TEMA 11: Metabolismo de Glúcidos PDF

1.GLUCOSA Molécula de 6 carbonos muy importante en los organismos vivos La glucosa es un excelente combustible: Produce una buena cantidad de energía tras la oxidación Se puede almacenar eficientemente en forma polimérica Muchos organismos y tejidos pueden satisfacer sus n...

1.GLUCOSA Molécula de 6 carbonos muy importante en los organismos vivos La glucosa es un excelente combustible: Produce una buena cantidad de energía tras la oxidación Se puede almacenar eficientemente en forma polimérica Muchos organismos y tejidos pueden satisfacer sus necesidades energéticas solo con glucosa CUATRO VÍAS PRINCIPALES DE UTILIZACIÓN DE LA GLUCOSA Almacenamiento Se puede almacenar en forma polimérica (almidón, glucógeno) Cuando hay mucho exceso de energía Glucólisis Genera energía a través de la oxidación de la glucosa Necesidades energéticas a corto plazo Vía de las pentosas fosfato Genera NADPH a través de la oxidación de la glucosa Para la desintoxicación y la biosíntesis de lípidos y nucleótidos Síntesis de polisacáridos estructurales Por ejemplo, en las paredes celulares de las bacterias, hongos y plantas Destino de la glucosa en la célula depende de: cantidad de glucosa presente, condiciones en que se encuentra la célula y cantidad de energía (ATP) disponible. 1 La glucosa es un precursor bioquímico versátil: -Las bacterias pueden usar la glucosa para construir los esqueletos de carbono de: ▪ Todos los aminoácidos ▪ Lípidos de membrana ▪ Nucleótidos en el ADN y el ARN ▪ Cofactores necesarios para el metabolismo 2.GLUCÓLISIS 2.1. GENERALIDADES IMPORTANCIA -Secuencia de reacciones catalizadas por enzimas mediante las cuales la glucosa se convierte en piruvato -Parte de la energía libre de oxidación se captura mediante la síntesis de ATP y NADH ○ Producción de energía en forma de ATP y NADH. ○ Síntesis de precursores metabólicos. ○ Vía más primitiva de obtención de ATP (desarrollo antes de la fotosíntesis). Piruvato: El piruvato se puede oxidar aeróbicamente El piruvato se puede utilizar como precursor en la biosíntesis VISIÓN GENERAL -En la evolución de la vida, la glucólisis fue probablemente una de las primeras vías de producción de energía -Se desarrolló antes de la fotosíntesis, cuando la atmósfera aún era anaeróbica - Por lo tanto, la tarea de los organismos primitivos era: ¿Cómo extraer energía libre de la glucosa anaeróbicamente? La solución: Primero: ▪ Activarlo por fosforilación ▪ Segundo: Recolectar energía de los metabolitos de alta energía PARTES Diferentes reacciones divididas en 2 fases: ○ Fase preparatoria (de inversión, de gasto): -Formación de dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. - Gasto de dos moléculas de ATP. ○ Fase productiva (de beneficio, de ganancia): -Formación de dos moléculas de piruvato (a partir de 2 moléculas de gliceraldehido-3-fosfato oxidados) - Generación de 4 moléculas de ATP y 2 moléculas de NADH (a partir de 2 moléculas de NAD+ que se reducen). Rendimiento neto de las dos fases: 1 molécula de glucosa → 2 moléculas de piruvato, 2 moléculas de ATP y 2 moléculas de NADH. 2 PRIMERA FASE Dos gastos de ATP: en la primera reacción (fosforilación de la glucosa) y en la tercera. 1. Fosforilación de la glucosa: -Fosforilación para que la glucosa NO pueda salir de la célula. - Gasto de 1 ATP. - Altamente favorable termodinámicamente/irreversible Regulado principalmente por inhibición del sustrato → Regulación del flujo de la vía metabólica. -El Mg++ unido a ATP facilita este proceso al proteger las cargas negativas en el ATP -Catalizada por la hexoquinasa. o Regulación de la hexoquinasa IV según se necesite o NO en la célula por secuestro mediante una proteína reguladora: La proteína inhibidora de la hexoquinasa IV es una proteína de unión nuclear que atrae la hexoquinasa IV al núcleo cuando la concentración de fructosa 6-fosfato en el hígado es alta y la libera al citosol cuando la concentración de glucosa es alta. 3 Mucha glucosa →Hexoquinasa en el citosol para poder generar fructosa. Poca glucosa → Hexoquinasa al núcleo porque NO es gasto la glucosa. Isoenzima hexoquinasa I→ Con más afinidad para la glucosa, está en otros tejidos. Síntesis de glucosa-6-fosfato. Inmediatamente después de entrar en una célula, la hexocinasa (HK, hexokinase) fosforila la glucosa y otras moléculas de azúcar. La fosforilación (hexocinasa, que utiliza el ATP como donante de fosfato) impide el transporte de glucosa fuera de la célula el ATP complejizado con iones de magnesio (Mg2+ATP) es el cosustrato real en las reacciones catalizadas por cinasas. Los iones de magnesio cargados positivamente protegen las cargas negativas de fosfato, lo que facilita el ataque nucleófilo en el grupo terminal fosforilo del ATP. En condiciones intracelulares, la reacción catalizada por hexocinasa es irreversible con independencia de la concentración de glucosa-6-fosfato. (Por un mecanismo alostérico, su producto, la glucosa-6-fosfato, inhibe a la hexocinasa.) 2. Conversión de glucosa-6-fosfato a fructosa-6-fosfato. -Reacción de isomerización de aldosa (glucosa) a cetosa (fructosa) -Catálisis por la fosfohexosa isomerasa implica una isomerización aldosa-cetosa - Paso a fructosa para poder fosforilarla -Reversible; termodinámicamente desfavorable (positiva). La concentración del producto se mantiene baja para avanzar - Reacción desfavorable: avance de la reacción por mantenimiento de baja concentración de producto En la glucólisis, la glucosa-6-fosfato se convierte en fructosa-6-fosfato mediante la isomerasa de fosfohexosa, que implica una isomerización aldosa-cetosa. 3.Fosforilación de la fructosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bifosfato. -Etapa irreversible→Principal centro de control de la glucolisis -Activación adicional de la glucosa mediante el uso de la energía del ATP - Permite 1 fosfato/azúcar de 3 carbonos después del paso 4 -Catálisis por la enzima fosfofructocinasa (fosfofructocinasa 1) (PFK-1: enzima alostérica). 4 Está altamente regulada: o Por ATP, fructosa-2,6-bisfosfato y otros metabolitos o No queme glucosa si hay mucho ATP Fosforilación de la fructosa-6-fosfato. La fosfofructocinasa-1 cataliza la fosforilación de la fructosa-6-fosfato para formar fructosa-1,6-bifosfato. A diferencia de la glucosa-6-fosfato y la fructosa-6-fosfato, sustrato y producto respectivamente de la reacción anterior, la fructosa-1,6-bifosfato no puede ser desviada a otras vías. Es, por tanto, el primer paso comprometido en la glucólisis. La reacción catalizada por PFK-1 es irreversible en condiciones celulares. La PFK-1 es una enzima alostérica controlada por numerosos activadores e inhibidores. Como resultado, la PFK-1 es la enzima reguladora más importante en la glucólisis. 4. Escisión de la fructosa-1,6-bifosfato -Catálisis por una aldolasa -Formación de 2 triosas fosfato: dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y gliceraldehído-3-fosfato (GAP) -Los azúcares fosfatados de alta energía son azúcares de tres carbonos -La concentración de GAP se mantiene baja para impulsar la reacción Escisión de la fructosa-1,6-bifosfato. La etapa 1 de la glucólisis termina con la escisión de la fructosa-1,6-bifosfato en dos moléculas de tres carbonos: GAP y fosfato de dihidroxiacetona (DHAP, dihidroxiacetona phosphate). Esta reacción es una escisión aldólica, de ahí el nombre de la enzima: fructosa bifosfato aldolasa. En las escisiones aldólicas, los productos son un aldehído y una cetona. 5.Interconversión de las triosas fosfato -Para que las dos moléculas obtenidas NO sigan dos vías por separado. Permite que la glucólisis proceda por una vía -Catálisis por la triosa fosfato isomerasa -Conversión de DHAP a GAP. Solo GAP es el sustrato para la siguiente enzima - Final de la fase preparatoria -La célula ahora quiere sintetizar ATP, busca obtener moléculas que le den la energía necesaria (síntesis de ATP a nivel de sustrato por moléculas con potencial de transferencia más alto). 5 -La concentración de GAP termodinámicamente desfavorable/reversible (valor positivo) ▪ se mantiene baja para impulsar la reacción hacia adelante Interconversión del gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato. De los dos productos de la reacción de la aldolasa, sólo el GAP sirve como sustrato para la siguiente reacción en la glucólisis. Para evitar la pérdida de la otra unidad de tres carbonos de la vía glucolítica, la triosa fosfato isomerasa cataliza la conversión reversible de DHAP a GAP SEGUNDA FASE Partimos de 2 moléculas de GAP → 2 piruvatos Formación de 4 ATP, pero el balance neto son 2 ATP 6.Oxidación del GAP a 1,3-bifosfoglicerato - Generación de un compuesto de fosfato de alta energía (1,3-bifosfoglicerato) que permitirá la producción limpia de ATP. -Uso de fosfato inorgánico (Pi), NO ATP. -Gasto de NAD+ (reducción a NADH). - Reacción desfavorable y reversible (acoplada a la siguiente reacción para poder avanzar). -Primer paso energético en la glucólisis Oxidación del gliceraldehído-3-fosfato. Durante la reacción 6 de glucólisis, el GAP sufre oxidación y fosforilación. El producto, el glicerato-1,3-bifosfato, contiene un enlace fosfoanhídrido de alta energía, que se utiliza en la siguiente reacción para generar ATP. Este complejo proceso es catalizado por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase) 7.Tranferencia del grupo fosforilo -Fosforilación a nivel de sustrato para la generación de ATP. -Como el 1,3-bifosfoglicerato es un compuesto de alta energía da el grupo fosfato a ADP para formar ATP. - Altamente favorable termodinámicamente/reversible: Es reversible debido al acoplamiento a la reacción GAPDH 6 Transferencia del grupo fosforilo. En esta reacción, el ATP se sintetiza a medida que la fosfoglicerato cinasa cataliza la transferencia del grupo fosforilo de alta energía del glicerato-1,3-bifosfato al ADP. La reacción 7 es un ejemplo de una fosforilación en el nivel del sustrato. Como la síntesis de ATP es endergónica, requiere una fuente de energía. En las fosforilaciones en el nivel del sustrato, el ATP se produce mediante la transferencia de un grupo fosforilo desde un sustrato con un alto potencial de transferencia de fosforilo (en este ejemplo, glicerato-1,3-difosfoglicerato) 8.Conversión de 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato -Ser capaz de formar un compuesto de fosfato de alta energía -Las mutasas catalizan la migración (aparente) de los grupos funcionales - Termodinámicamente desfavorable/reversible. La concentración de reactivos se mantiene alta por PGK para avanzar *Síntesis de 2,3-BPG cuando la célula lo necesita Interconversión de glicerato-3-fosfato y glicerato-2-fosfato. El glicerato-3-fosfato tiene un bajo potencial de transferencia de grupos fosforilo. Como tal, es un candidato pobre para una mayor síntesis de ATP (ΔG°′ para la síntesis de ATP es –30.5 kJ/mol). Las células convierten el glicerato-3-fosfato con su éster de fosfato, pobre en energía, en fosfoenolpiruvato, que tiene un potencial de transferencia de grupos fosforilo excepcionalmente alto. (Las energías libres estándar de hidrólisis de glicerato-3-fosfato y PEP son –12.6 y –61.9 kJ/mol, respectivamente). En el primer paso en esta conversión (reacción 8), la fosfoglicerato mutasa (una enzima que requiere Mg2+) cataliza la conversión de un compuesto fosforilado en C-3 en un compuesto fosforilado en C-2, a través de un ciclo de adición/eliminación de dos etapas. *Este paso en la glucólisis permite la síntesis de 2,3-BPG, (Glicerato-2,3-bifosfato) un regulador de la unión de oxígeno a la Hb 9.Deshidratación del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato - Generación de un compuesto de fosfato de alta energía (porque 2-fosfoglicerato NO es un buen donador de grupo fosfato). Dos cargas negativas en 2-PG están bastante cerca Pero la pérdida de fosfato de 2-PG daría un alcohol secundario sin mayor estabilización 7 -Catálisis por la enolosa. - Ligeramente termodinámicamente desfavorable/reversible La concentración del producto se mantiene baja para tirar hacia adelante Deshidratación del glicerato-2-fosfato La enolasa es una liasa que cataliza la deshidratación del glicerato-2-fosfato para formar PEP: 10.Síntesis de piruvato -Transferencia del grupo fosforil desde el fosfoenolpiruvato a ADP. -Síntesis de ATP a nivel de sustrato. -Producción neta de 2 ATP por glucosa. - Catálisis por piruvato quinasa. La piruvato quinasa requiere K+ y metales divalentes (Mg++ o Mn++) para su actividad - La reacción Altamente favorable termodinámicamente/irreversible REGULACIÓN DE LA PIRUVATO QUINASA: Regulado por ATP, metales divalentes y otros metabolitos Síntesis del piruvato. En la reacción final de la glucólisis, la piruvato cinasa (PK, pyruvate kinase) cataliza la transferencia de un grupo fosforilo de PEP a ADP. Se forman dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. RESUMEN En total, hay 10 reacciones en la vía glucolítica. a) En la etapa 1, las reacciones 1 a 5 convierten la glucosa en gliceraldehído-3-fosfato. Se consumen dos ATP en la etapa 1 por cada molécula de glucosa. b) En la etapa 2, las reacciones 6 a 10 convierten el gliceraldehído-3-fosfato en piruvato. Además del piruvato, las reacciones de la etapa 2 también producen 4 ATP y 2 NADH por molécula de glucosa. 8 *Enzimas reguladoras: hexoquinasa, PFK-1 y piruvato quinasa BALANCE ATP Primera fase: Despesa de 2 ATP. Segunda fase: Síntesis de 4 ATP (2 ATP por cada GDP). Ganancia neta de 2 ATP. Gasto de NAD* (si no se recupera no se podrá volver a hacer glucólisis). 9  Balance de la transformación de glucosa a piruvato (suma de las diferentes reacciones) es exergónico. Balance de la formación de ATP es endergónico. Balance global de la glucólisis: suma de las dos variaciones de energía libre estándar = -85 kJ/mol. Energía que normalmente da una molécula de glucosa es mucho mayor → glucólisis solo da una pequeña parte (5,2%). Entonces, en la glucólisis: ○ Formación de 2 piruvatos con diferentes destinos. ○ 2 ATP liberados utilizados para procesos que requieren energía dentro de la célula. ○ 2 NADH formados son reoxidados a NAD+ para que la glucólisis pueda continuar. 3.DESTINOS CATABÓLICOS DEL PIRUVATO FORMADO EN LA GLUCÓLISIS Tres destinos dependiendo de las condiciones: Condiciones aeróbicas: ciclo de Krebs. ○ Oxidación completa de la glucosa (piruvato → CO2 + H2O). ○ Producción máxima de ATP. Condiciones anaeróbicas: ○ Fermentación láctica: Durante un ejercicio muy intenso. ○ Fermentación alcohólica: Por la levadura. 3.1. FERMENTACIÓN Generación de energía (ATP) sin consumir oxígeno ni NAD+ Reducción de piruvato a otro producto Objetivo: Regenera NAD+ para llevarlo a la glucólisis en condiciones anaeróbicas El proceso se utiliza en la producción de alimentos, desde cerveza hasta yogur y salsa de soja I. FERMENTACIÓN LÁCTICA Reacción global: 2 piruvatos + 2 NADH + 2 ácidos lácticos + 2 NAD+. Reversible, pero muy desplazada hacia la formación de ácido láctico. -Catálisis por la lactato deshidrogenasa (LDH). -Acumulación de ácido láctico produce cansamiento→ Ningún proceso de recuperación -Reversible (isoenzimas) - Durante el ejercicio extenuante, el lactato se acumula en el músculo. Generalmente, menos de 1 minuto - La acidificación del músculo impide su trabajo extenuante continuo - El lactato puede ser transportado al hígado y convertido en glucosa allí 10 - Requiere un tiempo de recuperación: ▪ Gran cantidad de consumo de oxígeno para alimentar la gluconeogénesis ▪ Restaura las reservas de glucógeno muscular - Ciclo de Cori: Transformación del lactato acumulado a glucosa en el hígado. -Cooperación metabólica entre el músculo esquelético y el hígado o Los músculos extremadamente activos utilizan el glucógeno como fuente de energía, generando lactato a través de la glucólisis. o Durante la recuperación, parte de este lactato se transporta al hígado y se convierte en glucosa a través de la gluconeogénesis. o Esta glucosa se libera a la sangre y regresa a los músculos para reponer sus reservas de glucógeno. o La vía general (glucosa → lactato → glucosa) constituye el ciclo de Cori. Ciclo de Cori. Durante el ejercicio, el glucógeno muscular actúa como una fuente de glucosa 6-fosfato para la vía del ácido láctico (pasos 1 a 3). La sangre transporta este ácido láctico (paso 4) hacia el hígado, donde se convierte de vuelta en glucosa 6-fosfato (pasos 5 y 6). A continuación, esta se convierte en glucosa libre (paso 7), que puede transportarse por la sangre (paso 8) de regreso hacia los músculos estriados. Durante el reposo, esta glucosa puede usarse para restituir el glucógeno muscular (paso 9). II. FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA Reducción del piruvato a etanol (y CO2) en dos pasos. -Reacciones: o Piruvato → Acetaldehído + CO2 (reacción irreversible y catálisis por la piruvato descarboxilasa). o Acetaldehído + NADH →Etanol + NAD* (catalizador por alcohol deshidrogenasa). Humanos NO tenemos la piruvato descarboxilasa, pero sí alcohol deshidrogenasa. - Cofactores de las enzimas de las dos reacciones: o Piruvato descarboxilasa: Mg2+ y TPP (tiamina pirofosfato) (transporta el grupo aldehído). o Alcohol deshidrogenasa: Zn2+ i NAD+. - CO2producido en el primer paso y usado para carbonatar la cerveza e inflar la masa del pan. Aportación exterior de glucosa → Cuando falta glucosa en la célula para entrar en glucólisis. Obtención de macromoléculas (glucógeno y almidón) e hidrólisis de disacáridos (lactosa y sacarosa). 11 3.2. GLUCÓLISIS Las moléculas de glucosa son escindidas del glucógeno y el almidón por la glucógeno fosforilasa ✓ Producción de glucosa-1-fosfato Los disacáridos se hidrolizan ✓ Lactosa: glucosa y galactosa ✓ Sacarosa: glucosa y fructosa ✓ La fructosa, la galactosa y la manosa entran en glucólisis en diferentes puntos 4.GLUCONEOGÉNESIS Síntesis de glucosa de novo a partir del piruvato (u otros precursores no-glucídicos) cuando falta glucosa en la célula (se agotan las reservas de glucógeno). Vía inversa en la glucólisis 4.1. SÍNTESIS DE GLÚCIDOS A PARTIR DE PRECURSORES SIMPLES Gluconeogénesis tiene lugar en todos los organismos (animales, plantas, hongos, microorganismos). Producción de glucosa en animales: -A partir de azúcares (piruvato, lactato u oxalacetato) o proteínas (AA convertidos a intermediarios del ciclo de Krebs). - NO a partir de ácidos grasos: degradación de los ácidos grasos produce acetil-CoA → NO se puede convertir acetil- CoA en oxalactato (plantas y muchas bacterias sí pueden). 4.2. GLUCÓLISIS VS GLUCONEOGÉNESIS Localización (ambas en el citosol de la célula): -Glucolisis: En musculo y cerebro. -Gluconeogénesis: En el hígado. Son vías opuestas, ambas favorables termodinámicamente; operan en direcciones opuestas: producto final de una es el componente inicial de la otra La célula decide qué vía actúa según sus necesidades (actuación sobre las vías irreversible) Vías reversibles: ocurren en ambas vías y son realizadas por las mismas enzimas Vías irreversibles: o Termodinámente favorables y reguladas. o Diferentes enzimas según glucólisis o gluconeogénesis. Regulado diferencialmente para evitar un ciclo inútil o Puntos de control sobre los que actúa la célula. 4.3. PASO DE PIRUVATO A FOSFOENOLPIRUVATO (PEP) Dos reacciones que consumen energía (gasto de 2 equivalentes de ATP). 1. Piruvato a oxalactato (por la piruvato carboxilasa) - Carboxilación de piruvato (adición de CO2 a un piruvato). -Cofactor: Biotina (transportador de CO2). -Gasto de 2 ATP. -Al mitocondria (requerimiento de transporte del piruvato hasta el mitocondria). 2. Oxalacetato a PEP (para PEP carboxiquinasa). -Fosforilación con GTP y descarboxilación. - Incorporación de CO2 y eliminación de esta forma de activación de la molécula. -Segundo paso al mitocondria o al citosol según la disponibilidad de NADH: o Al citosol: cuando necesita NADH al citosol 12 -Transformación oxalacetato a malato (mb mitocondrial NO tiene transportador para el oxalacetato y se ha de convertir a malato) -Malato sale de la mitocondria y se reduce NAD+ a NADH (le da 2e) -Después se vuelve a convertir en oxalacetato hasta PEP o A la mitocondria: Cuando no se necesita NADH en el citosol. Cuando se ha obtenido el piruvato por fermentación ya hay bastante NADH en el citosol. Paso de piruvato a PEP al mitocondria, sin gastar electrones ni transformarse a malato. Caminos alternativos del piruvato a la PEP. - No hay transportador de oxalacetato en la membrana mitocondrial interna - La importancia relativa depende de la disponibilidad de lactato o piruvato y de los requerimientos citosólicos de NADH para la gluconeogénesis. - El camino de la derecha predomina cuando el lactato es el precursor, porque el NADH citosólico se genera en la reacción de la lactato deshidrogenasa y no tiene que ser transportado fuera de la mitocondria La gluconeogénesis, la formación de nuevas moléculas de glucosa a partir de precursores que no son carbohidratos, ocurre principalmente en el hígado y, en menor medida, en las células de la corteza renal y los enterocitos intestinales. Las moléculas precursoras incluyen lactato, piruvato, glicerol y ciertos cetoácidos α (moléculas derivadas de aminoácidos α). Entre las comidas, la hidrólisis del glucógeno mantiene niveles adecuados de glucosa en sangre. Cuando el glucógeno del cuerpo se agota (p. ej., debido al ayuno prolongado o al ejercicio vigoroso), la vía de la gluconeogénesis proporciona al cuerpo la glucosa adecuada. El cerebro y los eritrocitos dependen exclusivamente de la glucosa como fuente de energía La secuencia de reacción en la gluconeogénesis es, en gran medida, la inversa de la glucólisis 1. Síntesis de PEP. La síntesis de PEP a partir de piruvato requiere dos enzimas: piruvato carboxilasa y PEP carboxilasa. La piruvato carboxilasa, que se encuentra dentro de las mitocondrias, convierte el piruvato en oxalacetato (OAA): 13 El OAA luego es descarboxilado y fosforilado por la carboxicinasa PEP, en una reacción impulsada por la hidrólisis del GTP: La PEP carboxicinasa se encuentra dentro de las mitocondrias de algunas especies y en el citoplasma de otras. En los humanos, esta actividad enzimática se encuentra en ambos compartimentos. Como la membrana mitocondrial interna es impermeable al OAA, las células que carecen de PEP carboxicinasa mitocondrial transfieren el OAA al citoplasma utilizando la lanzadera del malato. En este proceso, la OAA se convierte en malato por la malato mitocondrial deshidrogenasa. Después del transporte de malato a través de la membrana mitocondrial, la reacción inversa (para formar OAA y NADH) es catalizada por la malato citoplasmática deshidrogenasa. La lanzadera de malato permite que continúe la gluconeogénesis, porque proporciona la NADH requerida para la reacción catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa 2. Conversión de fructosa-1,6-bifosfato en fructosa-6-fosfato. La reacción irreversible catalizada por la PFK-1 en la glucólisis es desviada por la fructosa-1,6- bifosfatasa. Esta reacción exergónica (ΔG°′ = –16.7 kJ/mol) también es irreversible en condiciones celulares. El ATP no se regenera y también se produce fosfato inorgánico (Pi). 3. Formación de glucosa a partir de la glucosa-6-fosfato. La glucosa-6-fosfatasa, que se encuentra sólo en los hepatocitos del hígado, las células de la corteza renal y los enterocitos intestinales, cataliza la hidrólisis irreversible de la glucosa-6-fosfato para formar glucosa y Pi. La glucosa se libera posteriormente en la sangre. 14 En la gluconeogénesis, que ocurre cuando la glucemia es baja y el glucógeno hepático se agota, siete de las 10 reacciones de glucólisis se revierten. Tres reacciones glucolíticas irreversibles se evitan mediante reacciones alternativas. Los principales sustratos para la gluconeogénesis son ciertos aminoácidos (derivados del músculo), lactato (formado en los músculos y eritrocitos) y glicerol (producido por la degradación de los triacilgliceroles). A diferencia de las reacciones de glucólisis, que ocurren sólo en el citoplasma, las reacciones de gluconeogénesis catalizadas por piruvato carboxilasa —y en algunas especies, por la PEP carboxicinasa— ocurren dentro de las mitocondrias. La reacción catalizada por la glucosa-6-fosfatasa tiene lugar dentro del retículo endoplásmico liso. La gluconeogénesis y la glucólisis no ocurren simultáneamente de manera apreciable. BALANCE GLOBAL 2 Piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+ + 4 H2O → Glucosa + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD+ Cuesta 4 ATP, 2 GTP y 2 NADH - Fisiológicamente necesario - El cerebro, el sistema nervioso y los glóbulos rojos generan ATP SOLO de glucosa -Cuando las reservas de glucógeno se agotan, necesitamos obtener glucosa de algún lugar Durante la inanición o el ejercicio vigoroso 5.VÍA DE LAS PENTOSAS -Vía anabólica. -Oxidación de la G6P y obtención de NADPH (poder reductor) y ribosa 5-fosfato. 15 - NADPH (donador de e): o Uso en la biosíntesis de ácidos grasos y esteroides. o Para evitar/neutralizar los efectos peligrosos de los radicales libres producidos por el oxidación del oxígeno. - Ribosa 5-fosfato: uso en la síntesis de DNA, RNA y algunas coenzimas. *Hay enzimas específicas para NAD+ y enzimas específicas para NADP+ + NAD+ Y NADP+ no son metabólicamente intercambiables. La vía de la pentosa fosfato es una vía metabólica alternativa para la oxidación de la glucosa donde no se genera ATP. Sus productos principales son NADPH, un agente reductor requerido en varios procesos anabólicos, y ribosa-5- fosfato, un componente estructural de nucleótidos y ácidos nucleicos. La vía de la pentosa fosfato ocurre en el citoplasma en dos fases: oxidativa y no oxidativa I.FAE OXIDATIVA Oxidación de la G6P y formación de NADPH. Regulación de la vía por NADPH: ○ Elevada concentración de NADPH y poco uso → Inhibe la primera enzima de la vía de las pentosas fosfato → G6P va hacia la glucólisis. Cuando el NADPH se forma más rápido de lo que se utiliza para la biosíntesis y la reducción del glutatión, el [NADPH] aumenta e inhibe la primera enzima en la vía de las pentosas fosfato. Como resultado, hay más glucosa 6-fosfato disponible para la glucólisis. ○ Necesidad de NADPH → G6P va hacia la vía de las pentosas fosfato. a) Fase oxidativa. El NADPH es un producto importante de estas reacciones. Estas reacciones suministran una cantidad sustancial del NADPH que se requiere para procesos reductores Oxida glucosa-6-fosfato para dar lugar a ribulosa 5-fosfato y NADPH II.FASE NO OXIDATIVA Regeneración de G6P a partir de ribulosa 5-fosfato. Se utiliza en tejidos que requieren más NADPH que R-5-P ✓ Como el hígado y el tejido adiposo Reacciones de interconversión reversibles entre diferentes azúcares → G6P para la glucólisis Fase no oxidativa. La fase no oxidativa es la fuente de ribosa-5-fosfato, el componente de azúcar de los nucleótidos. Cuando las células requieren más NADPH que fosfatos de pentosa, las enzimas en la fase no oxidativa convierten la ribulosa-5-fosfato en los intermediarios glucolíticos fructosa-6-fosfato y gliceraldehído-3-fosfato. Cuando no se requieren NADPH ni azúcares de pentosa para las reacciones de biosíntesis, los metabolitos en la porción no oxidativa de la vía se convierten en intermediarios glucolíticos, que luego se pueden degradar para generar energía, o convertirse en moléculas precursoras para procesos de biosíntesis 16 6.GLUCOGENO 6.1. DEGRADACIÓN DE GLUCÓGENO: GLUCOGENOLISIS Glucógeno: Polímero de glucosas usado como fuente de reserva de energía almacenada principalmente en el hígado y en el músculo. Despolimerización del glucógeno en caso de necesidad de energía. En cada gránulo de glucógeno 30-50 mil moléculas de glucosa y 2000 ramificaciones. Al estar en polímero baja la concentración de 0,4M a 0,01 µM LOS RESIDUOS DE GLUCOSA SON ELIMINADOS DEL GLUCÓGENO POR LA GLUCÓGENO FOSFORILASA Este proceso es repetitivo; la enzima elimina los residuos sucesivos de glucosa hasta que alcanza la cuarta unidad de glucosa desde un punto de ramificación 1. Glucógeno fosforilasa → Obtención de glucosa 1-fosfato. Rotura de enlaces entre moléculas de glucosa a partir del extremo NO reductor. Eliminación de glucosas hasta que queden 4 moléculas para llegar al punto de la ramificación. 2. Enzima desramificadora. Actividad transferasa: Desplaza un fragmento de 3 glucosas (de las 4 que quedan para acabar la ramificación) hasta un extremo NO reductor de una rama cercana. Actividad glucosidasa: Eliminación de la única molécula de glucosa que queda. 3. Fosfoglucomutasa: Paso de G1P a G6P. En el músculo: G6P puede entrar en la glucólisis. En el hígado: G6P se debe desfosforilar para que pueda ir a otros tejidos. Hidrólisis de G6P en el hígado: Glucosa fosfatasa hidroliza (lleva el fosfato) de la G6P al RER. Liberación de glucosa fuera de la célula por el transportador GLUT-2. Control de la glucogenólisis: Vía de señalización por glucagón y adrenalina → inicio de cascada de fosforilación vía AMPc → Activación (por fosforilación) de la glucógeno fosforilasa. *Glucagón y adrenalina sirven para la liberación de glucosa. 1. Eliminación de la glucosa de los extremos no reductores del glucógeno. La glucógeno fosforilasa usa Pi para escindir los enlaces α (1,4) en las ramificaciones externas de glucógeno para producir glucosa-1-fosfato. La glucógeno fosforilasa se detiene cuando se encuentra dentro de cuatro residuos de glucosa de un punto de ramificación límite). 2.Hidrólisis de los enlaces α (1,6) glucosídicos en los puntos de ramificación del glucógeno. La amilo-α (1,6)- glucosidasa, también llamada enzima de desramificación, comienza a eliminar los puntos de ramificación α (1,6) transfiriendo tres de los cuatro residuos exteriores de glucosa, unidos al punto de ramificación, a un extremo cercano no reductor. Después elimina el residuo simple de glucosa unido a cada punto de ramificación. El producto de esta última reacción es glucosa libre. Degradación del glucógeno: resumen. La glucógeno fosforilasa escinde los enlaces α (1,4) del glucógeno para producir glucosa-1-fosfato, hasta que se encuentra dentro de cuatro residuos de glucosa de un punto de ramificación. La enzima de desramificación transfiere tres de estos residuos a un extremo no reductor cercano, y libera el cuarto residuo como glucosa libre. Las acciones repetidas de ambas enzimas pueden conducir a la degradación completa del glucógeno. 17 6.2. SÍNTESIS DE GLUCÓGENO Cuando hay un exceso de glucosa → Almacenamiento en forma de glucógeno. La glucogenina cataliza dos reacciones distintas. El ataque inicial del grupo hidroxilo de Tyr194 sobre C-1 de la fracción glucosilada de UDP-glucosa da lugar a un residuo de Tyr glucosilado. La C-1 de otra molécula de glucosa UDP es ahora atacada por el grupo hidroxilo C4 de la glucosa terminal, y esta secuencia se repite para formar una molécula de glucógeno naciente de ocho residuos de glucosa unidos porenlaces glucosídicos (1 4). 1. Activación de la molécula de glucosa para que entre en la cadena de síntesis: glucosa fosforilada + UTP → UDP-glucosa (+PP). 2. Elongación de una cadena de glucógeno gracias a la glucógeno sintasa: Transferencia de un residuo de glucosa de la UDP-glucosa a un extremo no reductor de una ramificación de glucógeno preexistente. NO inicia la síntesis de glucógeno desde el principio → Requerimiento de cebo (formado por la glucogenina). Formación de un enlace α 1→4. 3. Enzima Amilo-(1→4 a 1→6)-transglicosilasa (enzima ramificante) forma ramificaciones α 1→6: Talla fragmento de la cadena con enlaces α 1→4 y lo lleva al punto de ramificación α 1→6. 18 Preformación de nuevas moléculas de glucógeno: Catálisis por la glucogenina. Por reacción de unión de las primeras unidades de glucosa para formar el encebador mínimo necesario para el reconocimiento de la glucógeno sintasa. Glucogenina se une a la primera molécula de glucosa y cataliza la unión de los primeros 7 enlaces α (1 → 4). Control de la síntesis del glucógeno: Control hormonal por insulina → Activación de la glucógeno sintasa. Funciones de la insulina: Aumento de la aportación de glucosa al músculo, estimulación de la actividad de la hexoquinasa y activación de la glucógeno sintasa. Cuando hay un exceso, la glucosa sale con las glut 1 hacia el músculo (célula) y se fosforila para que no vuelva a salir. Y se formara glucógeno o se va a la glucólisis. Pasos: -Glucogen sintasa: o Forma activa: Desfosforilada. o Forma inactiva: Fosforilada. o Activación o inactivación según si se quiere almacenar glucosa o no. o La insulina el que fa es actuar de manera que se activa la glucogenosintasa. - Efectos de la insulina: o Inhibición de la enzima que fosforila la glucógeno sintasa. o Activación de la enzima que la desfosforila (fosfatasa). o Almacenamiento de glucosa en forma de glucógeno. -Otros mecanismos de control: o Inhibición de la fosfatasa de la glucógeno sintasa por glucagón y epinefrina. o Activación de la fosfatasa de la glucógeno sintasa por G6P y glucosa. o La fosfatasa lo que hace es degradar el glucógeno. Por lo tanto, el glucagón lo activa y la insulina la desactiva. o La fosfatasa está activa si esta fosforilada e inactiva si esta desfosforilada. o El aumento de la actividad de la hexoquinasa permite la activación de la glucosa o La glucógeno sintasa produce glucógeno para el almacenamiento de energía 1. Síntesis de glucosa-1-fosfato. La glucosa-6-fosfato se convierte reversiblemente en glucosa-1-fosfato por la fosfoglucomutasa, una enzima que contiene un grupo fosforilo unido a un residuo de serina reactivo. El grupo 19 fosforilo de la enzima se transfiere a la glucosa-6-fosfato, formando glucosa-1,6-bifosfato. A medida que se forma la glucosa-1-fosfato, el grupo fosforilo unido a C-6 se transfiere al residuo de serina de la enzima. 2. Síntesis de UDP-glucosa. La formación de enlaces glucosídicos es un proceso endergónico. La formación de UDP- glucosa, cuyo valor ΔG°′ es cercano a cero, es una reacción reversible catalizada por la pirofosforilasa UDP-glucosa: 3. Síntesis de glucógeno a partir de la UDP-glucosa. La formación de glucógeno a partir de UDP-glucosa requiere dos enzimas: a) glucógeno sintasa (GS), que cataliza la transferencia del grupo glucosilo de la UDP-glucosa a los extremos no reductores de glucógeno b) amilo-α (1,4 → 1,6)-glucosil transferasa (enzima de ramificación), que crea los enlaces α (1,6) para las ramificaciones en la molécula a síntesis de glucógeno requiere de un oligosacárido preexistente. El primer residuo de glucosilo está unido a la Tir- 194 en una proteína cebadora, llamada glucogenina por su actividad de glucosiltransferasa autocatalítica. Una vez que el oligosacárido de cadena consiste en aproximadamente residuos de glucosilo12α (1,4)-ligados, el polímero glucógeno se extiende entonces por la glucógeno sintasa y la enzima de ramificación. Síntesis del glucógeno. a) La enzima glucógeno sintasa rompe el enlace éster de la UDP-glucosa y forma un enlace glucosídico α (1,4) entre la glucosa y la cadena de glucógeno en crecimiento. b) La enzima de ramificación es responsable de la síntesis de enlaces α (1,6) en el glucógeno. Transfiere unidades de glucosilo con enlaces α-(1,4) desde el extremo de una cadena de glucógeno a una posición α-(1,6) en la misma cadena de glucógeno, o en una cercana. 20 ENZIMAS CLAVE EN LA GLUCÓLISIS REGULACIÓN DE LA FOSFOFRUCTOKINASA-1 -Cataliza el paso de compromiso en la glucólisis - Si bien el ATP es un sustrato, el ATP también es un efector negativo: No gaste glucosa en glucólisis si hay mucho ATP PFK-1: Catálisis de un centro de control importante de la glucólisis (segunda reacción irreversible). Regulación de la actividad por control alostérico con ATP. ATP: Sustrato e inhibidor a la vez → Concentración de ATP en la célula decide si debe ir al centro regulador (inhibidor) o activo. ○Concentración elevada → Centro regulador. ○Concentración baja → Centro catalítico. Otros reguladores: ○AMP y ADP → Activación de la enzima (a partir de ellas se sintetiza ATP → su presencia indica ausencia de ATP ○Citrato → Inhibición. ○Fructosa 2,6-bifosfato → Activación: -NO es ni intermediario ni forma parte de la cadena. SOLO REGULARORA Producido específicamente para regular la glucólisis y la gluconeogénesis, activa la fosfofructoquinasa (glucólisis), inhibe la fructosa 1,6-bisfosfatasa (gluconeogénesis) Regulación de PK-1 y fructosa 1,6-bifosfato: Activación de glucólisis o gluconeogénesis según concentración de ATP y AMP. ○Alto AMP y poco ATP → Glucólisis. ○ Poco AMP → gluconeogénesis Alta concentración de PFK-1 y baja de FBPasa: activa glucólisis e inhibe gluconeogénesis Baja concentración de PFK-1 y alta de FBPasa: inhibe glucólisis y activa gluconeogénesis REGULACIÓ DE LA FRUCTOSA 2,6-BIFOSFAT (SEGON BYPASS) F2,6-BP sintetizada en el hígado por una enzima bifuncional (PFK-2 y FBPasa-2) a partir de la F6P. NO intermediario de la glucólisis → Solo regulador de la glucólisis y la gluconeogénesis. ○Activación de la PFK-1 → Activación glucólisis. ○Inhibición de la FBPasa-1 → Inhibición gluconeogénesis. Regulación de los niveles de F2,6-BP por control de la actividad de la enzima bifuncional: ○Enzima fosforilado: FBPasa-2 → Baja concentración de F2,6-BP. ○Enzima desfosforilado: PFK-2 → Alta concentración de F2,6-BP. 21 Control por glucagón e insulina: ○Insulina: Actúa cuando hay mucha glucosa → Activa transformación en PFK-2. (desfosforilación) → Aumento de F2,6- BP → Activación de PFK-1 → activación glucólisis (degradación de glucosa). ○Glucagón: Actúa cuando hay poca glucosa → Activa transformación en FBPasa-2 (fosforilación) → Disminución de F2,6-BP → Inhibición de PFK-1 → activación gluconeogénesis (formación de glucosa). REGULACIÓN DE LA PIRUVATO KINASA Piruvato quinasa: Paso de PEP tiene piruvato. Regulación en todos los tejidos glucolíticos (incluso el hígado): Activación de piruvato kinasa por: F1,6-BP. Inhibición de piruvato kinasa por: acetil-CoA, cadenas largas de ácidos grasos (entran para dar energía, ya no hace falta más) y alanina producto obtenido a partir de la transaminación del piruvato). Regulación en el hígado: Control añadido. Hay otra forma de la piruvato kinasa → Piruvato kinasa del hígado. Control de la piruvato kinasa del hígado por control hormonal: Glucagón ○Glucagón → Activación PKA → Paso de piruvato kinasa del músculo a piruvato kinasa del hígado (por fosforilación). ○Piruvato kinasa del hígado es inactiva → NO se da el paso a piruvato. ○Cuán se requiere piruvato → Intervención de la fosfatasa → Paso a piruvato kinasa del músculo (forma activa). 7.DOS ALTERNATIVAS PARA PIRUVATO Piruvato puede ser: Fuente de nueva glucosa (por gluconeogénesis) para almacenarla en forma de glucógeno o generar NADPH por la vía de las pentosas fosfato. 22 Fuente de acetil-CoA para almacenar energía en forma de lípidos o generar ATP por la vía del ácido cítrico. Exceso de acetil-CoA estimula la síntesis de glucosa por activación de la piruvato carboxilasa. 8.CONTROL DEL METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS EN EL HÍGADO Y MÚSCULO HÍGADO Sirve más para transportar glucosa que para consumirla. ↑ Glucogenólisis: Degradación de glucógeno a G6P y paso a sangre hacia otros tejidos (NO en forma de G6P, porque NO puede salir de la célula). ↓ Glucólisis: Sólo si en célula lo requiere. ↑ Gluconeogénesis: Formación de G6P a partir de piruvato (NO formación de piruvato). MÚSCULO Quiere obtener energía necesaria, obtener glucosa. ↑ Glucogenólisis: degradación de glucógeno a G6P para pasar a piruvato y obtener energía. ↑ Glucólisis: paso de G6P a piruvato para obtener energía. NO Gluconeogénesis. Control hormonal por: Adrenalina: Tanto en el hígado como en el músculo. Glucagón: Sólo en el hígado. El enlace del glucagón (liberado por el páncreas en respuesta al bajo nivel de azúcar en la sangre) y/o la epinefrina (liberada por las glándulas suprarrenales en respuesta al estrés) a sus receptores afines, en la superficie de las células objetivo, inicia una cascada de reacción que convierte el glucógeno en glucosa-1-fosfato e inhibe la glucogénesis. La insulina inhibe la glucogenólisis y estimula la glucogénesis, en parte, al disminuir la síntesis de cAMP y activar la fosfatasa de fosfoproteína. 23