.

Poco después de las primeras observaciones, se descubrió cuál era la fuente de las oscilaciones. Cuando la glucosa 6-fosfato o la fructosa 6-fosfato (F6P) es tratada como el sustrato (es decir, es la cantidad que se ``inyecta'' continuamente), se observa comportamiento periódico. En cambio, si se inyecta directamente fructosa 1,6-bifosfato como el sustrato glicolítico, las oscilaciones desaparecen. Por lo tanto, el comportamiento periódico se origina en el paso enzimático catalizado por la fosfofructokinasa (PFK). El rol de la fosfofructokinasa ha sido también corroborado al observar que el comportamiento periódico es afectado si se usan inhibidores o activadores de la enzima.

Las oscilaciones glicolíticas se observan también en músculo y el mecanismo molecular es idéntico al de la levadura: la enzima responsable de este comportamiento es la PFK. Las oscilaciones desaparecen si se usa un inhibidor de la enzima. Por otro lado, el agregado de PFK purificada produce un corrimiento en la fase de las oscilaciones y permite modular su amplitud y frecuencia. Por encima de un valor umbral el agregado de PFK suprime las oscilaciones, pero las mismas reaparecen cuando se agrega hexokinasa. Esta observación es una indicación de que el comportamiento periódico en la glucólisis depende de un balance delicado de los procesos que producen y transforman el sustrato de la reacción catalizada por PFK. Ahora bien, cuáles son las propiedades de la PFK que permiten la existencia de estas oscilaciones. Esta propiedad fue rápidamente identificada: la enzima es activada por un producto de la reacción que cataliza, el ADP y también por el AMP, el que es a su vez convertido en ADP. El control que ejerce el ADP se refleja claramente en experimentos en los que se agrega este metabolito y se produce un cambio de fase inmediatamente. La activación de una enzima por un producto de la reacción es algo bastante raro (la inhibición, por el contrario, no lo es). Sin embargo, lo que ocurre con la PFK puede entenderse. Las enzimas que participan de caminos biosintéticos que consumen ATP se mantienen activas en la medida en que la concentración de ATP permanezca por encima de la de ADP y AMP. Por el contrario, las enzimas que participan de caminos que generan ATP son inhibidas cuando el ATP está en exceso comparado con el ADP y el AMP. La PFK participa de un camino cuyo producto final es el ATP, sin embargo, participa de un paso intermedio en el que el ATP es consumido (es el sustrato), y el ADP, en cambio, producido. Por lo tanto, la enzima tiene un comportamiento autocatalítico en lo que se refiere a su poder como catalizador.

La fosfofructokinasa posee dos sustratos: ATP y F6P, a los que transforma en ADP y FBP. Un modelo completo debería contener estos cuatro metabolitos. Sin embargo, los experimentos muestran que el ATP y el ADP juegan un rol más importante en las oscilaciones que la F6P y la FBP. Por ejemplo, mientras que el agregado de ADP produce un cambio de fase inmediato en las oscilaciones, el agregado de FBP produce un efecto mucho más débil. Por lo tanto, el ADP juega el rol predominante en lo que se refiere a la regulación. Por esta razón, los modelos incluyen sólo al ATP, ADP y a la enzima, en sus posibles distintas conformaciones.

Selkov propuso un modelo para explicar las oscilaciones glicolíticas describiendo el comportamiento autocatalítico de un modo sencillo. El modelo supone que la enzima (E) puede ligar tex2html_wrap_inline126 moléculas de ADP ( tex2html_wrap_inline128 )( tex2html_wrap_inline130 es el caso que estudia Selkov) pasando de un estado inactivo (E) a uno activo ( tex2html_wrap_inline134 ). En el estado activo puede catalizar la reacción de hidrólisis que transforma ATP ( tex2html_wrap_inline136 ) en ADP (más fosfato inorgánico, P tex2html_wrap_inline138 ). El sustrato (ATP) es inyectado a una tasa constante ( tex2html_wrap_inline140 ) y el producto (ADP) removido a una tasa constante también ( tex2html_wrap_inline142 ). El modelo está descripto por el siguiente conjunto de reacciones:

eqnarray50
 
 

Este modelo contiene un paso trimolecular y la naturaleza alostérica de la enzima es tratada de un modo muy sencillo. El modelo reproduce las oscilaciones, pero no posee un segundo valor crítico de la tasa de inyección de sustrato por encima de la cual las oscilaciones desaparecen. Goldbeter y Lefever propusieron, posteriormente, un modelo en donde la enzima puede estar en dos estados conformacionales distintos, que ligan con distinta afinidad el sustrato. A su vez, la enzima posee muchos sitios donde ligar sustrato. Por otro lado, la enzima liga el producto (ADP) sólo en uno de esos estados. La enzima, con el producto ligado a ella, liga al sustrato con mayor afinidad.