Ciclo de la pentosa fosfato: características y funciones

El ciclo de la pentosa fosfato es una ruta metabólica en la que, por una parte, se obtiene poder reductor en forma de NADPH y, por otra parte, se producen azúcares muy importantes para la síntesis de ácidos nucleicos.
Ciclo pentosa fosfato
Cadena de ADN.

Todas y cada una de nuestras células son industrias en miniatura. Y es que como en cualquier industria, las células utilizan unos productos iniciales que, a través de distintas reacciones químicas (a menudo muy complejas), son convertidos en unas sustancias químicas aprovechables ya sea para dar energía o para promover el crecimiento de nuestros órganos y tejidos.

En este sentido, es en el interior de nuestras células donde tienen lugar todos los procesos bioquímicos enfocados a mantener un correcto equilibrio entre la energía que se obtiene y la que se consume. Esto se consigue rompiendo moléculas para liberar así energía en la “explosión” pero también utilizando esta energía para mantener un correcto flujo de materia en el organismo y tener “combustible” para mantenernos activos a nivel fisiológico y anatómico.

Todas estas reacciones químicas que buscan promover el equilibrio entre energía y materia constituyen lo que se conoce como metabolismo. En nuestras células tienen lugar muchas rutas metabólicas distintas y cada una de ellas, pese a tener unas particularidades, está relacionada con las otras.

En el artículo de hoy nos centraremos en el ciclo de la pentosa fosfato, una ruta metabólica con el doble objetivo de, por un lado, producir moléculas de NADPH, las cuales tienen varias utilidades en la célula que veremos más adelante y, por otro lado, transformar la glucosa en otros azúcares (especialmente pentosas) que se necesitan para la síntesis de nuestro material genético.

¿Qué es una ruta metabólica?

Antes de analizar específicamente qué es el ciclo de la pentosa fosfato, primero debemos entender bien los principios del metabolismo y cómo funcionan, de forma general, todas las rutas metabólicas. Y es que el del metabolismo celular es uno de los ámbitos de la biología más complejos, por lo que intentaremos sintetizarlo al máximo.

A grandes rasgos, una ruta metabólica es cualquier reacción bioquímica (un proceso de naturaleza química que sucede en el interior de una célula) en la que, a través de la acción de moléculas que guían el proceso y que se conocen como enzimas, se produce la conversión de unas moléculas iniciales a unos productos finales, lo que o bien necesita un aporte de energía o bien la libera.

En este sentido, una ruta metabólica es una reacción química que tiene lugar en el interior de una célula en la que una molécula A se convierte en una molécula B gracias a la acción de unas enzimas que catalizan (aceleran) el proceso. Si esta molécula B es más sencilla que la A, este proceso de “rotura” liberará energía, dando así combustible a la célula. Si, por el contrario, la B es más compleja a nivel estructural que la A, para sintetizarla se tendrá que consumir este combustible, es decir, se gastará energía.

La diversidad y complejidad de rutas metabólicas en nuestras células es enorme. Y tiene que ser de este modo, pues el metabolismo celular, es decir, las reacciones bioquímicas que suceden dentro de las células que conforman nuestros órganos y tejidos, son el único modo que hay en la naturaleza de mantener en equilibrio el flujo de energía y materia en el interior de los seres vivos.

Pero pese a esta variedad y complejidad, todas las rutas metabólicas comparten algunos aspectos en común, que son básicamente el papel que desarrollan los cinco protagonistas siguientes: célula, metabolito, enzima, energía y materia. Veámoslos uno por uno.

La célula es el primer protagonista básicamente porque es quien alberga la ruta metabólica en cuestión. El interior celular reúne todas las propiedades necesarias para permitir que las reacciones bioquímicas sucedan de forma controlada, compartimentada, a la velocidad correcta y sin influencia del medio exterior.

Dependiendo de la ruta en cuestión, lo hará en las células de un tejido u órgano concreto (o en todas las células del cuerpo) y en un lugar u otro de las mismas, es decir, en el citoplasma, el núcleo, las mitocondrias, etc.

Sea como sea, lo importante es que el medio intracelular es idóneo para la conversión de unas moléculas a otras. Pero en el campo del metabolismo celular, estas moléculas reciben el nombre de metabolitos. En este sentido, los metabolitos son cada una de las moléculas o sustancias químicas generadas durante la ruta metabólica. Hay veces en las que simplemente hay un metabolito A (inicial) y un metabolito B (final), aunque lo más habitual es que haya muchos metabolitos intermedios.

Célula

Cada vez que hay que convertir un metabolito en otro, tienen que actuar unas moléculas vitales en el metabolismo: las enzimas. Estas enzimas, pues, son moléculas intracelulares que actúan como catalizadoras de las reacciones bioquímicas de conversión de metabolitos.

Las enzimas no son metabolitos, sino moléculas que actúan sobre estos para transformarlos en el siguiente metabolito de la ruta. De este modo, las enzimas no solo garantizan que la reacción bioquímica sucede en el orden correcto, sino que lo haga a una velocidad adecuada. Intentar que la ruta tenga lugar “por arte de magia” sin la presencia de enzimas sería como intentar encender un petardo sin fuego.

Ahora que ya hemos entendido la relación entre metabolitos y enzimas, pasamos a los dos últimos conceptos: energía y materia. Y tenemos que analizarlos juntos, pues el metabolismo celular es algo así como un “baile” entre ambos.

La energía es la fuerza que da combustible a las células, es decir, su “gasolina”; mientras que la materia es la sustancia orgánica que necesita esta misma célula para formar sus estructuras y, por lo tanto, lo que conforma nuestros órganos y tejidos.

Decimos que están estrechamente relacionadas porque para conseguir energía tenemos que degradar materia orgánica, la cual viene de los alimentos que consumimos; pero para sintetizar materia orgánica para dividir células y reparar órganos y tejidos también hay que gastar energía.

Las rutas metabólicas pueden ir enfocadas a obtener o bien energía o bien materia (o ambas). Cuando la finalidad es la de conseguir energía a través de la degradación de un metabolito A complejo a un metabolito B más sencillo, la ruta metabólica recibe el nombre de catabólica. A continuación veremos una de la más importantes: el ciclo de la pentosa fosfato, aunque esta tiene la particularidad, como veremos, de que el principal objetivo de la degradación no es el de obtener energía.

Cuando la finalidad es la de sintetizar materia orgánica más compleja a través del consumo de energía para pasar de un metabolito A sencillo a un metabolito B más complejo, la ruta metabólica recibe el nombre de anabólica.

Y después hay rutas metabólicas más complejas que integran muchas otras rutas distintas, pues los productos (metabolitos) que se generan en ella sirven como precursores de otras rutas, ya sean anabólicas o catabólicas.

¿Cuál es la finalidad del ciclo de la pentosa fosfato?

El ciclo de la pentosa fosfato es una ruta catabólica clave en el metabolismo celular. Y es que constituye una reacción bioquímica imprescindible para integrar el metabolismo de la glucosa (un azúcar que es el pilar de la mayoría de rutas) con muchas otras rutas, ya sean enfocadas a la obtención de energía o a la síntesis de materia orgánica.

Ahora veremos exactamente a qué nos referimos con esto, pero lo importante es tener en cuenta que, aunque varía dependiendo del órgano en cuestión y de las necesidades, un porcentaje importante de la glucosa que consumimos se desvía a esta ruta.

Pero, ¿por qué decimos que es tan importante el ciclo de la pentosa fosfato? Muy “sencillo”. El ciclo de la pentosa fosfato es una ruta imprescindible dentro del metabolismo por su doble objetivo. Por una parte, permite la síntesis de NADPH, una molécula que da poder reductor a la célula (ahora veremos qué significa); por otra parte, permite la conversión de la glucosa en otros azúcares, especialmente ribosa 5-fosfato, vitales para la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos. Veamos cada una de las dos finalidades.

1. Síntesis de NADPH

Hemos dicho que el ciclo de la pentosa fosfato es una de las rutas metabólicas clave para obtener NADPH, pero, ¿qué es exactamente? El NADPH es una coenzima que se almacena en las células y que le da a estas lo que se conoce como poder reductor. En los animales, cerca del 60% del NADPH necesario procede de esta ruta metabólica.

Este NADPH producido durante el ciclo de la pentosa fosfato es aprovechado después en muchas rutas metabólicas tanto anabólicas como anabólicas. Las funciones más importantes de esta coenzima es permitir la biosíntesis de ácidos grasos y proteger a la célula del estrés oxidativo. De hecho, el NADPH es el antioxidante más importante de nuestro cuerpo.

Esta oxidación viene dada por la liberación durante el metabolismo de radicales libres de oxígeno, los cuales dañan enormemente a las células. En este sentido, el NADPH funciona como reductor (de ahí que se diga que da poder reductor), lo que significa que impide la liberación de estos radicales de oxígeno (oxidación viene de oxígeno). Por ello, las células con mayores concentraciones de oxígeno, como por ejemplo los glóbulos rojos, necesitan un ciclo de la pentosa fosfato especialmente activo, pues necesitan más NADPH de lo normal.

En estos glóbulos rojos, hasta un 10% de la glucosa entra a esta vía metabólica, mientras que en otras donde no se generan tantas especies reactivas de oxígeno (como las células musculares o las neuronas), la glucosa se destina a otras vías, pues es más importante obtener energía a través de ella que poder reductor.

2. Síntesis de ribosa 5-fosfato

La otra finalidad del ciclo de la pentosa fosfato, además de la obtención de NADPH, es la síntesis de la ribosa 5-fosfato, una molécula que representa el metabolito final de esta ruta metabólica y que es imprescindible para la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos.

Es decir, el ciclo de la pentosa fosfato tiene también el objetivo de degradar la glucosa (de ahí que sea una ruta catabólica) no solo para obtener poder reductor, sino para conseguir azúcares de cinco carbonos (especialmente pentosa) más sencillos que pueden ser utilizados directamente o bien ser utilizados como precursores o metabolitos intermediarios de otras rutas metabólicas, incluida la glucólisis, es decir, la degradación de la glucosa para la obtención de energía.

La ribosa 5-fosfato obtenida es el azúcar más importante en los nucleótidos (las unidades que conforman la doble cadena de ADN), por lo que el ciclo de la pentosa fosfato es imprescindible para la síntesis de ácidos nucleicos y, por lo tanto, permitir la división y replicación de nuestro material genético.

El ciclo de la pentosa fosfato es la principal “fábrica” de los ingredientes de nuestro ADN, cosa que, junto con el hecho de que impide la oxidación de las células y ofrece metabolitos precursores para muchas otras rutas, la convierte en una de las bases de nuestro metabolismo.

Un resumen del ciclo de la pentosa fosfato

Como cualquier ruta metabólica, entran en juego muchos metabolitos y enzimas distintas y, además, esta en concreto se relaciona con muchas otras rutas diferentes, por lo que tiene un alto nivel de complejidad. Como la finalidad de este artículo no es impartir una clase de bioquímica, veremos un resumen muy sencillo de cómo es esta ruta y cuáles son sus puntos claves.

Todo empieza con una molécula de glucosa. Esta glucosa suele entrar en una vía catabólica conocida como glucólisis que se basa en degradarla para obtener energía, pero también puede entrar en este ciclo de la pentosa fosfato. A partir de aquí, se entra en la ruta metabólica, que se divide en dos partes: la fase oxidativa y la no oxidativa.

La primera de las fases es la oxidativa y es en la que se genera todo el NADPH de la ruta. En esta fase, la glucosa se convierte primero en glucosa 6-fosfato, la cual, a través de la enzima más importante del ciclo (la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa), se convierte en otro metabolito intermedio. Lo importante es que como “efecto colateral” de la conversión, se libera el NADPH.

A través de otras enzimas se llega hasta la ribulosa-5-fosfato, que marca el final de la fase oxidativa. En este momento, se ha obtenido ya todo el NADPH. Pero en caso de que la célula necesite azúcares para sintetizar ácidos nucleicos, se entra en la fase no oxidativa.

La fase no oxidativa del ciclo de la pentosa fosfato consiste en la conversión de esta ribulosa-5-fosfato en la ribosa 5-fosfato, un azúcar que es pieza clave en la síntesis de nucleótidos, las unidades que constituyen el ADN.

Además, a partir de esta ribosa 5-fosfato y siguiendo con la fase no oxidativa del ciclo, se pueden sintetizar muchos azúcares distintos que actúan como metabolitos iniciales (precursores) o intermediarios de otras rutas, ya sean anabólicas o catabólicas, siendo las pentosas los más importantes.

Referencias bibliográficas

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  • Stincone, A., Prigione, A., Cramer, T. et al (2015) “The return of metabolism: Biochemistry and physiology of the pentose phosphate pathway”. Biological Reviews.
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Biología
Pol Bertran Prieto

Pol Bertran Prieto

Microbiólogo y divulgador

Pol Bertran (Barcelona, 1996) es Graduado en Microbiología por la Universidad Autónoma de Barcelona. Máster en Comunicación Especializada con mención en Comunicación Científica por la Universidad de Barcelona. Apasionado por la divulgación de la salud y la medicina y aficionado del deporte y el cine.