Metabolismo de glúcidos - Bioquimica Kinesiologia UNLaM

UNLaM-Kinesiología-Bioquímica-Metabolismo de HC
Metabolismo de glúcidos
1ª parte
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Metabolismo:
El metabolismo es el proceso global a través del cual los sistemas vivos adquieren y
utilizan energía libre para realizar sus diferentes funciones. Para ello se acoplan las reacciones
exergónicas (de oxidación de los nutrientes) con reacciones endergónicas (las cuales, sin estar
acopladas a reacciones exergónicas, no podrían ocurrir).
Las vías metabólicas son una sucesión de reacciones enzimáticas que conducen de un
sustrato inicial a uno o varios productos finales, a través de una serie de intermediarios.
Denominaremos metabolito a los sustratos, productos e intermediarios de las reacciones
metabólicas. Ya que el organismo utiliza muchos metabolitos, posee muchas vías metabólicas,
las cuales, en general, se encuentra interconectadas. Todas las vías metabólicas se encuentran
eficazmente reguladas, por diferentes metabolitos, hormonas, etc. de acuerdo a las
necesidades de la célula y/o del organismo en general.
Podemos dividir las vías metabólicas en 2 categorías (Figura 1):
•
Catabólicas: Son los procesos exergónicos de degradación de los nutrientes y
constituyentes celulares para liberar sus componentes o generar energía. Son rutas
oxidativas que poseen poder reductor (se reducen coenzimas, por ejemplo NAD+ a
NADH+H+). Por ejemplo la glucolisis.
•
Anabólicas: son los procesos endergónicos de biosíntesis de las biomoléculas a partir de
constituyentes más simples. Son rutas reductivas, que consumen energía y poseen poder
oxidativo (se oxidan coenzimas durante las mismas). Por ejemplo gluconeogénesis
•
Anfibólicas: Son rutas mixtas, catabólicas y anabólicas, que genera energía y poder
reductor, y precursores para la biosíntesis de la cual se forman sustancias oxidativas. Por
ejemplo el ciclo de Krebs.
Nutrientes ricos
en energía
• Carbohidratos
• Grasas
• Proteínas
Catabolismo
CO2, H2O, NH3
2-
ADP+HPO4
+
NAD
+
NADP
FAD
Macromoléculas
Celulares
• Proteínas
• Polisacáridos
• Lípidos
• Ácidos Nucleicos
Productos finales
pobres en energía
ATP
NADH
NADPH
FADH2
Anabolismo
Energía
Química
Precursores
Moleculares
• Aminoácidos
• Azúcares
• Ácidos Grasos
• Bases nitrogenadas
Figura 1: Categorización de vías metabólicas y su relación.
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Metabolismo de Hidratos de Carbono
Puesto que los carbohidratos son los elementos más abundantes de la dieta, es fácil de
entender que los caminos metabólicos en que interviene estos compuestos son los de mayor
tránsito en la célula en general. Aunque los carbohidratos constituyen moléculas importantes
en numerosas funciones, puede considerarse que su función primordial es la energética.
Desde una visión global, es la energía solar convertida en energía química, en los enlaces de
los hidratos de carbono, que luego será convertida en enlaces en moléculas de ATP.
Finalmente esta energía se convertirá en trabajo para el movimiento de los organismos, así
como para la síntesis de biomoléculas más complejas a partir de precursores más simples.
Las fuentes de carbohidratos son diversas pero en su mayoría son de origen vegetal. La
forma de mayor abundancia son los almidones. También podemos encontrar algunos
disacáridos en el azúcar de caña (sacarosa) y la leche (galactosa); y en las frutas encontramos
monosacáridos como fructosa y glucosa. Puesto que los polisacáridos más abundantes de la
dieta, los almidones, al igual que el principal polisacárido de reserva en animales, el
glucógeno, están formados de monómeros de glucosa, el metabolismo de los carbohidratos se
reduce a entender el metabolismo de este azúcar.
Digestión de los glúcidos
Desde el punto de vista de la digestión de los alimentos, el problema consiste en
convertir las macromoléculas ingeridas en unidades menores que puedan ser absorbidas por
el intestino.
En los animales superiores la digestión del almidón se inicia en la boca. La saliva
contiene α-amilasa salival (o ptialina), enzima que actúa rompiendo enlaces α 1-4 a un pH
óptimo de 6.9. Sin embargo su acción es de corta duración, ya que el bolo alimenticio
permanece cortos periodos de tiempo en la boca y al ser deglutido pasa al estómago, cuyo pH
es de 2, inactivando la actividad enzimática. (Figura 2)
La mayor parte de la digestión de los hidratos de carbono ocurre tras el vaciamiento del
estómago, en el intestino delgado. A nivel luminal, se secreta la α-amilasa pancreática,
enzima que tiene el mismo mecanismo que la amilasa salival y un pH óptimo de 8. Como
resultado de la acción de esta enzima, el almidón se descompone en maltosa, maltotriosa y
dextrinas limite.
En la mucosa intestinal, se secretan las últimas enzimas que hidrolizarán los
oligosacáridos a sus monómeros componentes:
•
•
La amilo α1→6 glucosidasa rompe los enlaces α 1→6 de las ramificaciones de
la amilopectina y obtener así maltosa como producto final de la hidrólisis.
La maltasa hidroliza a la maltosa para dar sus monómeros componentes, 2
glucosas.
•
La sacarasa hidroliza a la sacarosa para dar sus monómeros componentes,
glucosa y fructosa.
•
La lactasa hidroliza a la lactosa para dar sus monómeros componentes, glucosa
y galactosa.
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Al final del proceso digestivo tendremos una mezcla de monómeros: glucosa, galactosa y
fructosa, con clara predominancia de glucosa.
α-amilasa
salival
(Ptialina)
Páncreas
Almidón
α-amilasa
Glándulas
salivales
Glucosa
Hidratos de
carbono
Maltosa,
maltotriosa,
dextrina límite
Lactosa
Microvellocidades
Maltasa
GLUTs
Isomaltasa
α-amilasa
pancreática
Sacarosa
Simporte de
Na+/glucosa
Páncreas
Amilo α1→6
glucosidasa,
maltasa, sacarasa,
lactase
Glucosa
Lactasa
Glalactosa
Sacarosa
Sacarasa
Luz Intestinal
Fructosa
Enterocitos
Vena Porta
Figura 2: Digestión de Hidratos de Carbono.
Absorción de los glúcidos
Los monosacáridos procedentes de la digestión de los carbohidratos son absorbidos en
el intestino delgado por transportadores específicos ubicados en la membrana de los
enterocitos. El ingreso de glucosa y galactosa al enterocito ocurre a favor del gradiente por
transporte facilitado con co-transporte (simporte) con Na+. Cabe destacar que una vez
ingresado el azúcar a la célula del enterocito, el Na+ se elimina a través de la bomba Na+/K+,
mientras que la glucosa difunde a través de la célula y es volcada al torrente sanguíneo a
través de proteínas de membrana denominadas GLUT (Glucose Transporters) (Figura 3). Se
conocen 13 miembros de esta familia (algunas se detalla en la tabla 1). Las distintas isoformas
de GLUT difieren en su localización tisular, sus características cinéticas y su dependencia o no
de insulina. La absorción de Glucosa se regula en base de la expresión y localización de los
distintos GLUT en distintas células y en distintos estados metabólicos. Por ejemplo, el GLUT3,
principal transportador de glucosa en el cerebro, posee una Km (1mM) por debajo de los
niveles de glucemia normales (4-7mM). Es decir, transportan glucosa constantemente a las
celulas neuronales. Por otro lado GLUT2, presente en las células pancreáticas y hepáticas,
posee una Km alta (15-20mM) por lo que estas células absorberán la glucosa solo en estados
de glucemia elevada. Por último GLUT4, transportador insulinodependiente, se encuentran en
el musculo y en el tejido adiposo. Este transportador permitirá el ingreso de la glucosa a la
célula cuando se libera insulina, es decir cuando los niveles de glucosa en sangre son altos.
La fructosa ingresa al enterocito a través de un transportador específico: GLUT5
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Figura 3: Absorción de Glucosa y transportadores.
GLUT1 Se en cuentan en la membrana de la mayoría de las células.
Se en cuentan en la membrana de las células hepáticas y células β del páncreas. Solo
GLUT2 están activos cuando la glucemia es alta, es decir, en período post- prandial. Poseen
menor afinidad por la glucosa que los GLUT-1.
Se en cuentan en membrana de neuronas, placenta y testículos. Son de alta afinidad y
GLUT3
bajo Km.
Se en cuentan en membrana de células musculares y adipocitos. Son insulino
GLUT4 dependientes: en presencia de insulina aumentan en número y captan más glucosa.
GLUT5 Se en cuentan en intestino delgado. Transportan fructosa.
Tabla 1: Isoenzimas GLUT (Glucose transporters)
Glucolisis - Ruta de Embdem-Meyerhoff
La glucolisis es la vía metabólica central de degradación (oxidación) de la glucosa, con
fines energéticos. Esta vía metabólica ocurre en todos los organismos, tanto en condiciones
aeróbicas como anaeróbicas y constituye la forma rápida de obtención de energía de la célula.
La glucólisis se desarrolla íntegramente en el citoplasma y en ella una molécula de glucosa se
convierte por medio de la fructosa-1,6-bisfosfato en piruvato, con la generación de 2
moléculas de ATP (a partir de ADP).
Esta ruta metabólica consta de 2 etapas: La etapa preparatoria, donde la glucosa se
escinde en 2 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato (triosas) con consumo de 2 moléculas de
ATP. La segunda etapa, es la de obtención de energía, en ella, cada molécula de gliceraldehído
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3-fosfato se oxida para dar piruvato, con la obtención de 2 moléculas de ATP y una de
NADH+H+.
ETAPA I: Fase Preparatoria
Reacción 1: Fosforilación de la glucosa
El primer paso de la glucólisis es una reacción irreversible que consiste en obtener la
forma activada de la glucosa, esto es la fosforilación de la glucosa por una quinasa a expensas
de ATP para obtener glucosa 6-fosfato.
De esta forma, a demás de activarse la glucosa para los subsiguientes pasos de la
glucólisis, se evita que esta salga de la célula. Recordar que el ingreso de la glucosa a la célula
se da por difusión facilitada a través de las proteínas GLUT, y que este es un proceso a favor
del gradiente de concentracion.
Existen en el organismo 2 isoenzimas que catalizan la fosforilación de la glucosa, la
hexoquinasa presente en la mayoría de las células y la glucoquinasa en células del hígado y
páncreas.
La hexoquinasa es capaz de fosforilar diversos azúcares, pero posee una gran afinidad
por la glucosa (Km 100mM). Esta gran afinidad asegura que la glucosa pueda ser fosforilada
en todas las células, aun cuando sus niveles extracelulares sean bajos.
Por otro lado la glucoquinasa es específica de la glucosa, pero posee una baja afinidad
por esta (10mM). Las características de esta enzima, sumadas a las ya vistas para el GLUT2,
hacen que el hígado y el páncreas solo retiren la glucosa del torrente sanguíneo sólo cuando
sus valores son elevados.
Reacción 2: Isomerización de la glucosa 6-fosfato a fructosa 6-fosfato.
Esta reacción es catalizada por la fosfoglucosa isomerasa para convertir la glucosa 6fosfato en fructosa 6-fosfato. Este paso es indispensable para que, en las posteriores
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reacciones, se genere un compuesto simétrico (fructosa 1,6-bisfosfato) capaz de fraccionarse
en 2 moléculas de igual número de carbono, que puedan seguir una misma ruta metabólica.
Reacción 3: formación de la fructosa 1,6-bisfosfato
Consiste en una nueva fosforilación a expensas de ATP y Mg2+ para convertir la fructosa
1-fosfato en fructosa 1,6-bisfosfato. Esta reacción irreversible es catalizada por la
Fosfoglucoquinasa I, otra quinasa de características análogas a la hexoquinasa. La regulación
de la glucólisis ocurre principalmente mediante el control de la actividad de esta enzima.
Reacción 4: Ruptura de la fructosa 1,6-bisfosfato
Por acción de una aldolasa, la molécula de fructosa 1,6-bisfosfato se escinde en 2
triosas, gliceraldehído 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato.
Reacción 5: Interconversión de dihidroxiacetona fosfato a gliceraldehído 3-fosfato
En la última etapa de la fase preparatoria, por acción de una isomerasa, la
dihidroxiacetona fosfato se isomeriza a gliceraldehído 3-fosfato. Así ambas triosas pueden
seguir la vía glucolítica.
A partir de aquí los productos obtenidos hay que multiplicarlos por dos. Se obtienen dos
moléculas de gliceraldehído 3-fosfato, cada uno de los cuales entrará en la fase dos. Por cada
uno de ellos, se obtendrán los productos de la fase 2.
ETAPA II: Fase de obtención de energía.
Reacción 1: Oxidación de Gliceraldehído 3-fosfato.
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El gliceraldehido-3-fosfato se convierte en 1,3-bisfosfoglicerato por acción de la enzima
gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, la cual requiere como cofactores NAD+ y fosfato
inorgánico (Pi) proveniente del medio. En esta reacción el grupo aldehído se oxida, liberando
una gran cantidad de energía que se emplea para la formación de un enlace con el fosfato
inorgánico. El compuesto generado posee una alta energía de hidrolisis.
Reacción 2: Formación de la primera molécula de ATP
El 1,3-fosfoglicerato, compuesto de alta energía formado en la etapa anterior, cede su
fosfato rico en energía al ADP, para dar ATP y 3-fosfoglicerato. Esta reacción de fosforilación
es catalizada por la fosfoglicerato quinasa.
Reacción 3: Isomerización del 3-fosfatoglicerato a 2-fosfoglicerato.
Esta etapa es catalizada por una mutasa que, en una primer etapa fosforila al 3fosfoglicerato en el C2, para dar un intermediario 2,3-bisfosfoglicerato, el cual en el paso
siguiente cede a la enzima el fosfato del C3, generándose así el 2-fosfoglicerato.
Reacción 4: Formación de fosfoenolpiruvaro.
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El 2-fosfoglicerato se deshidrata por acción
fosfoenolpiruvato, un enol-fosfato de alta energía.
de
una
enolasa,
originando
Reacción 5: Generación de la segunda molécula de ATP y de Piruvato.
La piruvato quinasa cataliza la transferencia del grupo fosfato de alta energía del
fosfoenolpiruvato a una molécula de ADP, para dar ATP. El enol-piruvato generado es
altamente inestable e inmediatamente se isomeriza a su forma cetónica. Esta reacción es
irreversible y constituye el segundo punto más importante de regulación de la glucólisis.
Balance energético de la glucólisis:
Como resultado de la glucolisis obtenemos que a partir de una molécula de glucosa se
consumen 2 moléculas de ATP, para la obtención de fructosa 1,6-bisfosfato, que a posteriori se
escinde para dar 2 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato. A partir de cada una de las
moléculas de gliceraldehído 3-fosfato se reduce una molécula de NAD+ a NADH+H+ (o sea dos
en total, una por cada gliceraldehído 3-fosfato) y se fosforila, a partir de fosfato inorgánico. Se
generan así compuestos de alta energía, que en etapas subsiguientes cederán sus grupos
fosfato para producir dos moléculas de ATP por cada gliceraldehído 3-fosfato inicial (cuatro
en total), y una molécula de piruvato (dos en total). Podemos entonces presentar el siguiente
balance para la reacción global:
+
1 glucosa + 2 NAD + 2 ADP + 2 Pi
+
2 piruvato + 2 NADH + 2 H + 2 ATP + 2H O
2
Destinos metabólicos del piruvato:
• BAJO CONDICIONES AERÓBICAS (presencia de O2): ocurre la respiración celular. El
piruvato es aún una molécula con abundante energía, que puede producir una cantidad
sustancial de ATP, para ello se produce su descarboxilación del piruvato y su
combinación con la Coenzima A para dar Acetil-CoA (Figura 4).
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Figura 4: Formación de Acetil-CoA a partir de Piruvato.
Esta molécula se oxida completamente por medio del ciclo del ácido cítrico o ciclo de
Krebs a CO2, produciendo GTP, FADH2 y NADH + H+(Figura 5 - el ciclo de Krebs se desarrollará
en detalle en próximas clases). El NADH+H+ generado tanto durante la glucólisis, como en el
ciclo de Krebs será oxidado nuevamente a su forma NAD+ para que nuevamente pueda actuar
como cofactor de la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, y pueda seguir la glucólisis. La
oxidación del NADH ocurre al ceder sus electrones a la bomba de protones de la membrana
interna mitocondrial. La acumulación de protones contra gradiente en el espacio
intermembrana de la mitocondria produce su reingreso a través de la ATPsintetasa,
produciendo nuevas moléculas de ATP. Como resultado final de la oxidación de una molécula
de glucosa en aerobiosis se producen entre 36 y 38 moléculas de ATP.
Figura 5: Ciclo de Krebs.
• BAJO CONDICIONES ANAERÓBICAS, el piruvato debe convertirse en un producto final
reducido, que produzca la oxidación del NADH+H+, disponiendo nuevamente del NAD+
necesario para la glucólisis.
Esto se produce de dos maneras:
A- Fermentación homoláctica
Para que se mantenga el balance redox en la glucólisis en anaerobiosis, es necesaria la
regeneración del NAD+. Para ello el NADH+H+ reduce el piruvato a lactato en una reacción
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catalizada por la lactato deshidrogenasa. El lactato es, en condiciones de aporte de oxigeno
insuficiente (por ejemplo durante una actividad física intensa, donde la demanda de ATP es
alta y el suministro de oxígeno es escaso), el producto final de la degradación de glucosa. El
lactato así obtenido es liberado a la sangre, de donde es captado por otros tejidos para su
posterior utilización
B- Fermentación Alcohólica
Otra fermentación de gran importancia es la fermentación alcohólica que se produce en
levaduras y microorganismos. En la misma el piruvato se descarboxila por la piruvato
descarboxilasa, convirtiéndose en acetaldehído que se reduce a expensas de NADH+H+, para
dar etanol.
Regulación de la Glucolisis
La regulación flujo de la glucosa a través de la ruta glucolítica debe ser muy controlado,
para mantener prácticamente constantes los niveles de ATP, así como el suministros de
intermediarios con fines biosintéticos, que tanto la célula como el organismo requieran.
La glucólisis se regula mediante el control de la actividad de las enzimas que catalizan
las reacciones irreversibles: Hexoquinasa, Fosfofructoquinasa I y Piruvato Quinasa.
En primer lugar la Hexoquinasa presenta activación por sustrato, es decir es activada
por la glucosa y su actividad se inhibe por producto, es decir acumulación de glucosa 6fosfato.
Como ya se mencionó, el principal control de la velocidad de la glucolisis se da por la
Fosfofructoquinasa I. Esta enzima es altamente sensible al estado energético de la célula,
Tanto AMP como ADP son reguladores alostéricos positivos de fosfofructoquinasa I, mientras
que ATP es un inhibidor alostérico de la actividad de esta enzima. (Nótese que ATP es tanto
un inhibidos alostérico, como sustrato de esta enzima, uniéndose a sitios distintos de la
enzima, además ATP que actúa como sustrato de la enzima se halla complejado con Mg2+). Por
otro lado, cuando el nivel energético de la célula es elevado, el ciclo de Krebs se detiene y se
acumula citrato (Figura 5), el citrato también es un inhibidor alostérico de la
fosfofructoquinasa I con un efecto sinérgico con ATP.
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La fructosa 2,6-bisfosfato es un activador alostérico muy potente de la
fosfofructoquinasa I. No confundir este compuesto con un metabolito intermediario de la ruta
glucolítica, su función es netamente reguladora.
La fructosa 2,6-bisfosfato es generada a partir de fructosa 6-fosfato por la
fosfofructoquinasa II (PFK II). A su vez esta enzima puede actuar como fructosa 2,6bisfofatasa (FBPasa), regenerando la fructosa 6-fosfato. La actividad de la enzima como PFK II
o como FBPasa es regulada hormonalmente por los niveles de insulina y glucagon. Es así
como un aumento en los niveles de insulina activan a la PFK II, aumentando los niveles de
fructosa 2,6-bisfosfato, el cual actua como una activador de la Fosfofructoquinasa I para la
producción de fructosa 1,6-bisfosfato. Por el contrario el glucagón favorecerá la
desfosforilación de la fructosa 2,6-bisfosfato.
La piruvato quinasa es otro de los puntos importantes de control. Se activa por
presencia de un precursor, la fructosa 1,6-bisfosfato; y se inhibe alostéricamente por ATP,
Acetil-CoA y citrato.
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