Tema 9. El Catabolismo de los Glúcidos PDF

Joaquín Canchales Santos Bioquímica - Biofísica. 2023 - 2024 TEMA 9. EL CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS 1. Introducción El metabolismo de los glúcidos o carbohidratos es una de las principales rutas del metabolismo celular. Entre los azúcares utilizados como fuente de energía para la célula...

Joaquín Canchales Santos Bioquímica - Biofísica. 2023 - 2024 TEMA 9. EL CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS 1. Introducción El metabolismo de los glúcidos o carbohidratos es una de las principales rutas del metabolismo celular. Entre los azúcares utilizados como fuente de energía para la célula destaca uno principalmente, la glucosa, que es la base de muchos polisacáridos. 1. Las rutas relacionadas con el glucógeno, polisacárido de reserva energética a corto plazo en los animales. Es importante para mantener un correcto estatus energético en el organismo, especialmente en músculo e hígado. La glucogenólisis comprende las reacciones de degradación, mientras que la gluconeogénesis incluye las vías de síntesis a partir de la glucosa. 2. Las rutas relacionadas con los monosacáridos. Entre ellas, la principal ruta catabólica es la glucólisis, ruta de degradación de la glucosa que sirve para obtener energía de esta molécula y también de otros monosacáridos. La gluconeogénesis es la principal ruta anabólica que sintetiza glucosa a partir de intermediarios metabólicos. La ruta de las pentosas fosfato es la principal fuente de obtención de poder reductor en forma de NADPH, aunque también es de gran interés debido a que permite obtener una gran variedad de monosacáridos. 3. El piruvato desempeña un papel importante como vía de entrada en las rutas catabólicas de las fermentaciones láctica y alcohólica, y la descarboxilación oxidativa. También sirve como sustrato para sintetizar glucosa. 2. La glucólisis Aspectos generales de la degradación de la glucosa: Se denomina glucólisis a la ruta degradativa de la glucosa, la principal molécula energética del organismo. Es la forma más rápida de obtener energía y se puede considerar el proceso oxidativo de la glucosa (piruvato o ácido láctico). La ruta se estructura en 10 reacciones enzimáticas, las cuales tienen lugar en el citoplasma. La glucólisis se divide en dos fases: Fase preparativa: implica la transformación y escisión de la glucosa en dos triosas fosfato, el gliceraldehído 3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato, entre las cuales existe un equilibrio. Se produce un gasto energético de dos moléculas de ATP por molécula de glucosa. La finalidad de esta fase es activar y preparar las moléculas de glucosa para su procesamiento. 1 Joaquín Canchales Santos Bioquímica - Biofísica. 2023 - 2024 Fase de beneficios o de rendimiento energético: esta fase implica la transformación de la molécula de gliceraldehido-3-fosfato en piruvato, mediante una serie de reacciones que liberan energía. Se obtienen cuatro moléculas de ATP y dos de NADH +H+ por molécula de glucosa. Las 10 reacciones de la glucólisis: 1. Fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato: Está catalizada por la hexoquinasa, pero en el hígado también la puede realizar la glucoquinasa. - La glucosa entra en las células por medio de proteínas transportadoras específicas y, una vez en el interior de la célula, su principal destino es el de ser fosforilada por el ATP para formar glucosa 6-fosfato. Este paso es relevante por dos razones: ➔ La glucosa 6-fosfato no puede atravesar la membrana para salir al medio extracelular porque es un sustrato para los transportadores de glucosa ➔ La adición del grupo fosforilo facilita el metabolismo de la glucosa a compuestos fosforilados de tres átomos de carbono con un elevado potencial de transferencia de fosforilos. 2. Conversión de la glucosa-6-fosfato a frutosa-6-fosfato. Esta isomerización es crucial porque en las etapas siguientes de la glucólisis sólo se metabolizan moléculas de tres átomos de carbono. A diferencia de la fructosa-6- fosfato, la glucosa-6-fosfato no se escinde fácilmente en dos fragmentos de tres átomos de carbono. Es una reacción reversible catalizada por la fosfoglucosa isomerasa. 3. Fosforilación de la frutosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bisfosfato. Requiere el gasto de una segunda molécula de ATP. Está catalizada por la fosfofructoquinasa-1, que es la enzima reguladora clave de la glucólisis. 4. Escisión de la fructosa-1,6-bisfosfato en dos triosas fosfato. La dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehíddo-3- fosfato. Es una reacción catalizada por la aldolasa. 5. Interconversión de las triosas fosfato. Es un equilibrio catalizado por la enzima triosa fosfato isomerasa. Se encuentra desplazado hacia la formación de gliceraldehido-3-fosfato, puesto que es el compuesto que puede ser metabolizado en los siguientes pasos de la glucólisis, en la fase de beneficios. 6. Oxidación del gliceraldehido-3-fosfato a 1-3-bisfosfoglicerato. - En este paso se oxida el grupo aldehído hasta una forma ácido, lo cual permite obtener una molécula de NADH+H+ por triosa fosfato, a la vez que se aprovecha para fijar un grupo fosfato, que permitirá en la siguiente reacción obtener energía en forma de un ATP. - Esta reacción está catalizada por la enzima gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa. - Este paso se repetirá posteriormente con la molécula de dihidroxiacetona, que, por acción de la triosa fosfato isomerasa, se convertirá en una nueva molécula de gliceraldehido-3-fosfato. 7. Primera fosforilación a nivel de sustrato. En esta reacción se produce la síntesis de una molécula de ATP, gracias a la transferencia de un grupo fosfato desde el 1-3-bisfosfoglicerato hasta un ADP, liberando ATP y 3- fosfoglicerato. La enzima que cataliza es la fosfoglicerato quinasa. 8. Conversión del 3-fosfoglicerato a 2-fosfoblicerato. Por medio de la fosfoglicerato mutasa. 9. Deshidratación del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato. Esta reacción permite la creación de un enlace fosfato de alta energía, que será aprovechado en el siguiente paso para obtener energía en forma de un nucleótido trifosfato. Reacción catalizada por la enolasa. 10. Segunda fosforilación a nivel de sustrato. En esta reacción se produce la síntesis de una molécula de ATP, gracias a la transferencia de un grupo fosfato desde el fosfoenolpiruvato hasta un ADP, liberando ATP y piruvato, mediante la enzima piruvato quinasa. 2 Joaquín Canchales Santos Bioquímica - Biofísica. 2023 - 2024 Regulación de la glucólisis: La regulación tiene lugar en tres pasos importantes, correspondientes con los tres pasos irreversibles: La hexoquinasa puede ser inhibida por la glucosa-6-fosfato y por ATP. Esta regulación controla la cantidad de glucosa que será aprovechada por la célula. El hígado, además de la hexoquinasa, presenta la glucoquinasa, enzima que permite al hígado almacenar una mayor cantidad de glucosa. Esto permite ajustar el metabolismo y la función del hígado a la hora de mantener los niveles de glucemia y su papel de reservorio de glucosa. La fosfofructoquinasa-1 puede ser activada por AMP, ADP y por la fructosa-2,6-bifosfato, e inhibida por ATP, citrato o H+. La fructosa-2,6-bisfosfato se produce por la acción de la fosfofructoquinasa-2, una enzima controlada por la acción de la insulina y el glucagón, lo cual permite un control hormonal de la glucólisis. La insulina, una hormona que indica un alto nivel de glucosas en sangre, favorece la glucólisis, y el resultado es que disminuye los niveles de glucosa en sangre. El glucagón actúa de forma opuesta, inhibiendo la glucólisis. La piruvato quinasa puede ser activada por AMP y la fructosa-1,6-bifosfato, e inhibida por ATP, alanina y acetil-CoA. Regulación por modificación covalente: Fosforilación-desfosforilación controlado hormonalmente por el glucagón. Niveles de glucagón altos, en este caso se activa una proteína quinasa A que produce la fosforilación y la consiguiente inactivación de la piruvato quinasa. Entrada de otros monosacáridos en la glucólisis: Fructosa. Puede fosforilarse a fructosa-6-fosfato por acción de la hexoquinasa e incorporarse a la glucólisis. ❖ En el hígado - La fructosa entra en la ruta glucolítica mediante fosforilación, catalizada por la fructoquinasa. - La acción posterior de una aldolasa escinde la fructosa-1-fosfato en dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído. - El gliceraldehído se fosforila a continuación a gliceraldehido-3-fosfato, obteniéndose de esta forma las dos triosas fosfato que serán aprovechadas en la ruta glucolítica. - Errores en esta ruta alternativa de la glucosa provocan la intolerancia a la fructosa. 3 Joaquín Canchales Santos Bioquímica - Biofísica. 2023 - 2024 Manosa, que va a ser activada a través de la hexoquinasa mediante el gasto de 1 ATP, originando manosa 6-fosfato, que será isomerizada a fructosa-6-fosfato por la fosfomanosa isomerasa, entrando ya de esta forma en la ruta glucolítica. Galactosa. La ruta de entrada de la galactosa es algo más compleja, ya que este monosacárido se suele aprovechar para la formación de los oligosacáridos de los glucolípidos, que son de gran importancia en la formación de las membranas celulares, sobre todo de las células cerebrales. ❖ La galactosa se activa, pero esta vez a través de su unión a UDP, y, posteriormente se transforma en UDP-glucosa, que se convertirá en glucosa-6-fosfato y entrará en la glucolisis ❖ Las enzimas implicadas en esta ruta se relacionan con patologías conocidas como galactosemias. 3. Destinos del piruvato El piruvato es un metabolito intermediario que va a ser aprovechado por rutas metabólicas catabólicas y anabólicas, con la finalidad de aumentar la producción de energía o servir para la síntesis de moléculas, principalmente aminoácidos. Entre las rutas catabólicas destacan: La fermentación láctica y alcohólica La descarboxilación oxidativa del piruvato Las fermentaciones y el reciclaje de NADH + H+: Las fermentaciones se producen en el citoplasma, a partir del piruvato, y constituyen una serie de rutas metabólicas que permiten el reciclaje del NAD+ gastado en la formación de NADH + H+ en la ruta glucolítica. Son importantes a nivel bioquímico e industriales, aunque son oxidaciones incompletas (no terminan en la producción de CO2). En las células eucariotas, la regeneración del NAD+ se produce en la mitocondria gracias a la cadena transportadora de electrones, dependiente de un aceptor final de electrones, que en este caso es el oxígeno. En la célula procariota y en aquellas células eucariotas que carecen de mitocondrias o bien se encuentran en condiciones de reducidos niveles de oxígeno, la regeneración del NAD+ a través de las fermentaciones. En la fermentación láctica, el piruvato se reduce a lactato en presencia de NADH + H+ por acción de la lactato deshidrogenasa. Tiene lugar en muchos microorganismos y en las células animales y vegetales. Su importancia industrial radica en que se emplea en la elaboración de productos derivados de la leche, como yogur y queso. En la fermentación alcohólica se produce la descarboxilación oxidativa del piruvato por la piruvato deshidrogenasa, y su posterior reducción a etanol por la alcohol deshidrogenasa. Tiene lugar en levaduras y bacterias, y se emplea para elaborar bebidas alcohólicas y la fabricación de pan. 4