METABOLISMO DE LA GLUCOSA La glucosa es un azúcar vital en el metabolismo. El control de su transporte depende de hormonas, como la insulina, adrenalina o glucagón, y su almacenamiento se realiza de forma compacta, en forma de glucógeno. Así, el glucógeno puede hidrolizarse en glucosas, y esta se puede oxidar a piruvato.
El azúcar se almacena de varias formas, y estas se asimilan en la dieta. Sin embargo, los glúcidos únicamente pueden ser absorbidos por el intestino como monosacáridos, y nunca en forma de dímeros... o polímeros.
Como resultado de la digestión de los glúcidos asimilables presentes en la dieta, se originan, fundamentalmente, fundamentalmente, glucosa, fructosa y galactosa.
En
el
intestino delgado participan la α-glucosidasa y las α-dextrinasas, que transforman derivados derivados de la glucosa en α-Dglucopiranosa. Sin embargo, también está la sacarasa y lactasa (βgalactosidasa), que hidrolizan sacarosa y lactosa, con el fin de obtener finalmente glucosa. La amilasa rompe el almidon en dextrinas (oligosacáridos de 6 a 8 G), y en maltosa y derivados ramificados. 1
ABSORCIÓN DE LOS MONOSACÁRIDOS Tiene lugar en tres pasos: 1.- Transporte desde el lumen intestinal al interior de la célula absortiva, a través de la membrana luminal en cepillo. 2.- Transporte desde el interior celular hasta el espacio intercelular, a través de la membrana contraluminal contraluminal (= vasolateral) vasolateral) de la célula epitelial absortiva. 3.- Transporte hacia el interior de las células endoteliales de los capilares, y de éstas hacia la sangre. El transporte puede darse mediante difusión facilitada o transporte activo: -
-
En la difusión facilitada, el soluto a transportar lo hace a favor de gradiente, la difusión está facilitada por la existencia de proteínas canal, que son las que facilitan el transporte de algunos iones y moléculas hidrófilas. Estas proteínas integrales de membrana conforman estructuras en forma de poro inmersas en la bicapa, que dejan un canal interno hidrofílico que permite el paso de moléculas altamente altamente lipófobas. La difusión facilitada de la glucosa a través de la membrana celular es catalizada por transportadores de glucosa GLUT o SLC2 (por sus si glas en inglés: Solute Carrier Family 2) que pertenecen a la superfamilia de transportadores facilitadores y que incluyen aniones inorgánicos y transportadores de cationes. El transporte de moléculas por parte de estas proteínas transportadoras es un ejemplo de difusión facilitada y no requiere del ATP para el mecanismo de su transporte. transporte. En el transporte activo se efectúa un transporte en contra de gradiente de concentración y, para ello, las proteínas transportadoras transportadoras implicadas consumen energía metabólica.
TRANSPORTADORES Existen dos sistemas de transporte de glucosa y otros monosacáridos: -
-
Transportadores de sodio y glucosa (SGLT): o SGLT 1: Km = 0,3 mM para glucosa (en el intestino delgado) SGTL 2: Km = 1,6 mM en el riñón o o SGLT 3: Km = 6 mM Transportadores GLUT: existen 13 diferentes (GLUT 1 – 13). Sin embargo, los 5 más importante son: GLUT 1 y 3: se encuentran en casi todas las célula y transportan glucosa constantemente o (Km GLUT 1 = 1,5 mM y GLUT 3 = 2 mM) o GLUT 2: se encuentra en el hígado y en las células pancreáticas β. También transporta glucosa y fructosa. Al poseer una Km muy elevada (16-18 mM) solo entra la glucosa cuando su concentración es elevada. Así, el páncreas puede percibir el nivel de glucosa y ajustar la rasa de secreción de insulina. Cuando los niveles son bajos, se utiliza preferiblemente preferiblemente en el cerebro y tejidos con sistemas con Km menor. o GLUT 4: posee una Km de 5-6 mM. Se trata del mediador mediador de la entrada de glucosa en el músculo y los adipocitos. La insulina induce un rápido aumento del número de transportadores transportadores GLUT 4 en PM (membrana plasmática), estimulando la entrada de glucosa en estos tejidos. o GLUT 5: es un transportador de fructosa, con una Km 11 – 15 mM. Su afinidad por otros monosacáridos es mínima. Se localiza en el yeyuno, túbulos renales, testículos y tejido adiposo.
MPORTANCIA DE LA GLUCOSA I MPORTANCIA La glucosa es el principal combustible combustible para la mayoría de los organismos. Es una molécula rica en energía, cuya oxidación completa a CO 2 y H2O produce 2840 KJ/mol. Es una molécula que, cuando hay demanda energética, se libera directamente. Su degradación proporciona gran cantidad de metabolitos, que sirven de partida para reacciones biosintéticas (3-BPG, F-6-P). Es una molécula versátil que posee tres destinos: el almacenamiento (en forma de glucógeno), glucógeno), su oxidación vía glucólisis y su oxidación vía pentosas fosfato.
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GLUCÓLISIS La glucolisis es la principal ruta para la degradación de la glucosa. También se conoce como la ruta de Embden-Meyerhof. Es una ruta vital, puesto que es casi universal, produce energía e intermediarios intermedios y se conoce su regulación. La glucólisis se trata de un proceso anaerobio en la que una molécula de glucosa se oxida para producir 2 moléculas de piruvato y una cantidad limitada de ATP. Se trata de una ruta de 10 reacciones.
Se trata de un proceso con dos fases: -
Preparatoria: Preparatoria: 5 reacciones en las que se consumen 2 ATP Beneficios: 5 reacciones en las que se forman 4 ATP y 2 NADH
D E LA L A GLUCÓLISI GLUCÓL ISIS S F ASES DE OSFORILACIÓN DE LA GLUCOSA R1. F OSFORILACIÓN La glucosa es activada mediante su fosforilación a G6P (irreversible bajo condiciones intracelulares). Se utiliza ATP. La reacción es catalizada por la enzima hexoquinasa, la cual necesita Mg +2. La hexoquinasa no es una enzima específica, por lo que puede fosforilar otros monosacáridos, monosacáridos, como fructosa. En el caso de los hepatocitos, hepatocitos, la enzima es la glucokinasa, específica para la glucosa.
SOMERIZACIÓN DE G6P R2. I SOMERIZACIÓN Cambio de glucosa-6-fosfato (piranosa) a fructosa-6-fosfato (furanosa) , es decir, la isomerización reversible de una aldosa (glucosa) a una cetosa (fructosa), catalizada por la enzima fosfoglucosa isomerasa.
OSFORILACIÓN DE F6P A A F 1,6 R3 F OSFORILACIÓN F 1,6 BI P Se trata de un punto principal de la regulación de la glucolisis. Es una reacción IRREVERSIBLE en la que la fructosa-6-fosfato fructosa-6-fosfato es fosforilada a fructosa-1,6-bisfosfato fructosa-1,6-bisfosfato por la fosfofructokinasa-1. En el proceso, el ATP (sustrato) se trasforma en ADP. → Hay dos sustratos: el ATP y la F6P.
SCISIÓN DE F-1,6-BIS P R4 E SCISIÓN Se produce la condensación aldólica reversible por una aldolasa de la fructosa 1,6-bisfosfato en dihidroxiacetona-fosfato y gliceraldehido-3-fosfato. La rotura se produce entre el C3 y el C4; por lo que el C3 pasará a ser C1 en la dihidroxiacetona; dihidroxiacetona; y el C4 pasará a ser el C1 en el GAP. 3
NTERCONVERSIÓN DE TRIOSAS FOSFATO R5. I NTERCONVERSIÓN Mientras que el gliceraldehído-3-fosfato gliceraldehído-3-fosfato sigue la glicolisis, la dihidroxiacetona fosfato es isomerizada por la triosa fosfato isomerasa en gliceraldehido-3-fosfato (pasando por enediol). Así, concluimos con la fase preparatoria de la glucolisis; formando dos GAP.
PARA DAR 1,3-BISFOSFOGLICERATO R6. O XIDACIÓN DE GAP PARA El grupo aldehído del GAP se oxida por la gliceraldehido-3-P-deshidrogenasa y se fija un grupo fosfato. El H lo acepta el NAD+. En consecuencia, se produce un acil-fosfato, que es un compuesto de alta energía. El C1 pasa de ser un aldehído a un ácido, de ahí la oxidación. En la segunda reacción, el ácido se deshidrata, uniéndose el fosfato.
En otras fuentes el agua no a arec arece e
RANSFERENCIA DEL FOSFATO DEL BPG AL ADP R7 T R7 T RANSFERENCIA La reacción es catalizada por la fosfoglicerato fosfoglicerato quinasa. La energía liberada por la oxidación de un aldehído (con el P) a un grupo carboxílico se conserva con la formación acoplada de ATP. En consecuencia, el 1,3bisfosfoglicerato bisfosfoglicerato se transforma en 3-fosfoglicerato. 3-fosfoglicerato.
El BPG se encuentra cargado porque está a pH fisiológico. Si no se llamaría ácido fosfoglicérico.
ONVERSIÓN DE 3 FOSFOGLICERATO A 2-FOSFOGLICERATO R8. C ONVERSIÓN Se trata de una reacción de isomerización reversible catalizada por la fosfoglicerato mutasa, en la que el P del C3 pasa al C2.
R9. DESHIDRATACIÓN DE 2-FOSFOGLICERATO PARA DAR FOSFOENOLPIRUVATO Es una reacción catalizada por la enolasa. Se trata de una reacción de deshidratación en la que el 2fosfoglicerato fosfoglicerato para a 2-fosfoenolpiruvato, 2-fosfoenolpiruvato, un compuesto de alta energía.
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RANSFERENCIA DE FOSFATO DEL PEP A A ADP R10 T RANSFERENCIA Es la reacción en la que se produce el segundo ATP. Se trata de un fosforilación irreversible catalizada por la piruvato quinasa en la que la energía de la ruptura del enlace –O-P produce la síntesis de ATP.
OXIDACIÓN DEL NADH El NADH generado en el interior mitocondrial se encuentra en el compartimento adecuado para poder ser oxidado y producir ATP en la fosforilación oxidativa. Sin embargo, el NADH + producido en el citosol no puede atravesar la membrana interna mitocondrial por lo que tiene que ser transportado. La reacción catalizada por la gliceraldehido-3-P-DH en el citosol forma NADH +, el cual debe ser oxidado para producir ATP (en la cadena respiratoria). Sin embargo, el NADH + no puede atravesar la membrana interna mitocondrial. El problema se puede solucionar de dos formas:
L ANZADERA MALATO- ASPARTATO Comienza con el oxalacetato citosólico. Esta es reducido a malato por acción de la malato deshidrogenasa deshidrogenasa y es transportado a la matriz mitocondrial. Allí, el malato es deshidrogenado de nuevo a oxalacetato en el ciclo de Krebs. De este modo, conseguimos el NADH que necesitábamos, el cual se oxida en la cadena respiratoria. El oxalacetato puede ser devuelto al citosol, pero no puede pasar la membrana interna mitocondrial, mitocondrial, Para ello, es transformado transformado a aspartato por la aspartato aminotransferasa aminotransferasa (transaminación); (transaminación); atraviesa la mmi, se transamina a oxalacetato y se completa el ciclo. Esto sucede en el corazón, hígado y riñón. El glutamato y ceto glutarato se usaran, posiblemente, porque pueden ceder y tomar grupos, así como poder pasar junto con sus respectivas moléculas por los transportadores.
Hay que tener en cuente que el cetoglutarato es la 4ª molécula de Krebs.
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L-GLICEROL-3-P El glicerol-3-fosfato utiliza el NADH en presencia de glicerol-3-fosfato-deshidrogenasa para reducir la dihidroxiacetona-P en glicerol-3-P. Este difunde al espacio intermembranal de la mitocondria, donde es oxidado por el isoenzima G-3-P-DH mitocondrial. Los productos de la reacción son dihidroxiacetona-P, la cual vuelve al citosol, y FADH 2 (que siempre se halla unido al centro activo dl enzima), que se oxida en la cadena respiratoria (1.5 ATP). En el proceso, el FADH2 reduce la Q (ubiquinona) y forma QH 2, la cual cede sus e- al complejo complejo III. Es un proceso proceso que funciona funciona en el músculo y el cerebro. En la lanzadera se obtiene menos energía, porque la enzima que ayuda a reducir
la FAD no es la “natural” de la cadena de electrones, sino la flavoproteína deshidrogenasa (GAP DH, o ambas)por lo que se generan 2 ATP en lugar de 2,5 por cada NADH citoplasmico ci toplasmico reoxidizado. reoxidizado.
ERMENTACIÓN LÁCTICA F ERMENTACIÓN Se trata del uso anaeróbico del piruvato. El piruvato es transformado a L-lactato por la lactato deshidrogenasa. En el proceso, el NADH se oxida a NAD+. Solo se produce 2 ATP, ya que el NADH que se podría utilizar se transforma en NAD+ para que pueda ser reutilizado en el gluolisis, pero no en reacciones para obtener energía. Es un proceso que se da en eritrocitos y músculo esquelético tras un ejercicio intenso en un breve periodo de tiempo.
ICLO DE C ORI ORI C ICLO El ciclo de Cori comprende una serie de rutas. La primera parte se produce en el músculo, con la glucólisis y fermentación de glucosa a ácido láctico. Posteriormente, Posteriormente, una vez ha cesado la actividad, ese lactato viaja al hígado para que se produzca la gluconeogénesis gluconeogénesis y se forme glucosa. Pese a generarse glucosa, el balance de energía es negativo, ya que se necesita más ATP en la gluconeogénesis que el que se forma en la glucolisis.
ERMENTACIÓN ALCOHÓLICA F ERMENTACIÓN La fermentación alcohólica comprende una serie de reacciones para metabolizar el piruvato en condiciones anaerobias. El producto resultante es etanol. Esta ruta es utilizada para producir pan y bebidas alcohólicas (cerveza). En la fermentación alcohólica, el piruvato es descarboxilado por la piruvato descarboxilasa, produciéndose acetaldehído y CO2. Este acetaldehído será será reducido a etanol por la alcohol deshidrogenasa deshidrogenasa.. 6
En la descarboxilación, la piruvato descarboxilasa suele necesitar tiamina difosfato y Mg, que actúa como coenzima, no necesita NAD+. La TDP ( o TPP) es un derivado de la tiamina, o vitamina B1, que se encuentra en cereales y en el hígado. Su deficiencia produce beriberi. Por el hecho de tener el pirofosfato, la enzima se activa.
REGULACIÓN DE LAS RUTAS METABÓLICAS A la hora de estudiar la regulación metabólica, hay que comprender que en función de sus necesidades,
la célula sintetizará mayor o menor cantidad de un compuesto, lo que significa que una vía determinada estará más o menos activa. Asimismo, las vías de síntesis y degradación no tienen por qué estar activas a la vez. Una ruta metabólica comprende varios pasos, y distinguimos dos puntos clave: -
Reacciones en equilibrio, cuya velocidad está controlada por la disponibilidad disponibilidad del sustrato. Reacciones altamente exergónicas, exergónicas, que son irreversibles. i rreversibles. La regulación de las vías se realizará por estos puntos.
REGULACIÓN DE LA GLUCOLISIS La glucólisis posee tres reacciones irreversibles, que serán los tres puntos de regulación. Estos puntos recaen sobre tres quinasas: la hexoquinasa (R1), la fosfofructoquinasa fosfofructoquinasa (R3) y la piruvato quinasa (R10).
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En la hexoquinasa el producto es el propio inhibidor (G6P), cosa que en la glucoquinasa no. En el caso del músculo, la G6P inhibe la hexoquinasa, debido a que las cantidades que se producen son muy elevadas (Km = 0,1 mM). En cambio, en el hígado la producción de G6P no es tan elevada (Km = 10 mM), y la glucoquinasa no es inhibida.
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La fosfofructoquinasa fosfofructoquinasa es el enzima con más relevancia en la regulación. Todos los monosacáridos, excepto la fructosa hepática, pasan por la fosfofructoquinasa. fosfofructoquinasa. La fosfofructokinasa es inhibida por el citrato (Si la concentración de citrato es alta el Ciclo de Krebs va más despacio de lo que el sustrato (acetil-CoA) llega para degradarse, y la concentración de glucosa será más alta. En el Ciclo de Krebs se produce mucho NADH y FADH2, para que funcionen 7
se han de reoxidar en la cadena de transporte electrónico creando gradiente de protones, si el gradiente no se gasta los coenzimas no se reoxidan y el Ciclo de Krebs se para.) y el ATP (si hay ATP significa que no es necesario un aporte energético, y la glucólisis se detiene); y activada por AMP y ADP (su presencia indica falta de ATP), y fructosa 2,6-bisfosfato. Para anular la inhibición del ATP, tanto AMP como F-2,6-bP deben estar presentes.
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La piruvato kinasa es activada por la F-1,6-bP; mientras que es inhibida por el ATP, la alanina (produce piruvato, lo que inhibe el enzima) y Acetil-CoA (es la molécula con la que se consigue energía; si hay Acetil-CoA no es necesario mas piruvato). Asimismo, la piruvato kinasa también es inhibida siendo fosforilada. También se regula hormonalmente, de modo que el glucagón la inactiva (induce su fosforilación) y la insulina i nsulina la activa.
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M ONOSACÁRIDOS DERIV DERI VADOS DEGRADACIÓN DE DISACARIDOS Y MONOSACÁRIDOS La glucosa es la molécula que mayoritariamente se degrada a piruvato, por lo que los demás sacáridos se convertirán en glucosa de diferentes maneras. La hidrólisis de disacáridos produce monosacáridos tal que:
Los monosacáridos también se transforman: transforman: -
La galactosa se fosforila a galactosa-1-P y se isomeriza de galactosa-1-P a glucosa-1-P y después a glucosa-6-P. La fructosa se transforma según el tejido: Se fosforila a F6P en musculo y riñón o o Se fosforila a F1P y se hidroliza en hígado.
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GLUCONEOGÉNESIS La gluconeogénesis es la síntesis de “novo” de glucosa a partir de precursores no glucídicos , que se produce en microorganismos, hongos, plantas y animales. En estos últimos ocurre prácticamente en el hígado, y en menor medida en la corteza renal. El riñón toma mayor relevancia en estados de ayuno prolongado. El higado sintetiza glucosa a partir de lactato, piruvato, aminoácidos glucogénicos, glicerol, etc. La glucosa sintetizada va al sistema nervioso y músculo esquelético, así como para la formación de glucógeno, glucoproteínas, glucoproteínas, disacáridos, etc.
AMINOÁCIDOS GLUCOGÉNICOS Y CETOGÉNICOS CETOGÉNICOS Los aminoácidos pueden ser glucogénicos, cetogénicos o ambos. Los glucogénicos son los que dan lugar a una producción neta de piruvato o intermediarios del ciclo TCA, tales como α -cetoglutarato u oxalacetato, que son precursores de la glucosa via gluconeogénesis. Todos lso aminoácidos excepto la lisina y la leucina son al menos en parte glucogénicos. La lisina y la leucina son los únicos aminoácidos solamente cetogénicos, dando lugar a acetil-CoA y acetoacetil-CoA, ninguno de los cuales puede producir glucosa.
ENTIDO DE LA GLUCONEOGÉNESIS S ENTIDO La gluconeogénesis procede con las mismas reacciones que la glucólisis excepto 3 reacciones, que son las irreversibles de la glicolisis. Por tanto, las tres reacciones distintas que se producen en la gluconeogénesis son la conversión de la G6P en glucosa (por la glucosa-6-fosfatasa), la conversión de la F-1,6-bP en F-6-P por la fructosa-1,6-bisfosfatasa, y la conversión del piruvato en fosfoenolpiruvato en dos reacciones: formación de oxalacetato y posterior formación de fosfoenolpiruvato.
La biotina actúa como coenzima y proviene de las vitaminas H,B7 y B8. Sus anillos forman una silla y en el anillo de isoureido hay un grupo NH que transporta el CO 2. Su deficiencia provoca déficit en síntesis de aas, caída de pelo y dermatitis.
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PIRUVATO CARBOXILASA
OR QUÉ SE PASA POR LA MITOCONDRIA? ¿P OR En el citoplasma, el NADH es escaso y se requiere en la reducción de 1,3-bisfosfoglicerato a gliceraldehido-3-P. Para ello, el NADH es exportado de la mitocondria al citoplasma. Para ello el piruvato es transformado a oxalacetato y malato en la mitocondria, y este último es exportado al citosol para transfromarse de nuevo en oxalacetato y soltar NADH. Si el sustrato es lactato (en el hígado), su conversión a piruvato ya genera NADH en el citosol. Así, el piruvato entra a la mitocondria y es carboxilado a OAA, para ser descarboxilado a PEP por la carboxiquinasa mitocondrial. Después, este PEP para al citosol.
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A F-1-P DE F-1,6-BP A La reacción es catalizada por la fructosa-1,6-bisfosfatasa, según la reacción:
A GLUCOSA DE G6P A La reacción es catalizada por la glucosa-6-fosfatasa, glucosa-6-fosfatasa, que se encuentra en el RE de los hepatocitos y células renales. La G6P debe ser transportada al RE. Se une a una prtoeína estabilizadora (SP). Se produce G y Pi que deben ser transportados al citosol. En el proceso INTERVIENEN 5 ENZIMAS:una para introducir la G6P en el lumen del RE, otra para catalizar la hidrolisis, dos para sacar tanto la glucosa como el Pi al citosol, y la última para introducir la glucosa en la sangre.
ALANC E ENERGÉT EN ERGÉTICO ICO DE LA GLUCONEOG G LUCONEOGÉNES ÉNESIS IS B ALANCE La conversión de piruvato a glucosa es un proceso caro e irreversible, por lo que para que se eviten errores de descoordinación sólo se da en hígado y riñón.
AMINOÁCIDOS Y ÁCIDOS GRASOS GLUCONEOGÉNICOS Son aquellos aminoácidos que pueden convertirse a glucosa: A, C, G, -cetoglutarato); I, M, T, S, T, W (como piruvato); R, Q, E, H, P (como α -cetoglutarato); V (como succinil-CoA); F, Y (como fumarato); N, D (como oxalacetato). Por el contrario, los AG no general glucosa en mamíferos porque la reacción de la piruvato-DH es irreversible (el acetil-CoA no puede ser reconvertido en piruvato). Las plantas, levaduras y otras especies se aprovechan del ciclo del glioxilato para producir dichos azucares. Pese a no poder sintetizar Glucosa a partir de AG, lo podemos hacer a partir del glicerol: el glicerol se transforma en glicerol fosfato, que pasa a DHAP y sigue la gluconeogénesis
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INSULINA, GLUCAGÓN Y ADRENALINA ADRE NALINA La insulina es un anabolizante que se secreta en respuesta a una alta concentración de glucosa en sangre, el glucagón se sintetiza cuando la concentración de glucosa es baja y, por ultimo, la adrenalina moviliza los combustibles combustibles en respuesta respuesta a estrés o emergencia.
Esta regulación de la glucólisis-gluconeogéensis es vital ya que, si por ejemplo, la reacción de F6P a F-1,6bP ocurriera en ambas reacciones de manera simultánea, tendríamos un ciclo futil con degradación de ATP sin que se realizara ningún trabajo neto, lo que implicar´´ia la perdida innecesaria de energía de la célula. Sin embargo, no es un ciclo inútil (antes se pensaba que era un error delmetabolismo), puesto que muchos organismos necesitan calor. Asimismo, esa capacidad de fosforilación-desforforilación instantánea permite regular las rutas (a continuación). c ontinuación).
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Un metabolito A se convierte en B con una tasa de conversión de 100; mientras que la reconversi´n de B en A ocurre con una tasa de 90. Por tanto, la tasa de conversión de A a B es 10. Si consideramos una molécula con capacidad de unión a ambos enzimas, provocando una moificación alostérica que aumento o disminuya afinidad. En consecuencia, la molécula nueva provocará provocará que la tasa de A a B aumente a 120; y la inversa disminuirá a 72. Ahora el flujo neto es 48. Esta es la razón porque los ciclos fútiles son importantes, ya que aumentan la capacidad de regulación en una ruta. Las enzimas clave del ciclo F-6-P / F-1,6 –bP con la fosfofructoquinasa I y la F-1,6-bisfosfatasa. En el hígado hay actividad fosfatasa 4 veces más que quinasa, por lo que la dirección de la reacción es hacia la gluconeogénesis. En el musculo, por el contrario, predomina la actividad quinasa, por lo que el flujo va hacia glicolisis. La función de la F-1,6-bPasa es amplificar la respuesta glicolítica en respuesta respuesta a la demanta de ATP (ciclo futil o de sustrato).
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RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO La glucosa-6-P tiene 3 destinos diferentes: -
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Músculo y cerebro, donde sigue la glucólisis, dando piruvato o En condiciones aerobias da CO2 y agua (lo que ocurre siempre en el cerebro) o En condiciones anaerobias da lactato, que vuelve a glucosa por el ciclo de Cori (en músculo) En hígado, se da la gluconeogénesis, en la que la G6P es desforsforilada a G libre y pasa al torrente circulatorio con transportadores específicos. Ruta de las pentosas fosfato: fosfato: genera dos metabolitos esenciales: o Ribosa-5-P: componente esencial de ácidos nucleicos, ATP… o NADPH: posee poder reductor, por lo que se considera como otra forma de energía (SON CASI 3 ATP). Se requiere en: Vías de síntesis de ácidos grasos, colesterol, neurotransmisores neurotransmisores y nucleótidos. nucleótidos. Detoxificación de glutatión oxidado y las ci 450 monooxygenasas. monooxygenasas.
Los tejidos donde se dan estas rutas son: Glándula adrenal (esteroides), hígado (AG y colesterol), testículos (esteroides), tejido adiposo (AG), ovario (esteroides), glandula mamaria (AG), eritrocito (mantenimiento de glutatión). glutatión). La via de las pentosas fosfato comprende una serie de vías para generar NADPH, que posee poder reductor, y ribosa-5P, un metabolito que se utiliza en la síntesis de ATP, CoA, NAD +, FAD y ácidos nucleicos.
//RECORDAR QUE: NADH → procesos catabólicos y NADPH → pr ocesos catabólicos La ruta de las pentosas fosfato está regulda por la G-6-P deshidrogenasa y por la disponibilidad de NADP +. El NADPH + H + generado se utiliza para la biosíntesis de FA, colesterol y glucatión reducido (en eritrocitos). Esta ruta está activa en el hígado, tejido adiposo, glándula mamaria, corteza adrenal y eritrocitos. El NADPH se utiza en varias reacciones: sintesis de acidos grasos, colesterol, neurotansmisores y nucleotidos; nucleotidos; así como reducción de glutation oxidado y en monooxigenasas del ci t P 450.
F ASES DE LA RUTA
La ruta posee dos fases: -
Fase oxidativa irreversible :
comprende las reacciones catalizadas por la G-6-P-DH, lactonasa y 6-fosfogluconatoDH. Ribulosa-5-P se isomeriza a R-5-P a través de un enodiol intermediario El NADPH es un inhibidor potente de la G-6-P-DH, ya que compite con el NADP+ por el mismo sitio de unión al enzima. (MODULADOR (MODULADOR ALOSTERICO) ALOSTERICO)
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Fase no oxidativa reversible:se realiza la
interconversión interconversión de azúcares fosforilados. La vía cataliza la interconversión de azúcares de 3,4,5,6 y 7C en una serie de reacciones no oxidativas. Los azúcares de 5C en exceso pueden convertirse en intermediarios de la glicolisis. La conversión de ribulosa-5-P en G-6-P ocurre a traves de una serie de reacciones que implican a dos enzimas únicos de esta ruta: transcetolasa y tranaldolasa. Las pentosas-P producidas en la fase oxidativa se reciclan a G6P. La ribulosa-5-P se isomeriza a ribosa-5-P y xilulosa-5-P. A continuación, en una serie de reordenamientos de los esqueletos carbonados, 6 azúcares-P de 5 C se convierten e 5 azúcares-P de 6 C, completando el ciclo y permitiendo la oxidación continua de G6P con produccion de NADPH.
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La transcetolasa cataliza la transferencia de un fracmento de 2C desde un dador Cetosa a un aceptor aldosa (transfiere del C1 y C2 de la xilulosa-5P a la ribosa-5P formando sedoheptulosa y GA3P)
La transaldolasa cataliza la transferencia de un fragmento de 3C desde la sedoheptulosa-7P al GA-3P formando F6P y eritrosa-4P.
La transcetolasa vuelve a actuar formando F6P y GA-3P (trnafiere 2C de un dador cetosa, la xilulosa 5-P, a un aceptor aldosa, la eritrosa 4-P). Dos moléculas de GA-3P por repeticiones de estas reacciones pueden dar lugar a F-1,6BP. La fructosa bisfosfataja junto con la isomerasa, teasforman la F-1,6-BP en G6P
CONSIDERACIONES DE INTERÉS El metabolismo de la G-6-P a traves de la vía de las pentosas-P está coordinado con la glicolisis. El destino de G-6-P depende de [NADP +] y de las necesidades de NADPH, R-5-P y ATP que tenga de la célula.
ODALIDADES (EJEMPLOS) M ODALIDADES -
Se requiere mucha más R-5-P que NADPH en células en división rápida para la síntesis de acidos nucleicos. En consecuencia, la fase oxidativa queda inactivada (ya que no es necesario el NADPH) y la G6P pasa a glucólisis formando F6P y GAP, que pasan a formar ribosa-5-P mediante fase no oxidativa.
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Cuando se necesita tanto NADPH como ribulosa-5-P, la glucosa puede transformarse en ribulosa 55-fosfato, generando 2 NADPH y CO2. Esta ribulosa se transformara posteriormente en ribosa-5-P.
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Cuando se necesita más NADPH que ribosa-5-P (síntesis de AG por el tejido adiposo), se activa la fase oxidativa, que genera el NADPH; y se sigue con una fase no oxidativa que produce fructosa-6-P y gliceraldehido-3-P, que regeneran en G6P mediante reacciones de glucogénesis.
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Si se requiere NADPH y ATP se activa la fase oxidativa y en la fase no oxidativa se produce F6P y GAP, que dan lugar a piruvato y ATP. Este piruvato puede oxidarse y producir más ATP.
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GLUCÓGENO El glucógeno es una forma de almacenamiento de glucosa fácilmente movilizable. El exceso de glucosa de la dieta se almacena como glucógeno. Se moviliza cuando surge una necesidad: actividad muscular, entre comidas… Éste se halla en el citosol, en forma de gránulos de 10 -40 nm. Estos gránulos contienen glucógeno sintasa y fosforilasa, así como enzimas reguladores. reguladores. Los principales lugares de almacenamiento de glucógeno son el hígado y el músculo estriado esquelético. Se encuentra hidratado en proporción 3:1 (de qué???). En el hígado, su función es regular el nivel de glucosa en sangre, mientras que en el músculo es suministrar glucosa para la actividad muscular. Sin embargo, existen defectos enzimáticos congénitos que alteran el metabolismo del glucógeno y que generan enfermedades de almacenamiento del glucógeno: -
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Enfermedad de Von Gierke: El hígado carece ge G-6-fosfatasa, por lo que se acumulan cantidades anormales de glucógeno en el hígado. En consecuencia, el exceso de glucosa-6-P produce un incremento de glicolisis en el hígado, aumentando los niveles de piruvato y lactato en sangre. -1,4-glicosidasa, que genera lisosomas llenos de glucógeno. glucógeno. Enfermedad de Pompe: carencia de α -1,4-glicosidasa, Enfermedad de Cori: la c arencia de α-1,6-glicosidasa -1,6-glicosidasa provoca que solo puedan utilizarse las ramas externas del glucógeno. Enfermedad de McArdle: ausencia de actividad glucógeno fosforilasa en el músculo. En consecuencia el cuerpo es incapaz movilizar el glucógeno muscular, hay menor tasa de glicólisis y aumenta la incapacidad de realizar ejercicio.
El glucógeno es un polímero muy grande y ramificado de moléculas de glucosa, unidas por dos tipos de enlace: α-1 → 4 y α -1 → 6. Los enlaces α -1 → 6 se producen aproximadamente cada 10 residuos, son los responsables de las ramificaciones. Pese a que el glucógeno almacena menos energía que los ácidos grasos (son más compactos y menos hidratados), la glucosa es fácilmente movilizable, lo que permite mantener los niveles de glucosa en sangre y trabajar con ella rápidamente, lo que permite ser utilizada como fuente de energía en condiciones condiciones anaerobias, a diferencia de los ácidos grasos.
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DEGRADACIÓN DEL GLUCÓGENO Glucogenólisis: origina G-1-P, que puede ser convertida a G-6-P, pudiendo seguir diferentes caminos: -
Mediante glucólisis puede formarse piruvato, que se transformará transformará a lactato o a CO 2 + H2O. La G-6-fosfatasa crea glucosa, que se dirige a la sangre y se utilizará en otros tejidos. Puede seguir la ruta de las pentosas, y transformarse en ribosa y NADPH.
Para degradar el glucógeno existen dos enzimas: la glucógeno fosforilasa y la enzima desramificante. Esta última posee una actividad transferasa (traslada bloques de 3 glucosas de una rama externa a otr a) y α-1,6-glucosidasa (libera la glucosa unida en 1 6, que será fosforilada por la hexoquinasa). →
La degradación fosforólisis: -
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puede
realizarse
mediante
hidrólisis
y
En la hidrólisis la se realiza la digestión de polisacáridos y disacáridos, mediante la inclusión de una molécula de agua en el enlace O-glucosídico. Esta degradación requiere un posterior gasto de ATP para que la glucosa pueda metabolizarse. En la fosforólisis se realiza la movilización del glucógeno mediante la formación directa de glucosa-1-P. Al mostrar varias cargas negativas (del P) la glucosa no puede atravesar la membrana. En la fosforólisis se realiza la adición de ortofosfato en los extremos no reductores por la glucógeno fosforilasa, fosforilasa, la cual posee un piridoxal fosfato (PLP) como grupo prostético. In vitro, esta reacción es reversible; aunque no in vivo, ya que la [Pi]/[G-1-P]=100 [Pi]/[G-1-P]=100 lo que favorece la fosforólisis. fosforólisis.
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REGULACIÓN DE LA GLUCOGENÓLISIS La glucógeno fosforilasa es el enzima regulador. Su actividad se regula mediante dos mecanismos: -
Modificación covalente reversible, por fosforilación-defosforilación, como respuesta a la acción hormonal. Regulación alostérica por metabolitos: metabolitos: AMP y ATP en musculo; y glucosa en hígado.
El enzima puede hallarse fosforilada en la forma a (activa) o desfosforilada en la forma b (inactiva). Para pasar de la forma b a la forma a hay que fosforilar un residuo de serina de cada subunidad. Estas formas existen en equilibrio entre un estado activo (R) o relajado, y un estado tenso (T),menos activo.
FOSFORILASA MUSCULAR La forma b se activa en presencia de altas [AMP] y se desactiva por ATP (compite con AMP) o con G6P (por unión al centro de AMP). La forma a, por el contrario, está totalmente activa independientemente de AMP, ATP o G6P. En el músculo en reposo, la mayor parte está en forma b; y cuando se realiza ejercicio, la elevada [AMP] conduce su activación. Asimismo, durante el ejercicio se libera adrenalina, que conduce la forma a.
FOSFORILASA HEPÁTICA La fosforilasa hepática se encarga de repartir glucosa al resto del organismo. La forma b no es sensible al AMP, pero se activa por fosforilación por acción del glucagón. Se desactiva por unión a la glucosa y por desfosforilación.
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Sin embargo, para que la glucogeno fosforilasa fosforilasa trabaje, es necesaria una cascada de reacciones:
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SINTESIS DE GLUCÓGENO El exceso de glucosa es convertido en moléculas poliméricas para almacenarla y transportarla. En vertebrados, vertebrados, la principal forma de almacenamiento de glucosa es el glucógeno, mientras que en p`lantas es el almidon. En animales ocurre de manera prominente en el hígado y musculo esquelético. En el hígado los proceso de síntesis y degradación de glucógeno tienen la función de mantener los niveles de glucosa sanguíneos tal y como se requieren para satisfacer las necesidades globales del organismo. En cambio en el músculo el glucógeno juega un papel de almacén de glucosa para sus propias necesidades.
BIOSÍNTESIS DE UPD-GLUCOSA Para la biosíntesis de polímeros de glucosa, se utilizan monómeros de azúcar modificados con un nucleótido: UDP glucosa. La UDP-glucosa es sintetizada a partir de G1P y UTP mediante una reacción catalizada por la UDP-glucosa UDP-glucosa pirofosforilasa. La reacción es dirigida hacia la formación de UDP-glucosa por la degradación rápida e irreversible del pirofosfato mediante pirofosfatasa inorgánica. Estas unidades de UDPglucosa son tramsferidas a los extremos no reductores reductores del glucógeno glucógeno por la glucógeno sintasa, que resuta ser el enzima regulador en la síntesis del glucógeno. El UDP es regenerado a UTP por la nucleósido difosfoquinasa a partir de ATP.
La glucógeno sintasa requiere un cebador de glucógeno ya formado (de unos 8 residuos) para catalizar la reacción. Este cebador es sintetizado por la glucogenina. Para ello, en primer lugar se realiza la transferencia de 24
una glucosa desde UDP-G al –OH de la Tyr 194 de glucogenina. A continuación se ataca el C-1 de otra UDPG por el –OH de la glucosa terminal. A partir de entonces (8 G) la glucógeno sintasa se encargará de la elongación.
NZIMA RAMIFICANTE E NZIMA La glucógeno sintasa solo cataliza enlaces 1 → 4 glucosídicos. Por tanto, es necesario otro enzima para
formar enlaces 1 → 6 para crear las ramificaciones del glucógeno. glucógeno. La ramificación tiene lugar después de que un cierto número de unidades glicosilo se hayan unido mediante enlaces 1 → 4 por la glucógeno sintasa. Las ramas se forman por ruptura de un enlace 1 → 4 y
formación de un enlace 1 → 6.
El enzima ramificante transfiere bloques de 7 residuos de glucosa hacia un lugar más interior. Este bloque debe incluir el extremo no reductor y proceder de una cadena de al menos 11 residuos. El nuevo punto de ramificación que se genera debe distar de otro preexistente al menos en cuatro residuos. La ramificación del glucógenpo es importante, ya que se incrementa su solubilidad y se genera un gran número de residuos terminales no reductores, lugares de acción de glucógeno fosforilasa y sintasa, lo que incrementa la velocidad de síntesis y degradación del glucógeno.
REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS DE GLUCÓGENO La regulación de síntesis y degradación del glucógeno es compleja: -
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Regulación alostérica: control de las actividades enzimáticas para ajustar el metabolismo del glucógeno a las necesidades de la célula Regulación hormonal: ajustar el metabolismo del glucógeno a las necesidades del organismo entero.
REGULACIÓN ALOSTÉRICA Se produce la activación de la Glucógeno Glucógeno sintasa b (inactiva ( inactiva por la G6P
REGULACIÓN COVALENTE DE LA GLUCÓGENO SINTASA -
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La glucógeno sintasa se inactiva por fosforilación en hasta 11 residuos. La kinasa más importante es la glucógeno sintasa quinasa 3 (GSK3), que fosforila en 3 sitios. Para que esta se dé, se requiere la fosforilación por la GSK2. La GSK3 es inactivas por insulina, ya que activa la PKB, que fosforila la GSK3, inhibiéndola. La glucógeno sintasa se activa por la desfosforilación por PPP1. La PP1 es activada por insulina e inhibida por adrenalina/glucagón. adrenalina/glucagón. 25
SÍNTESIS DE ALMIDÓN La ADP-G se forma por condensación de G1P con ATP. Entonces la almidon sintasa transfiere glucosa a una cadena de almidon en crecimeinto. El enzima regulafor es la ADP-G pirofosforilasa, la cual se activa por 3-fosfoglivcerato, 3-fosfoglivcerato, el ual se acumula durante la fotosíntesis.
FIJACIÓN DEL CARBONO La síntesis de carbohidratos en animales parte de compuestos de 3C, como pirúvico, láctico o glicerol. En las plantas, se realiza a partir de CO 2 y H2O con el ATP y el NADPH generados en la fase lumínica de la fotosíntesis. El CO 2 se fija en fosfoglicerato, fosfoglicerato, que se forma en el estroma de los cloroplastos. La asimilación del CO2 implica, a parte de la propia reacción de fijación de CO 2, un ciclo de reacciones descubierto por Melvin Calvin.
ALVIN CICLO DE C ALVIN El ciclo de Calvin posee tres etapas: la primera etapa, en la que se produce la fijación del CO 2; la segunda, en la que se da la reducción y producción de triosa fosfato (G3P); y la tercera etapa, en la que se da la regeneración de la ribulosa-1,5-bisfosfato (aceptor de CO 2). El rendimiento neto será una molécula de gliceraldehído-3-fosfato gliceraldehído-3-fosfato por cada 3 moléculas de CO 2 asimiladas. La ribulosa-1,5-bisfosfao carboxilasa (RubisCO) cataliza la unión covalente del CO 2 a la ribulosa-1,5bisfosfato y la ruptura del intermediario de 6 carbonos. La RubisCO es uno de los enzimas más importantes, y constituye el 50% de las proteínas del estroma. Presenta un Mg +2 en el centro activo del enzima.
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El ciclo de Calvin consta de tres fases: -
Fase de fijación: La ribulosa-5 fosfato se une a 3 CO 2 mediante la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa carboxilasa-oxigenasa para dar 3-fosfoglicerato. 3-fosfoglicerato. Fase de Reducción: El 3-fosfoglicerato se transforma en 1,3-bisfosfoglicerato por la fosfoglicerato quinasa, con el consumo de 6 ATP (que se transforman en 6 ADP). Después, el 1,3-BPG se transforma en G3P por la gliceraldehido-3-P deshidrogenasa. En el proceso se forman 6 Pi y 6 NADPH se oxidan a NADP +. La reacción hasta ese punto es la siguiente:
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Fase de regeneración del aceptor: comprende una serie de reacciones en las que 5 de los 6 gliceraldehidos-3-P (DE DONDE VIENEN 6 GAP)¿?¿??¿¿?¿¿???¿ se transforman en las 3 Ribulosas5-P iniciales del ciclo.
La reacción general del ciclo de Calvin es la siguiente:
6RuBP + 6CO 2 + 12NADPH + 18 ATP + 12H + + 6H 2O → 6RuBP + + C 6H 12 12O6 + 12NADP + + 18ADP + 18 Pi
DESTINO DE LAS TRIOSAS FOSFATO Las triosas fosfato sintetizadas mediante el ciclo de Calvin pueden transformarse en glucosa dentro del cloroplasto, y después en almidón. Asimismo, la fructosa puede exportarse al citosol y tranformarse en sacarosa. La DHAP sale al citosol vía un antiporter que la intercambia por Pi. Esto es importante porque así se puede sintetizar sacarosa en el citosol y además se restablecen los niveles de Pi en el interior del cloroplasto (estroma), lo cual es relevante porque en el ciclo de Calvin se producen 9 ADP pero solo se liberan 8 Pi, de manera que es necesario otro Pi para sintetizar 9 ATP en total.
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ALVIN REGULACIÓN DEL CICLO DE C ALVIN Pese a que el ciclo de Calvin se denomina como “fase oscura”, no tiene lugar en la oscuridad. Para que el ciclo suceda, la RubisCO y la F-1,6-bisfosfatasa son activadas por la luz. Esto (la luz) provoca que el pH del tilacoide disminuya debido al bombeo de H + al interior. En consecuencia, el pH del estroma (donde están las enzimas de Calvin) aumenta, y se genera el ambiente alcalino necesario para que el ión Mg+2 de las enzimas sea efectivo. El ATP y NADPH generados son vitales para la reducción de CO 2. Las reacciones fotosintéticas que los producen van acompañadas de movimiento de protones desde el estroma interior de los tilacoides creando condiciones alcalinas en el estroma. Esto hace que salgan iones Mg 2+ de los tilacoides al estroma, lo que favorece la activación de la RubisCO y la F-1,6-BP. En segundo lugar, la RubisCO puede estar activa o inactiva. Se encuentra inactiva cuando está unida a la Ru-1,5-BP, ya que obstruye el acceso a Lys 201. La rubisco activasa, consecuentemente, expulsa la Ru-1,5-BP con gasto de ATP. Así, la RubisCO con Lys 201 libre puede unir CO2 , al cual se le une el ión Mg +2, quedando activa.
Otro mecanismo regulador es el inhibidor 2-carboxyarabinitol-1-fosfat 2-carboxyarabinitol-1-fosfato, o, sintetizado por la rubisco carbamilada. Esta molécula es degradada cuando vuelve la luz o cuando es expelida por la RubisCO activasa. La tiorredoxina también desempeña un papel importante en la regulación del ciclo de Calvin. La forma reducida de la tiorredoxina tiorredoxina activa a muchos enzimas biosinteticos al reducir los puentes S-S. Esto hace que la tiorredoxina se oxide y que el enzima correspondiente se reduzca, quedando activo. Posteriormente, la tiorredoxina oxidada (-S-S-) es reducida por la ferredoxina reductasa. La tiorredoxina activa de día a la Ribulosa-5-P-quinasa, Ribulosa-5-P-quinasa, F-1,6-bisfosfatasa, F-1,6-bisfosfatasa, sedoheptulosa-1,7-bisfo sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa sfatasa y gliceraldehido-3-P DH.
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FOTORRESPIRACIÓN En la oscuridad, las plantas también realizan respiración mitocondrial (oxidación de los sustratos a CO 2 y conversión de O2 a agua). Existe otro proceso que consiste en el consumo de O 2 y producción de CO 2 y que es activado por la luz; la fotorrespiración. La fotorrespiración aumenta a alta temperatura, ya que el O2 se hace más soluble que el CO 2. La causa de la fotorrespiración es que la RubisCO es una enzima inespecífica, y cataliza tanto la unión del O2 como del CO 2. En consecuencia, ambas moléculas competirán por el centro activo. La fotorrespiración es una reacción “lateral” de la fotosíntesis que resulta muy costosa, debido a que se forma un 2 fosfoglicolato, un producto sin utilizad metabólica. Para que sea útil, hay que recuperar los 2 C del fosfoglicolato, fosfoglicolato, lo que ocasiona una gran pérdida de energía para la planta.
LA RUTA DEL GLICOLATO Para corregir el “error” de la RubisCO y la formación de GAP a partir del 2-fosfoglicolato, exista la ruta del glicolato. En ella, dos moléculas de 2-fosfoglicolato se transforman en una de serina (3C) y se libera un CO 2. Estas reacciones se producen en el cloroplasto c loroplasto,, peroxisoma y mitocondria. En el cloroplasto, una fosfatasa convierte el 2- fosfoglicolato en glicolato, que se exporta al peroxisoma y se convierte en glioxilato, el cual se transamina a Gly. El peróxido de hidrógeno producido en el peroxisoma se metaboliza por la catalasa y se produce agua y oxígeno. La Gly pasa del peroxisoma a la mitocondria. Se condensan y descarboxilan dos Gly para producir serina, la cual vuelve al peroxisoma y se convierte en glicerato. Este último pasa al cloroplasto y se convierte en 3-PG; y de ahí a ribulosa-1,5-BP por la tercera fase del ciclo de calvin, c alvin, completándose completándose el ciclo.
LANTAS C4 L AS P LANTAS En climas tropicales, donde la temperatura es elevada y la actividad de la luz es intensa, las plantas tropicales, así como el maíz y la caña de azúcar se ven muy afectadas por la fotorrespiración.
Para “aliviar” el problema, estas plantas (denominadas C4) en las células del mesófilo forman productos con 4C, como el oxalacetato o el malato. En las células del mesófilo, el CO 2 se junta con fosfoenolpiruvato para producir oxalacetato (por la PEP carboxilasa), el cual se transforma en malato. Este pasa a través de los plasmodesmos a la célula perivascular, donde la malato DH la descarboxila a piruvato. Este CO 2 entrará al ciclo
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de Calvin. El pirúvico pasa al mesofilo y se convierte en PEP, repitiéndose el ciclo. El CO2 de la descarboxilación del malato queda disponible para ser aceptado por 3- fosfoglicerato para regenerar ribulosa 1,5-bisfosfato y producir GAP (triosas fosfato) como en plantas C3.
LANTAS CAM P LANTAS Las Crasuláceas (cactus, piña) tienen un metabolismo ácido, que les permite crecer en ecosistemas áridos. Se llamn plantas CAM (crasulácea acid metabolism). En muchas plantas que crecen en climas calurosos y secos los estomas de las hojas permanecen cerrados durante el día para impedir la pérdida de agua. Como consecuencia no pueden absorber CO 2 durante las horas de insolación que es cuando se precisa para la síntesis de glucosa. El CO 2 entra en las hojas cuando se abren los estomas a la noche. Así, el CO2 se fija mediante vía C4 y se almacena en vacuolas. Durante el día se descaboxila el malato y el CO 2 queda disponible para entrar en el ciclo de Calvin. A diferencia de las C4 en las plantas CAM, el almacenamiento y la utilización de CO 2 están separadas en el tiempo. Por el contrario, la fijación del CO 2 en las plantas C4 está separada en el espacio.
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