Tema 6a. Metabolismo

7/26/2019 Tema 6a. Metabolismo

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Tema 6a. El metabolismo

- Introduccin al metabolismo y bioenergtica

- Glucolisis y Gluconeognesis

- Ruta de las Pentosas fosfato


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Introduccin al metabolismo y bioenergtica

Panorama del metabolismo energtico.

Anabolismo y catabolismo.

Rutas centrales del metabolismo.

Principios generales sobre regulacin metablica.Papel central del ATP en el metabolismo energtico.

Hidrlisis del ATP.

Otros compuestos ricos en energa.

Reacciones redox biolgicas.

Vitaminas y coenzimas de importancia.


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Introduccin al metabolismo

El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones

enzimticas que tienen lugar en una clula u organismo vivo.Aunque normalmente se tiende a pensar en las reacciones de

produccin de energa y de biosntesis, tambin incluye otrasespecficas que permiten su regulacin.

Todo ello compone un conjunto de cientos de reacciones

organizadas en series que constituyen unidades mayoresllamadas rutas metablicas.

A ! B ! C ! D ! E ! F

En una ruta metablica, un precursor (A) se convierte en unproducto (F) a travs de una serie de intermediarios llamados

metabolitos(B, C, D, E).En sentido amplio, se llama metabolito a cualquier molcula

que forme parte del metabolismo de una clula.


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Una ruta metablica produce energa o metabolitos de intersUna ruta de transduccin de seales transmite informacin

Una serie de reacciones relacionadas forma una ruta.

Regulacin por feedback negativo: el producto final F inhibe al enzima 1

Las rutas estn controladas para regular los niveles de metabolitos

Las rutas metablicas pueden ser lineales, ramificadas (divergentes oconvergentes), cclicas y espirales.

enz 5enzima 1


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Esquema general del metabolismo

En general, las rutascatablicas son convergentesy las anablicas divergentes

Ambas facetas pueden ocurrirsimultneamente y tienencomponentes comunes, por loque es necesario que estnreguladas.

Tambin son necesarios

mecanismos de transferenciaenergtica del catabolismo alanabolismo.

Para cada metabolito, la rutacatablica es (ms o menos)distinta de la anablica.


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Etapas del catabolismo

Hidrlisis de lospolmeros hastasus monmeros

Oxidacin total delacetil-CoA a CO2y H2O

Paso de loscomponentes orgnicosa metabolitos sencillos

Glucolisis

Oxidacin de loscidos grasos

Ciclo de KrebsCadena respiratoria

Fosforilacin oxidativa

Ciclo de Krebs

Cadena respiratoriaFosforilacin oxidativa

Glucolisis

El catabolismo de protenas y nucletidosse integra en la ruta central, pero ademselimina el N mediante el Ciclo de la urea


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Caractersticas generales de la regulacin del metabolismo

1. La velocidad de las reacciones de una ruta se modula primariamente por elentorno de los enzimas: pH, [S] y [P], y presencia de cofactores.

2. Los enzimas con regulacin alostrica suelen jugar un papel muy importanteen la regulacin de las rutas, a menudo mediante sistemas de retroinhibicinofeedback negativo por producto final.

3. Los enzimas reguladores de una ruta suelen catalizar reacciones iniciales,irreversibles, puntos de ramificacin y/o etapas limitantes (las que limitan lavelocidad de toda la ruta). A menudo integran la regulacin por moduladoresalostricos y por modificaciones covalentes.

4. Muchas reacciones y rutas metablicas estn parcialmente controladas por elestado energtico de la clula. Un indicador de este estado es la cargaenergtica, que refleja la disponibilidad de enlaces ricos en energa del ATP.

5. En los compartimentos y orgnulos celulares hay distintas concentracionesde metabolitos (sustratos, inhibidores), lo que dirige la actividad de las rutas.

6. Las isoenzimas especficas de tejido permiten regulacin diferencial de una

ruta en los distintos rganos.7. El control del metabolismo se integra mediante el sistema endocrino: las

glndulas endocrinas segregan hormonas a la sangre, por la que alcanzan sustejidos diana, donde causan acciones especficas. Lo ms frecuente es queacten a nivel de fosforilacin o bien de induccin o represin gnica.


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Tipos de reacciones qumicas en el metabolismo

Tipo DescripcinOxidacin-reduccin Transferencia de electrones

Ligacin acoplada a hidrlisis del ATP Formacin de enlaces covalentes(p.e. enlaces C-C)

Isomerizacin Reorganizacin de tomos paraformar ismeros

Transferencia de grupos Transferencia de grupos funcionalesde una molcula a otra

Hidrlisis Ruptura de enlaces por adicin deagua

Adicin o eliminacin de grupos funcionales Adicin de grupos funcionales a

dobles enlaces, o eliminacin delos grupos para formar dobles enlaces


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El ATP es el nexo entre los procesos biolgicosdadores y consumidores de energa

El ATP es un nuclesido trifosfato (adenosina 5-trifosfato).Es la nica forma de energa que se puede convertir en

cualquier otra de las usadas por los seres vivos.Es un compuesto rico en energa, pero con un potencial de

transferencia intermedio, lo que le permite ser resintetizado apartir de otros ms energticos.

No se almacena en grandes cantidades, sino que se sintetizaa partir de ADP o AMP cuando es necesario.

En el rango fisiolgico de pH, elATP tiene cuatro cargas negativasen sus tres grupos fosfato

Adenina


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Las bases de la elevada G de hidrlisisdel ATP son:

1. La hidrlisis produce una disminucinde la repulsin de cargas.2. El Pi es estabilizado por resonancia.3. El ADP2- se ioniza rpidamente a ADP3-,

desplazando el equilibrio.4. Los productos tienen mayor solvatacin.

Condiciones en las clulasATP: 2 - 8 mMADP: 0,2 - 1,3 mMPi: 1,6 - 8 mM

AMP: 0,02 - 0,8 mMAdems, ATP4- y ADP3- suelen estar unidosa Mg2+. Por tanto, la !G0 de hidrlisisdepende tambin de la [Mg2+].As, el Gpo potencial de fosforilacinreal est entre -50 y -65 kJ/mol.

Hidrlisis del ATP


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Los compuestos de alta energase llaman as porque tienen altos potencialesde transferencia de fosforilo, es decir, una alta tendencia a ceder el grupo fosfato.

Entre ellos, el ATPmuestra un potencial de transferencia de valor intermedio.

As, los compuestos de ms alta energa transfieren su grupo fosfato al ADPpara formar ATP: PEP + ADP ATP + piruvato (Piruvato quinasa)

Por su parte, el ATP transfiere su grupo fosfato a compuestos de baja energa ylos activa: glucosa + ATP glucosa 6-P + ADP (Hexoquinasa)

Compuestos de alta energa

Compuestos fosforilados

Reacciones de transferencia de fosforilo

Compuesto kJ mol-1

Fosfoenolpiruvato (PEP) - 61,9

1,3-bisfosfoglicerato - 49,4

Creatina fosfato - 43,1ATP (a ADP) - 30,5

Glucosa 1-fosfato - 20,9

Pirofosfato - 19,3

Glucosa 6-fosfato - 13,8

Glicerol 3-fosfato - 9,2


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Glucolisis

Es una ruta metablica bsica y central, en la que una molcula de D-glucosase convierte en dos de piruvato. Se realiza en el citosol de todas las clulas.

Energticamente se puede considerar como la fase anaerobia preparativa parala oxidacin aerbica completa del piruvato en el ciclo de Krebs.

Los intermediarios de la glucolisis tienen 6 3 C, y grupos fosfatopara:

i) aportar un grupo polar que los retiene en el citosol,

ii) servir de grupo de reconocimiento para formar complejos ES,

iii)

conservar en enlaces la energa que luego es transferida al ATP.Las diez reaccionesde la glucolisis son de cuatro tipos:

1. Transferencia de fosforilo inter o intramolecular: reac. 1, 3, 6, 7, 8 y 10

2. Isomerizacin de cetosa en aldosa o viceversa: reac. 2 y 5

3. Deshidratacin: reac. 9

4.

Escisin aldlica de un enlace C-C: reac. 4

Aunque sus enzimas se consideran solubles, se han encontrado complejosmultienzimticosy asociaciones con estructurasque permiten su organizacin,as como la canalizacin y transferencia de metabolitos entre ellas.


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La glucolisistiene tres fases

Fase 1: preparacin o cebado por fosforilacin: se gastan2 ATP y se obtiene una hexosa bisfosfato (reac. 1 a 3)

Fase 2: particin de la hexosa bisfosfato e interconversinde triosas fosfato (reac. 4 y 5)

Fase 3: de beneficios, con oxidoreduccin y formacin de2 NADH y 4 ATP (reac. 6 a 10) (2x)

Fase 3

Fase 1

Fase 2


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Dos molculas de gliceraldehdo-3-P producendos de piruvato

En la reaccin 6 de oxidacin y fosforilacin seproducen dos molculas de NADH + H+

En dos reacciones 7 y 10 de fosforilacin a nivelde sustrato se sintetizan cuatro molculas de

ATPHay una reaccin irreversible (10), catalizadapor un enzima regulador

Glucolisis: fase de beneficios (2x)


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Perfil y balanceenergtico de laglucolisis

Balance global de la glucolisis

Balance con oxidacin posterior del piruvato a CO2

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H++ 2 H2O# # # # # # G0 = - 85 kJ/mol

Glucosa + 6 O2! 6 CO2+ 6 H2O !G0 = - 2840 kJ/mol

G

Progreso de la ruta

hexoquinasa

fosfofructoquinasa

piruvato quinasa


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Regulacin de la glucolisis

El flujo de glucosa a travs de la glucolisis est regulado para conseguirniveles constantes de ATP y de intermediarios biosintticos.

As, en anaerobiosis se consume mucha ms glucosa que en aerobiosis,ya que el paso anaerbico a piruvato es mucho menos energtico que suoxidacin aerbica. Es el llamado efecto Pasteur, estudiado en levaduras.

El ajuste necesario de la velocidad se consigue mediante la regulacin de losenzimas fosfofructoquinasa-1 (PFK-1) y piruvato quinasa (PK). Ambos estnregulados alostricamente por las fluctuaciones de las concentraciones demetabolitos clave que reflejan el estado energtico de la clula: AMP, ADP yATP; citrato y acetil-CoA, que reflejan la actividad del ciclo de Krebs, y otros.

Asimismo, la hexoquinasa (HK) es un elemento adicional de control de laglucolisis, ya que es inhibida por su producto, glucosa-6-fosfato.

Como la glucosa-6-fosfato es un metabolito comn para la glucolisis, sntesisde glucgeno y ruta de las pentosas fosfato, la hexoquinasa, que es el primer

enzima de la glucolisis, no puede actuar como controlador principal de suvelocidad, sino que ha de ser el siguiente, la fosfofructoquinasa-1.

La inhibicin de la hexoquinasa por glucosa-6-fosfato no tiene lugar en elhgado, donde la glucoquinasa sintetiza ese metabolito en grandes cantidadescomo precursor para obtener glucgeno.


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Regulacin bsica de la glucolisis en msculo en reposo y en ejercicio

EN REPOSO(glucolisis inhibida)

DURANTE EL EJERCICIO(glucolisis estimulada)


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Es el proceso de formacin de glucosa a partir de precursores no glucdicos,aunque en la ruta se pueden integrar tambin algunos carbohidratos.

Tras un ayuno de ms de un da o tras ejercicio intenso, las reservas de

glucosa y glucgeno del organismo se agotan. En humanos:Gasto diario de glucosa 160 g Glucosa en lquidos corporales 20 g

Gasto diario del cerebro 120 g Glucosa en glucgeno 190 g

Gluconeognesis

Entonces el hgado (90%) y la corteza renal (10%) sintetizan glucosa-6-Pa partirde distintos sustratos: lactato, piruvato, aminocidos, glicerol, etc.

La glucosa-6-P es convertida en glucosa y exportada por sistemas de transportea la sangre para su uso segn las necesidades tisulares.

Sin embargo, muchos tejidos usan laglucosa como sustrato metablicoprimario o nico: cerebro, sistema

nervioso, glbulos rojos, mdula renal,cristalino y crnea, testculos, etc.

La misin de la gluconeognesis espermitir el mantenimiento de losniveles de glucosa en sangre trashaber usado toda la de la dieta y las

reservas de glucgeno.


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Reacciones diferenciales de la gluconeognesis

La piruvato carboxilasa sloest en la matriz mitocondrial

El oxalacetatoes tambin unmetabolito delCiclo de Kebs.

Se transportaen forma de

malato.

Piruvato

carboxilasa

Fosfoenolpiruvatocarboxiquinasa

Fructosa-1,6-bisfosfatasa

Glucosa-6-fosfatasa

Primerrodeo

Primer rodeo

Segundorodeo

Tercerrodeo


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Reacciones y balance de la gluconeognesis

2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H++ 4 H2O

glucosa + 4 ADP + 2 GDP + 2 NAD++ 6 Pi G0 = - 32,7 kJ/mol

En la sntesis de glucosa a partir de piruvato se usan seis enlaces fosfatode alta energa, mientras que en la glucolisis slo se generan dos.

As, el coste extra permite convertir un proceso desfavorable en otrofavorable. El gasto es esencial para hacer que la ruta sea irreversible y asasegurar la produccin de glucosacuando sea necesaria.

2 x


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Regulacin conjunta de glucolisis y gluconeognesisAmbas rutas tienen lugar principalmente en el citosol, y se controlan de manera recproca,

de forma que las condiciones intracelulares que activan una inhiben a la otra.

De otra manera, ambas actuaran simultneamente degradando y sintetizando glucosa, ygenerando un gasto energtico intil.

La glucolisis se controla por la regulacin de sus tres reacciones ms exergnicas:hexoquinasa, fosfofructoquinasa y piruvato quinasa. Las reacciones opuestas de lagluconeognesisson sus objetivos de control: glucosa-6-fosfatasa, fructosa-1,6-bisfosfatasa, piruvato carboxilasa y fosfoenolpiruvato carboxiquinasa. As, la regulacinrecproca de ambas vas se realiza sobre los enzimas diferenciales.

Esta regulacin se basa en gran parte en la carga energtica. Cuando es baja (bajosniveles de ATP y altos de AMP y ADP), se estimulan las reacciones de control de la glucolisisy se inhiben las de gluconeognesis. Cuando la carga energtica es alta se estimulan lasgluconeognicas y se inhiben las glucolticas.

El ATP es a la vez sustrato e inhibidor de la PFK-1. Como inhibidor, el ATP se une a unsitio distinto del cataltico, y con menor afinidad. Causa una disminucin de la afinidad por lafructosa-6-P: la curva de velocidad se va a la derecha, y pasa de hiperblica a sigmoidea.

El citrato es otro sensor de nivel energtico. Cuando hay carga energtica alta, disminuyeel flujo a travs del ciclo de Krebs, se acumula citrato en las mitocondrias, y es transportado alcitosol, donde inhibe la glucolisis y estimula la gluconeognesis.

Un papel similar juega el acetil-CoA, que se obtiene del piruvato y entra al ciclo para seroxidado y producir energa. Cuando se acumula es indicio de que la carga energtica es alta,y por tanto inhibe la glucolisis y estimula la gluconeognesis.

El regulador ms importante de ambas rutas es la fructosa-2,6-bisfosfato.


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L f t 2 6 bi f f t l l d i i l


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La fructosa-2,6-bisfosfato es el principal regulador de ambas rutas porquefunciona a concentraciones mucho menores que los dems (rango M). Cuandosus niveles son altos se estimula la glucolisis y se inhibe la gluconeognesis,

y lo contrario cuando son bajos.

La fructosa-2,6-bisfosfato es el regulador principalde la glucolisis y la gluconeognesis

Ambas actividades residen en el mismopolipptido, y la activacin de una u otra sedebe a su estado de fosforilacin:desfosforilado est activa la PFK-2, yfosforilado est activa la FBPasa-2.

Ello permite su control hormonal porinsulina y glucagn, que as pueden activaro inhibir glucolisis y gluconeognesis.

fructosa-6-P + ATP fructosa-2,6-bisP + ADPPFK-2

FBPasa-2

Es un efector alostrico que aumenta la afinidad de la PFK-1por la fructosa-6-Py reduce el efecto inhibidor del ATP. Adems, inhibe a la FBPasa-1.

Se forma por la Fosfofructoquinasa-2 y se hidroliza porla Fructosa-2,6-bisfosfatasa.

La fructosa-6-P estimula su propia entrada en glucolisis,porque estimula la PFK-2 e inhibe a la FBPasa-2.


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Los principales precursoresgluconeognicos entran a la rutacomo piruvato, oxalacetato odihidroxiacetona fosfato

Lpidos


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Piruvato

Ultimos 3 C de los cidosgrasos de cadena impar

Propionil-CoA

Algunos aminocidos

Fermentacinpropinica(Rumiantes)

Aminocidos glucognicos,segn su metabolito de entrada

*Son tambin cetognicos

La mayora de los aminocidos son gluconeognicoso glucognicos, pero los cidos grasos no lo son


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El piruvato y el oxalacetato pueden tener destino energtico oglucognico en funcin de la regulacin de enzimas gluconeognicas

La piruvato carboxilasa es importante en elcontrol fisiolgico por su capacidad de ser reguladapor acetil-CoA.

Cuando los niveles de acetil-CoA son altos, lapiruvato carboxilasa se estimula y la piruvatodeshidrogenasase inhibe. As se dirige al piruvatohacia la formacin de oxalacetato.

Si los niveles son bajos, la piruvatodeshidrogenasa convierte el piruvato en acetil-CoA.

La fosfoenolpiruvato carboxiquinasa decide eldestino del oxalacetato (OAA) gracias a que esinhibida por ADP.

Si hay mucho ADP y poco ATP, el OAA se integraen el ciclo de Krebs para producir energa,unindose al acetil-CoA para dar citrato.

Si hay poco ADP y abundante ATP, la PEPCK noes inhibida, y el OAA va a gluconeognesis.

Fosfoenolpiruvatocarboxiquinasa ADP


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MANOSA

MANOSA-6-P

5

Entrada de otros carbohidratos a la glucolisis

Glcidos de la dieta

Glcidos intracelulares

1. Lactasa

2. Maltasa

3. Sacarasa

4. Galactoquinasa

5. Hexoquinasa

6. Fructoquinasa

7.

Aldolasa B

8. Triosa quinasa

9. Glucgeno fosforilasa

10.Fosfoglucomutasa

11.Glicerol quinasa

12.Glicerol-3-P desH

13.

Manosa fosfato isomerasa 13

D ti t bli d l i t t t b lit d l l li i


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Destinos metablicos del piruvato y otros metabolitos de la glucolisis

Las fermentaciones son procesos catablicos deoxidacin incompleta que no requieren oxgeno ypueden tener distintos objetivos metablicos, comoproducir energa o recuperar NAD+, siendo elproducto final un compuesto orgnico.

Destinoscatablicos

Destinos

anablicos

Gl li i bi f t i l ti


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El enzima responsable es la lactato deshidrogenasa, y consiste en unareduccin reversible del piruvato a L-lactato por NADH. La reaccin es tpicade glbulos rojos y de otras clulas que no tienen mitocondrias en las queobtener energa por la oxidacin completa del piruvato obtenido por glucolisis.

Acta como un circuito cerrado para la recuperacin del NAD+citoslico,para que pueda proseguir la glucolisis en condiciones anaerobias:

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi 2 lactato + 2 ATP + 2 H2O

Tambin tiene importancia en msculo esqueltico, cuando un ejerciciointensosobrepasa las capacidades de oxidacin aerobia del piruvato yregeneracin de NAD+. La acumulacin de cido lctico produce las agujetas.

Asimismo es propia de bacterias. Es importante en la fabricacin de queso.

Glucolisis anaerobia o fermentacin lctica


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En este caso, antes de la reduccin por NADH, hay un proceso previo dedescarboxilacindel piruvato a cargo de la piruvato descarboxilasa, para daracetaldehdo. ste ya es reducido por el NADH para dar etanol gracias a la

alcohol deshidrogenasa.Tambin es un proceso de recuperacin del NAD+citoslico para que puedaproseguir la glucolisis en condiciones anaerobias.

La ruta es tpica de levaduras como S. cerevisiae, usada industrialmente parala produccin de pan, vino, o cerveza. Tambin se da en algunas bacterias.

Sin embargo, no est presente en Vertebrados y otros organismos, que carecende piruvato descarboxilasa y solo realizan fermentacin lctica.

La alcohol deshidrogenasa s est presente en muchos organismos quemetabolizan etanol, como los humanos. En este caso, la reaccin se da hacia laproduccin de acetaldehdo, que es un cul de sac metablico y es txico (resaca).

Fermentacin alcohlica


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El ciclo de Cori

En condiciones de anaerobiosis total o parcial en tejidos perifricoscomo el msculo,la formacin de piruvato y NADH por glucolisis excede las capacidades de procesamientopor parte del ciclo de Krebs y la cadena respiratoria, acumulndose ambos.

Mediante la lactato deshidrogenasa, el piruvato se convierte en lactato, que sale a lasangre y llega al hgado. All hay altos niveles de NAD+, por lo que se reconvierte enpiruvato y luego en glucosa, que sale a la sangre, llega a los tejidosy es usada.

El balance neto es un intercambio de NADH de los tejidos por energa del hgado.En ste, el ATP para sintetizar glucosa proviene de la $-oxidacin de los cidos grasos,de forma que acta como un rgano auxiliar para la obtencin de energa en los tejidos.

Alta

[NADH]

Alta

[NAD+

]

R t d l t f f t


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Ruta de las pentosas fosfato

Versatilidad en funcin de los tejidos y lasnecesidades celulares:

- Obtencin de poder reductor para

biosntesisen forma de NADPH- Obtencin de nucletidospara DNA,RNA y coenzimas

-Interconversin de azcares de 3 a 7 C,con entrada en la glucolisis

Fase no oxidativa

Transcetolasa y

transaldolasa

G6P dH

6PG dH

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