Tema 16 - Ruta de las pentosas-fosfato
y fijación fotosintética del dióxido de carbono (ciclo de Calvin)

Vía de las pentosas-fosfato: significado biológico y estrategia global. Fase oxidativa y fase no oxidativa. Regulación de la ruta.
Ciclo de Calvin: fases, reacciones y regulación.

Ruta de las pentosas-fosfato

Otros nombres: vía de la hexosa-monofosfato, vía del fosfogluconato, desviación de las pentosas.

Resumen

En citosol.
2 funciones principales:

• Producir NADPH, oxidando la glucosa.
  NADPH para biosíntesis de ácidos grasos, de colesterol, de neurotransmisores, de nucleótidos.
• Producir pentosas: síntesis de nucleótidos (ATP, GTP,... NAD, FAD, CoA...) y ácidos nucleicos
• Otras funciones de la ruta:
  • NADPH para reacciones de destoxificación: reducción del glutatión, citocromo P450 monooxigenasa, reducción del estrés oxidativo
  • Catabolismo de pentosas (de la dieta)
  • Síntesis y catabolismo de azúcares C4 y C7 poco frecuentes
    

Diferencias entre NADH y NADPH:

• Estructural
• Funcional:
  • NADH: se oxida en la cadena respiratoria para producir ATP
  • NADPH: se usa en biosíntesis (como reductor)
    

Pero es una ruta muy flexible, diversas necesidades.

Conexión con glucólisis y gluconeogénesis.

Dos fases:

• oxidativa 2 NADPH + CO₂ .
• no oxidativa: 6 pentosas 5 hexosas.

Reacciones de la fase oxidativa

Metabolitos, enzimas (esquema en Biomodel > Metabolismo)

Balance: glucosa-6P ribulosa-5P + CO₂ + 2 NADPH

1. glucosa-6P deshidrogenasa (específica para NADP, no NAD;KM 1000 veces inferior)
2. una lactonasa específica (apertura, hidrólisis del éster)
3. 6-fosfogluconato deshidrogenasa (descarboxilación oxidativa)
“vía del fosfogluconato”.

Balances entre las dos fases:

Regulación:
El balance NADP / NADPH regula la rutaa través de la 1ª reacción de la fase oxidativa (Glc6P deshidrogenasa).

• reacción irreversible
• etapa limitante de velocidad
• NADPH es competidor de NADP en el centro activo

Usos diversos de la ruta

1. Demanda de poder reductor y de pentosas (biosíntesis):
   Oxidación de glucosa a pentosa + CO₂, obteniendo NADPH.
   Balance global ....
   
2. Demanda de poder reductor (biosíntesis), no de pentosas:
   Ejemplo: tejido adiposo.
   Oxidación de glucosa a CO₂, obteniendo NADPH.
   Oxidación completa de la glucosa, sin Krebs; ¡no produce ATP!
   Balance global ....
   
3. Demanda de pentosas (síntesis de ácidos nucleicos):
   Ejemplo: células en división rápida.
   Conversión de glucosa en ribosa.
   Balance global ....
   
4. Demanda de poder reductor y de ATP:
   Oxidación de glucosa a piruvato o CO₂, obteniendo NADPH, NADH y ATP.
   Balance global ....
   
   

Tejidos que usan la ruta de las pentosas:

• hígado: síntesis de ácidos grasos y colesterol
• glándula adrenal: síntesis de esteroides
• testículos: síntesis de esteroides
• ovarios: síntesis de esteroides
• tejido adiposo: síntesis de ácidos grasos
• glándula mamaria: síntesis de ácidos grasos
• eritrocitos: mantenimiento del glutatión reducido
  

Reacciones de la fase no oxidativa

a) Isomerización de fosfopentosas.

b) Intercambio de fragmentos carbonados C2 o C3.

• Transcetolasa. Sinónimo: glicolaldehídotransferasa. EC 2.2.1.1
  • Sustratos: cetosa + aldosa
  • Productos: aldosa + cetosa
  • Transferencia de C2 desde la cetosa a la aldosa
  • Coenzima: pirofosfato de tiamina (TPP)
• Transaldolasa. Sinónimo: dihidroxiacetonatransferasa. EC 2.2.1.2
  • Sustratos: cetosa + aldosa
  • Productos: aldosa + cetosa
  • Transferencia de C3 desde la cetosa a la aldosa
  • Sin grupo prostético; interviene ε–amino de Lys

Asimilación del CO₂ y ciclo de Calvin

Asimilación fotosintética de carbono:fijación del CO₂ y síntesis de carbohidratos.

También: “ciclo reductor de las pentosas fosfato”.

Conexión entre las dos fases de la fotosíntesis

• Reacciones dependientes de la luz = absorción de energía luminosa + transporte electrónico fotosintético + fotofosforilación.
  productos: NADPH y ATP   (utilizan NADP y ADP)
• Reacciones independientes de la luz = fijación del CO₂ y síntesis de triosas y hexosas.
  consumen NADPH y ATP   (generan NADP y ADP)

Analogía entre la ruta de las pentosas y el ciclo de Calvin: esquemas en Biomodel > Metabolismo.

Reacciones del ciclo de Calvin: (esquema en Biomodel > Metabolismo)

Fase clave:

Fijación del CO₂ y síntesis de hexosa (a través de 2 triosas)
ribulosa-1,5-bisfosfato + CO₂ 2× 3PG ; ΔG°’ = −52 kJ/mol

enzima: rubisco (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa o ribulosa-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa)

Reacción previa: formación de la ribulosa-bisfosfato

ribulosa-5-fosfato quinasa: ribulosa-5-fosfato + ATP ribulosa-1,5-bisfosfato + ADP

Reacciones posteriores (fase de reducción):

Comunes con gluconeogénesis, salvo que se usa NADPH y no NADH (GA3PDH de cloroplastos)

Forman gliceraldehído-3P y fructosa-6P.Posible síntesis de glucosa ( fotosíntesis, CO₂ Glc )

La enzima rubisco

• 50% del total de proteínas en las hojas
  16% del total de proteínas en el cloroplasto
  La enzima más abundante en la naturaleza (masa),40 millones de toneladas (6 kg por persona)
• También actividad oxigenasa (alternativa)
• 16 cadenas polipeptídicas (L₈S₈), 540 kDa
• Requiere CO₂ y Mg²⁺ .
• Es lenta: 3 s⁻¹ como máximo
  

Resumen de la regulación de la actividad de la rubisco: para que esté activa se requiere luz, CO₂ y Mg²⁺ y pH ≥ 7.4

En oscuridad: Rul1,5P2 se une a rubisco y la mantiene inactiva (E×).	Con luz: La rubisco activasa induce en la rubisco un cambio conformacional, consumiendo para ello ATP. Como consecuencia, se libera la Rul1,5P2 (se desbloquea la rubisco) Un residuo de lisina en el centro catalítico de rubisco reacciona con CO2 (carbamilación*). La rubisco carbamilada (EC) puede unir Mg2+ (ECM) y así adquiere actividad. Todo esto tiene lugar cuando hay luz: Los fotosistemas hacen pasar H+ hacia el lumen tilacoidal, lo que provoca el paso de Mg2+ en dirección contraria, hacia el estroma. El pH alto y el Mg2+ activan a la rubisco.
Además, varias de las enzimas se activan por reducción de sus disulfuros gracias a la tiorredoxina, una proteína que a su vez se ha reducido gracias a la ferredoxina acumulada en el estroma.

* Carbamilación:

grupo amino ε de un residuo de lisina en el centro activo de la enzima rubisco			carbamil-lisina (un carbamato)	Mg2+	rubisco activa (ECM)
E–(Lys)—NH3+ ↔ E–(Lys)—NH2	+ CO2		E–(Lys)—NH—CO-O−
enzima rubisco no carbamilada (E), inactiva			rubisco carbamilada (EC)

Reciclado de la ribulosa-5P: reacciones de interconversión de azúcares

Esquema animado por etapas para comprender el ciclo: reposición de la ribulosa-bisfosfato consumida por la rubisco.

(Otro esquema en Biomodel > Metabolismo)

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