TRABAJO PRÁCTICO N° 4 - quimicabiologicaunsl

TRABAJO PRÁCTICO N° 4
METABOLISMO DE HIDRATOS DE CARBONO: DIGESTIÓN Y ABSORCIÓN.
VÍA GLICOLÍTICA. METABOLISMO DE GLUCÓGENO.
OBJETIVOS
Comprender los procesos de digestión y absorción de hidratos de carbono.
Conocer y entender las principales rutas del metabolismo de la glucosa.
Entender los procesos de regulación de las rutas metabólicas de los Hidratos de Carbono
DIGESTIÓN Y ABSORCIÓN INTESTINAL DE MONOSACÁRIDOS
Los hidratos de carbono más frecuentemente presentes en la dieta son: glucógeno, almidón,
sacarosa, lactosa, glucosa y fructosa. Antes de que los hidratos de carbono puedan ser absorbidos en
la mucosa intestinal los polisacáridos, oligosacáridos y disacáridos son hidrolizados a subunidades de
monosacáridos por acción secuencial de diferentes enzimas hidrolíticas (hidrolasas) presentes en el
tracto gastrointestinal. El proceso de digestión comienza en la boca por acción de amilasa salival o
ptialina, una endoenzima que actúa sobre los polisacáridos,
hidrolizando las uniones -1,4-
glicosídicas y separando restos de maltosa, la acción de esta enzima es muy breve porque al pH ácido
del estómago se inactiva. Los nutrientes parcialmente digeridos forman el quimo, este pasa al intestino
donde, por acción de enzimas pancreáticas liberadas en duodeno, continúa la digestión. A través del
conducto pancreático, se libera la amilasa pancreática, endoenzima que hidroliza las uniones -1,4glicosídicas. Los productos finales de la actividad de esta enzima son: maltosas, maltotriosas y
dextrina límite. La amilasa pancreática no puede hidrolizar las uniones-1,6 glicosídicas, sobre estas
actúa otra enzima con actividad de -1,6-glicosidasa denominada dextrinasa o
isomaltasa que
completa la hidrólisis. Sobre los disacáridos actúan disacaridasas denominadas maltasa, sacarasa,
lactasa. Tanto la isomaltasa como las disacaridasas son enzimas ligadas a la membrana de las células
del borde en cepillo de la mucosa intestinal.
Los únicos carbohidratos que pueden ser absorbidos por las células de la mucosa intestinal son
los monosacáridos. El transporte de glucosa y galactosa a través del borde ciliado de la célula de la
mucosa tiene lugar por un proceso secundario activo dependiente de Na, que requiere energía e
involucra una proteína transportadora específica.
Como todo proceso mediado activo tiene las siguientes características:
a) El transporte se produce contra gradiente de concentración (la molécula es transportada desde un
compartimento de menor concentración hacia otra de mayor concentración).
b) Depende de la energía metabólica ( se consume energía química proveniente de la hidrólisis de
ATP).
c) Es unidireccional.
El ingreso de glucosa requiere el co- transporte de sodio por medio de la misma proteína de
transporte, la glucosa ingresa contra gradiente de concentración y el sodio a favor de un gradiente.
Este último es mantenido por la actividad de la enzima Na+,K+-ATPasa que actúa como una bomba
iónica expulsando 3 (tres) iones sodio al exterior de la célula e ingresando 2 (dos) K+. De esta forma
se produce un gradiente de sodio que permite su ingreso desde el lumen a la célula intestinal. Este
ingreso se realiza a través de un transportador específico que posee dos centros de unión, uno para el
sodio y otro para la glucosa, así "arrastra" la glucosa hacia el interior. Cuando la glucosa se acumula
en la célula del epitelio sale hacia los capilares por difusión facilitada, gracias a transportadores
específicos (GLUT- 2)
Fig 3.4
Representación esquemática del proceso de absorción de glucosa en células de la mucosa
intestinal. Blanco. Química Biológica. 8° Edición
La glucosa es conducida finalmente al hígado por la vena porta y distribuida al resto de los
tejidos.
Otros sistemas específicos de transporte facilitado de glucosa son: GLUT1, GLUT3 y GLUT4.
El GLUT1 está presente en casi todas las células: cerebro, eritrocito, células endoteliales de capilares
sanguíneos, etc. El GLUT3 presente en cerebro, posee una elevada afinidad por glucosa, favoreciendo
así la disponibilidad de la misma para la obtención de energía (ATP) necesaria para crear y mantener
el potencial eléctrico a través de la membrana plasmática de neuronas.
En músculo y tejido adiposo se encuentra el GLUT4, este transportador de glucosa es
sensible a insulina, la cual induce su síntesis y además permite la translocación de los mismos a la
membrana plasmática, favoreciendo la captación de glucosa en estos tejidos cuando la concentración
de la misma aumenta en sangre.
VÍA GLICOLÍTICA
Los organismos vivos surgieron inicialmente en una atmósfera carente de oxígeno, por lo que
la degradación anaeróbica de la glucosa es el tipo de mecanismo biológico más antiguo para obtener
energía. En los organismos aeróbicos, la vía glicolítica es solo la primera fase de oxidación de los
monosacáridos, luego en el Ciclo de Krebs se produce la degradación final a CO 2 y H2O. En este
último proceso hay un mayor aprovechamiento de la energía proveniente de la oxidación, a través de
la síntesis de ATP en la cadena de transporte electrónico.
La vía de degradación de glucosa se denomina Vía glicolítica ó de Embden Meyerhof. La
secuencia de reacciones que ocurren durante la misma, se ha conservado y son similares en
vertebrados, microorganismos y plantas. Solo se diferencia de una especie a otra en el destino del
piruvato y en ciertas características particulares en su regulación. Esta vía tiene importancia en todos
los tejidos, puede ser más o menos activa, dependiendo su función de acuerdo a las características de
los mismos. Para el cerebro y los glóbulos rojos es la única fuente de energía; en el tejido muscular es
importante para la obtención de energía necesaria durante la contracción muscular y en tejido adiposo
genera intermediarios para la síntesis de triglicéridos.
Todas las enzimas de la vía glicolítica se encuentran en el citosol. La glucosa presente en
plasma, ingresa a la célula por un mecanismo de difusión facilitada, utilizando transportadores
específicos. Dentro de la misma se fosforila a través de reacciones catalizadas por transferasas que
utilizan como dador de fosfato el ATP. La glucosa fosforilada se encuentra ionizada, queda así
“atrapada” dentro de la célula y de esta forma se mantiene el gradiente de glucosa para facilitar la
difusión. Las enzimas que catalizan la reacción son hexoquinasas.
GLUCOSA
6C:
Hexoquinasa
ADP
Isomerasa
ADP
Fosfofructo
quinasa
Aldolasa
NAD+
Glicer.deshidrog
ADP
P-Glicerato
quinasa
Mutasa
Enolasa
Acetil-CoA
ADP
Piruvato quinasa
PIRUVATO
Fig 3.
ó
Lactato
Esquema de la Vía Glicolítica.
Teniendo en cuenta las reacciones que ocurren en la vía se consideran dos fases importantes
de la misma:
Fase Preparatoria: incluye las cinco primeras reacciones durante las cuales se fosforila la
glucosa e ingresan a la vía las cadenas carbonadas de otros monosacáridos. La finalidad de esta fase es
la de activar y preparar las moléculas de glucosa para su posterior oxidación.
Fase de Beneficio: comprende las etapas de óxido-reducción y la conservación de parte de la
energía liberada de estas reacciones en forma de ATP (fosforilación a nivel de sustrato).
Puntos de Regulación de la Glicólisis
Como en todas las rutas metabólicas la velocidad de la glicólisis está sujeta a control, el cual se
realiza en tres etapas, donde están involucradas tres reacciones químicas irreversibles:
1° Punto de Control: A nivel de la Hexoquinasa la cual es inhibida por la glusosa-6 -fosfato
2° Punto de Control: A nivel de la Fosfofructoquinasa la cual es una enzima alostérica, por lo tanto,
su actividad es regulada por varios efectores. Es activada por el ADP ó el AMP y fructosa 2,6bisfosfato y es inhibida por ATP, NADH, Citrato y Ác. Grasos de cadena larga. Este es el principal
punto de control de la Vía Glicolítica.
3° Punto de Control: A nivel de la Piruvato Quinasa. Es activada por AMP y Fructosa 1,6bisfosfato y es inhibida por ATP, Acetil CoA. Esta enzima también se regula por fosforilación y
desfosforilación (regulación covalente), es activa cuando esta desfosforilada e inactiva cuando esta
fosforilada.
Balance energético de la oxidación de glucosa
Glucólisis: Cuando tiene lugar en anaerobiosis, cada molécula de glucosa gasta 2 ATP en la fase de
preparación y produce 4 ATP en la fase de beneficio siendo el balance positivo de dos moles de ATP.
Tabla 3.
Balance energético de la Glucólisis. Blanco. Química Biológica. 8° Edición
Cuando hay adecuada provisión de oxigeno, el NADH formado en la oxidación de
gliceraldehido-3-fosfato trasfiere los equivalentes de reducción desde el citosol a la cadena de
transporte electrónico mitocondrial, mediante una serie de reacciones involucrada en los denominados
sistemas de lanzadera.
Según el mecanismo utilizado, los equivalentes de reducción son transferidos a la cadena a
nivel del Complejo I ó de la ubiquinona, el rendimiento puede ser de tres ATP (lanzadera malatoaspartato) o de dos ATP (lanzadera del glicerofosfato).
Como una molécula de glucosa genera dos moléculas de triosas-fosfato, por cada glucosa se
producen cuatro (o seis) ATP según la lanzadera utilizada. Estos ATP, sumados a los dos ATP de la
glucólisis, dan un total de seis (u ocho) moles de ATP por molécula de glucosa en condiciones
aeróbicas.
METABOLISMO DEL GLUCÓGENO
El glucógeno tiene una importante función como reservorio de moléculas de glucosa con la
finalidad de cubrir las necesidades a corto plazo de este monosacárido. Este polisacárido se sintetiza
en casi todos los tejidos adquiriendo fundamental importancia en los tejidos muscular y hepático. El
tejido muscular va a utilizar las reservas de glucógeno para cubrir las necesidades propias,
especialmente durante un ejercicio intenso, no pudiendo liberar glucosa a la sangre porque carece de la
enzima involucrada en este proceso. El hígado almacena el glucógeno con la finalidad de degradarlo
para mantener los niveles de glucosa en sangre. Esto resulta indispensable para la homeostasis de la
glucosa necesaria principalmente como fuente energética en el cerebro y en los eritrocitos, los cuales
carecen de mitocondrias.
GLUCOGENOGÉNESIS
El glucógeno se sintetiza a partir de moléculas de glucosa en muchos tejidos, principalmente
hígado y músculo, las reacciones tienen lugar en el citosol. Es un proceso anabólico que requiere
energía aportada por el ATP y UTP (uridina trifosfato).
Las etapas de esta síntesis son las siguientes:
1.- Fosforilación de glucosa en el carbono 6 por acción de hexoquinasas
2.- Formación de glucosa-1-fosfato a partir de glucosa 6-fosfato, reacción catalizada por la enzima
fosfoglucomutasa.
3.- Activación de glucosa-1-fosfato a UDP-glucosa (uridina-disfosfato-glucosa), reacción catalizada
por la enzima uridina-difosfato-glucosa pirofosforilasa ó glucosa-1-P-uridiltransferasa.
4.- Adición de glucosa en una molécula de glucógeno preexistente ó a la glucogenina (proteína) a
través de una unión -1-4, reacción catalizada por la glucógeno sintasa
5.- Formación de ramificaciones mediante uniones glicosídica -1,6, reacción catalizada por la enzima
ramificante.
Regulación de la Glucogenogénesis
La glucogenogénesis está regulado a nivel de la enzima la enzima Glucógeno sintasa
a) Regulación Alostérica :
(+) Glucosa-6-P
(-) Glucógeno, Ca++ (síntesis de Glucógeno muscular)
b) Regulación por modificación covalente covalente (hormona dependiente). La glucógeno
sintasa es activa cuando está desfosforilada e inactiva cuando está fosforilada. En esta regulación
Intervienen 3 hormonas:
INSULINA (+): Actúa activando una proteína fosfatasa que elimina los grupos
fosfatos unidos a la enzima.
GLUCAGON (-) (Hepatocito) y ADRENALINA (-) (Células musculares) actúan
activando proteínas quinasas que favorecen la unión covalente de grupos fosfatos a la enzima.
GLUCOGENÓLISIS
La glucogenólisis ó el catabolismo del glucógeno no es un proceso inverso a la síntesis de
glucógeno, utiliza enzimas diferentes a la vía anabólica.
Las etapas involucradas son las siguientes:
1.- Liberación de unidades de glucosa-1-fosfato a partir del extremo no reductor, reacción catalizada
por la enzima glucógeno fosforilasa. El fosfato utilizado proviene del fosfato inorgánico del medio.
Esta etapa no requiere de energía metabólica o gasto de ATP. La acción de la enzima se detiene 4
unidades de glucosa antes de una ramificación  1,6 glicosídica.
2.- Transferencia de unidades del trisacárido terminal al extremo de la rama vecina por unión a 1,4.
Esta reacción es catalizada por una transferasa. Reiniciando la etapa 1.
3.- Hidrólisis de las uniones  1,6 glicosícidicas. Reacción catalizada por la enzima  1,6 glicosidasa
con liberación de unidades de glucosa sin fosforilar.
Las enzimas que actúan en las etapas 2 y 3 es una proteína bifuncional denomina enzima
desramificante.
4.- Formación de glucosa-6-fosfato a partir de la glucosa-1-fosfato liberada en la etapa 1. Esta
reacción de isomerización es catalizada por la enzima fosfoglucomutasa.
5.- En hígado por acción de la enzima glucosa-6-fosfatasa se libera glucosa a partir de la glucosa-6fosfato
Regulación de la Glucogenolisis
La enzima reguladora es la Glucógeno fosforilasa
a) Regulación Alostérica:
(+) AMP, Ca++ (músculo)
(-) ATP (músculo), Glucosa (hepatocito)
b) Regulación por modificación covalente covalente (hormona dependiente). La glucógeno
fosforilasa es activa cuando está fosforilada e inactiva cuando está desfosforilada. En esta regulación
Intervienen 3 hormonas :
INSULINA (-). Actúa activando una proteína fosfatasa que elimina los grupos
fosfatos unidos a la enzima.
GLUCAGON (+) (Hepatocito) y ADRENALINA (+) (Células musculares) actúan
activando proteínas quinasas que favorecen la unión covalente de grupos fosfatos a la enzima
En el siguiente esquema se resumen ambos procesos: Glucogenogénesis y glucogenólisis.
Fig 3. Vías de síntesis y degradación del glucógeno en el hígado.
Blanco. Química Biológica. 8° Edición
¿Qué pasa cuando AUMENTAN los niveles de glucosa sanguínea?
Se libera Insulina del páncreas
Se estimula la actividad fosfatasa
Se inhibe la glucógeno fosforilasa
Hígado: Cuando bajan los niveles de glucosa sanguínea
Se libera glucagón del páncreas
Se activa la adenilato ciclasa y en consecuencia la glucogenolisis
Sobre Glu-6-fosfato actúa una fosfatasa y se libera glucosa libre en sangre.
¿Cómo se regula en músculo?
Cuando el músculo necesita una rápida provisión de energía (carrera, estados estrés
emocional, agresión física).
Aumentan los niveles de AMP y se libera Ca++ durante la contracción muscular, activa la
fosforilasa (activación alostérica)
Se libera ADRENALINA (activación hormonal) Se activa la enzima y se libera glucosa-1fosfato.
BIBLIOGRAFÍA
BLANCO, A., "Química Biológica", Ed. El Ateneo, 8° Edición, Bs.As, 2006. Reimpresión año 2007
FEDUCHI, E, BLASCO I, ROMERO, C , YAÑEZ, E. Bioquímica. Conceptos esenciales, Editorial
Panamericana, . 1° Ed., 2010. Reimpresión año 2011.
LEHNINGER, A.L., NELSON, D., COX, M., "Principios de Bioquímica", Editorial Omega, S.A., 4°
Ed., 2006. Reimpresión año 2008.
CHAMPE, HARVEY, FERRIER, “Bioquímica”,Ed Mac Graw- Hill Interamericana, 3° Edición. 2006
PROBLEMAS DE APLICACIÓN
1- ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones de la glucólisis son correctas?
a- La conversión de glucosa en piruvato requiere de la presencia de oxígeno.
b- La reacción catalizada por la fosfofructoquinasa es el punto de control más importante de
la glucólisis.
c- Las reacciones limitantes o reguladoras de la vía son reacciones reversibles.
d- La conversión de glucosa en piruvato produce 2 moléculas de ATP y 2 de NADH.
2- El arseniato es química y estructuralmente similar al fosfato inorgánico (P i) por lo que las enzimas
que requieren fosfato en presencia de arseniato lo utilizan.
a- Prediga el efecto sobre la reacción catalizada por la Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa si
se reemplaza el fosfato por arseniato.
b- ¿Cuál sería la consecuencia para un organismo si se sustituye el fosfato por arseniato? El
arseniato es muy tóxico para la mayoría de los organismos. Explique por qué.
3- Si la hidrólisis de un mol de ATP a ADP genera, en condiciones estándar, 7,3 Kcal, la oxidación de
glucosa hasta piruvato ¿cuantas Kcal generaría?. Comparando este resultado con la energía contenida
en un mol de glucosa (686 kcal), como explicaría el bajo rendimiento de esta vía.
4- Glucogenólisis: A partir del glucógeno por la acción secuencial de dos enzimas se libera glucosa-1fosfato y glucosa:
a- Mediante un esquema realice las reacciones involucradas. Nombre las enzimas.
b- Una de ellas es un ejemplo importante de regulación por modificación covalente.
Analice su comportamiento con un esquema simple.
c- ¿En qué situaciones fisiológicas se activa esta vía?
5- Glucogenogénesis: En animales, el exceso de glucosa disponible de los glúcidos de la dieta se
almacenan en forma glucógeno.
a- Considerando el punto de inicio de la síntesis como glucosa-6-fosfato, esquematice las
reacciones involucradas señalando las enzimas que las catalizan.
b- Una de ellas se regula de manera recíproca a la enzima de la glucogenólisis. Analice su
comportamiento.
c- ¿En que situaciones fisiológicas se activa ésta vía?
6- En condiciones de hipoglucemia se libera la hormona glucagón, debido a su acción se incrementan
los niveles de AMPc intracelular. Fundamente cómo se encontrarán los siguientes procesos en esta
condición y sus consecuencias para la glucemia:
a) glucogenogénesis.
b) glucogenólisis.
7- En condiciones de hiperglucemia, se libera la hormona insulina. Esta hormona, entre otros efectos,
activa enzimas con acción de proteínas fosfatasas. Argumente cómo se encontrarán los siguientes
procesos en tal condición y señale sus consecuencias para la glucemia:
a) glucogenogénesis.
b) glucogenólisis.
PROBLEMAS PROPUESTOS
1) Describa el proceso de digestión de los hidratos de carbono de la dieta. Nombre las enzimas y
órganos que participan.
2) Un adulto necesita durante una actividad física intensa un aporte de unos 160 g de glúcidos diarios
y de sólo uno 20 mg de niacina para una nutrición óptima. Conociendo el papel de la niacina en la
glucólisis ¿cómo se explicaría esta observación?
3- Respecto a la reacción catalizada por la fosfofructoquinasa se puede afirmar:
a- Emplea fructosa-1-fosfato como sustrato.
b- Es una enzima alostérica.
c- El ATP es un efector alostérico positivo
4- ¿Qué tejidos del cuerpo acumulan la mayor parte del glucógeno? Indique la función del glucógeno
en cada caso.