BLOQUE III.- Metabolismo Tema 13.13.- Glucolisis y destino del piruvato 1. Papel central de la glucosa en el metabolismo. •Degradació Degradación de glucosa por GLUCOLISIS: • Caracterí Características y reacciones Balance quí químico y energé energético ATP Regulació Regulación de la glucolisis • Degradació Degradación del piruvato en diferentes condiciones • Descarboxilació Descarboxilación oxidativa • Fermentaciones lá láctica y etanó etanólica Lanzaderas para equilibrar el poder reductor generado en el citoplasma citoplasma PAPEL CENTRAL DE LA GLUCOSA EN EL METABOLISMO: - La glucosa es el principal combustible para la mayoría de organismos, ocupando una posición central en el metabolismo. - Su oxidación completa a CO2 y H2O produce gran cantidad de energía (2.840 kJ/mol). Se almacena en forma de polímeros (glucógeno, almidón, ) - Es un precursor extremadamente versatil, capaz de suministrar una gran cantidad de intermedios metabólicos, que son material de partida de muchos procesos biosintéticos DIGESTIÓN DE GLÚCIDOS Desde los ALIMENTOS Tanto el almidón ( mecla de amilosa y de amilopectina.) como el glucógeno son hidrolizados por las enzimas α-amilasa (1→ →4) y glucosidasas (1→ →6). La α-amilasa (salivar y pancreática) y la glucosidasa (intestinal) Los monosacáridos son los únicos glúcidos que se absorben a través de la mucosa intestinal con transporte activo intracelular ESQUEMA QUE RELACIONA TODAS LAS VÍAS METABÓLICAS Glucógeno Glucogenolisis Glucogenogénesis Pentosas y Otros azúcares Ruta pentosas-P Glucosa Gluconeogénesis Glucolisis Glucolisis Cierto s amino ácidos Piruvato Lactato Degradación piruvato LAS VÍAS METABÓLICAS PARA LOS GLÚCIDOS O CARBOHIDRATOS Ácidos grasos Ciclo ácido cítrico Transporte Electrónico mitocondrial GLUCOLISIS: Ruta CATABÓLICA para la degradación de la glucosa a 2 piruvatos - Características generales: GLUCOSA • Glucolisis o glicolisis es una ruta catabólica de 10 reacciones enzimáticas: TRES IRREVERSIBLES • Su función es la degradación de glucosa para la obtención de energía: 2 ATP y 2 NADH • Se degrada una molécula de glucosa (C6) hasta dos moléculas de piruvato (C3). •Es una ruta metabólica universalmente distribuida en todas las células. 2 PIRUVATOS GLUCOLISIS • 2 Fases y 10 Reacciones • Sustratos : Hexosas-P y triosas-P • Enzimas: deshidrogenasas kinasas, isomerasas y mutasas • Cofactores: NAD+ / NADH • ATP / ADP El producto de una reacción es el sustrato de la siguiente EL ATP es el cofactor DADOR de GRUPOS FOSFATO Y el ADP es el RECEPTOR de GRUPOS FOSFATO EL NAD+ acepta electrones procedentes de los sustratos que se oxidan y él se reduce a NADH Las moléculas con carga no atraviesan la membrana plasmática GLUCOLISIS: reacciones FASE 1: fase de inversión de energía hexoquinasa 1.-Fosforilación de la glucosa El ATP transfiere un Pi al OH del C6. de la glucosa.. Las moléculas con carga no atraviesan las membranas. La G6P no sale de las células. Glucosa (G) Glucosa 6-P (G6P) Fosfoglucosa isomerasa 2.-Isomerización de la G-6-P La aldosa (C1=O) se transforma en cetosa (C2 =O ) Glucosa 6-P (G6P) Fructosa 6-P (F6P) GLUCOLISIS: reacciones Fosfofructoquinasa 1 3.-Fosforilación de la F-6-P El nuevo OH del C1 es fosforilado por ATP. Fructosa 6-P (F6P) Fructosa 1, 6-P (FBP) 4.-Ruptura aldólica de la F-B-P Aldolasa Se forman dos triosas, isómeros: -gliceraldehido3-fosfato (G3P) y -dihidroxiacetona-fosfato (DHAP). Fructosa 1, 6-P (FBP) Dihidroxi Acetona Fosfato Gliceraldehido (DHAP) 3-fosfato (G3P) GLUCOLISIS: reacciones La segunda fase de la glucolisis parte desde el Gal-3-P Triosa fosfato isomerasa 5.-Isomerización del DHAP a G3P La dihidroxiacetona-fosfato (DHAP) se isomeriza a gliceraldehido3-fosfato (G-3P). Solo el G-3P sigue la glicolisis. Dihidroxiacetona -fosfato (DHAP) Gliceraldehido 3-fosfato (G3P) FASE 2: fase de obtención de beneficios Gliceraldehido 3-P deshidrogenasa 6.-Oxidación y fosforilación Se genera NADH y un enlace fosfato de alta energía Gliceraldehido 3-fosfato (G3P) 1,3-bisfosfo glicerato (BPG) El aldehido se oxida y se fija el grupo fosfato, formando un enlace de alta energía: enlace ACIL-FOSFATO GLUCOLISIS: reacciones para recoger energía El enlace ACIL-FOSFATO es de alta energía y ésta se conserva en forma de ATP Fosfoglicerato quinasa 7.-Fosforilación a nivel de sustrato Se transfiere un Pi desde el 1,3BPG, con un enlace de alta energía, al ADP. 1,3-bisfosfo glicerato (BPG) 3-fosfoglicerato (BPG) 1ª reacción de conservación de la energía Fosfoglicerato mutasa 8.-Isomerización El Pi del C3, de no muy alta energía, se traslada al C2, a través de un intermedio bisfosforilado (2,3-BPG) 3-fosfoglicerato (3PG) 2-fosfoglicerato (2PG) GLUCOLISIS: reacciones para recoger energía Enolasa 9.-Deshidratación Se separa una mol. de H2O y se genera un enlace enol-fosfato de alta energía Fosfoenol piruvato (PEP) 2-fosfoglicerato (2PG) El enlace ENOL-FOSFATO es de alta energía Piruvato quinasa 10.-Fosforilación a nivel de sustrato Se transfiere un Pi desde el PEP, con un enlace de alta energía, al ADP. DG’ = -31.4kJ/mol Fosfoenol piruvato (PEP) 2ª reacción de conservación de la energía en forma de ATP piruvato (PIR) GLUCOLISIS: balance de la ruta RESULTADO DE LA GLUCOLISIS glucosa Además se forman 2 moléculas de ATP y 2 moléculas de NADH 2 moléculas de piruvato BALANCE químico y energético de la glucolisis: Glucosa + 2 ADP + 2Pi + 2 NAD+ ------> 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2H+ La glucolisis se produce en el citoplasma y los NADH formados no pueden descargar sus een el T.E.M. que actúa en el interior mitocondrial. LANZADERAS o FERMENTACIÓN REGULACIÓN de la GLUCOLISIS La regulación de la ruta recae sobre las tres enzimas que catalizan las tres reacciones irreversibles. Son tres kinasas: Son moduladas por el nivel de ciertos metabolitos y por modificación covalente (fosforilación) hexokinasa Fosfofructo kinasa 1 piruvatokinasa REGULACIÓN GLUCOLISIS: (1) Hexokinasa y características de la glucokinasa Activa inhibe G-6-P Producto de la reacción hexokinasa Glucosa glucosa-6-P glucokinasa • GLUCOKINASA • Isoenzima en hígado, • + Específica para glucosa • KM mayor para la glucosa y • No inhibida por G6P glucosa •Su existencia permite al hígado retirar glucosa de la sangre cuando su concentración es muy alta La PFK-1 se activa con F-2,6-BP, el producto de la PFK-2 ENZIMA BIFUNCIONAL PFK-2 F2,6-BP Fructosa-2,6-bisfosfato (F-2,6-BP) La actividad de la enzima bifuncional PFK-2/F2,6-BF está controlada por la acción hormonal, que desencadena la fosforilación y la defosforilación de la enzima, alterando la actividad de la enzima con ello. Fructosa-6fosfato Fructosa-2,6bisfosfato Fructosa-1,6bisfosfato T 13.- METABOLISMO DEL PIRUVATO Resumen de la degradación del Pivuvato Glucosa Glucolisis 10 reacciones consecutivas Condiciones anaeróbicas 2 piruvato 2 etanol + 2 CO2 Condiciones aeróbicas Fermentación a alcohol en levaduras 2 Actil-CoA Ciclo del ácido cítrico En células tumorales: http://sebbm.es/BioROM/cont enido/UCM/sit_fisiopat/glucol isis-cancer/index.htm 4 CO2 + H2O Animales, plantas, y muchas células microbianas bajo condiciones aeróbicas Condiciones anaeróbicas 2 lactato Fermentación a lactato en músculo en contracción vigorosa, eritrocitos, otras células y en algunos microorganismos El piruvato formado en la GLUCOLISIS se degrada en función de las condiciones: ANAEROBIAS: Fermentaciones (1,2) AEROBICAS: Descarboxilación oxidativa (3) piruvato Piruvato O2 2 1 Acetaldehido O2 Lactato Lactato 3 O2 Acetil-CoA O2 Etanol Posterior Oxidación en el C.A.T. Las 2 reacciones de reducción del Piruvato en los procesos fermentativos FERMENTACIÓN LÁCTICA Lactato deshidrogenasa FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA Piruvato Piruvato descarboxilasa Piruvato Lactato Alcohol deshidrogenasa Acetaldehido Etanol 1.-FERMENTACIÓN LACTICA en condiciones anaeróbicas (músculo y microorganismos). Acoplamiento de la oxidación del NADH hasta NAD+ con la reducción del Piruvato a lactato; glicolisis glucosa 2 piruvato la glicolisis necesita NAD+ disponible para la Gal-3-P deshidrogenasa Regeneracion NAD+ regeneración NAD+ Resumen de la fermentación láctica Lactato deshidrogenasa Piruvato + NADH 2 lactato lactato El ácido láctico es producido en los músculos con el ejercicio y por bacterias Lactato + NAD+ 2.-FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA microorganismos fermentativos en condiciones anaeróbicas Acoplamiento de la oxidación del NADH a NAD+ con la reducción del acetaldehido a etanol; la glicolisis necesita NAD+ Disponible para la Gal-3-P deshidrogenasa glucosa 2 piruvato Regeneracion NAD+ acetaldehido etanol 3.- Descarboxilación oxidativa del Piruvato en condiciones aerobias Glucosa Piruvato Complejo Piruvato deshidrogenasa Acetil-CoA Lípidos ------- Acetil-CoA REACCIÓN COMPLEJA: Descarboxilación oxidativa del piruvato Enzima: PIRUVATO DESHIDROGENASA Coenzimas solubles: NAD+ se reduce a NADH CoA-SH se lleva el acetilo PIRUVATO DESHIDROGENASA Componentes del complejo: 3 enzimas y 5 coenzimas E1- piruvato deshidrogenasa E2- Lipoil-transacetilasa E3- Dihidrolipoamida deshidrogenasa Coenzimas unidos a Enzimas (GRUPOS PROSTÉTICOS) E1- TPP E2- Lipoamida E3 - FAD -TPP -Lipoamida - FAD Descarboxilación oxidativa Trans-acetilación Oxidación H2-lipoamida Modelo de la estructura del complejo PDH, donde se recogen los 3 tipos de subunidades, cada una con su coenzima Cristales de PDH Coenzimas solubles CoA-SH NAD+ La E1-TPP cataliza la descarboxilación del piruvato y el OH-etil queda unido a la TPP Microfotografía al M.E. del complejo PDH procedente de músculo PIRUVATO DESHIDROGENASA: Toda la reacción se produce en el entorno del complejo PDH, actuando en cada paso una de las enzimas mecanismo de actuación Hidroxi-etil-TPP Lipoamida Dihidrolipoamida piruvato Acetil-CoA Acetil hidro lipoamida E1 = Piruvato deshidrogenasa E2 = Dihidrolipoil transacetilasa E3 = Dihidrolipoil deshidrogenasa - TPP - Lipoamida - FAD CoE. solubles •CoA-SH •NAD+ Descripción del mecanismo de acción de la PIRUVATO DH 1º.- Actuación de la E1-TPP (La E1 es Piruvato deshidrogenasa) El piruvato se descarboxila y el fragmento de 2 carbonos (carbanión) se transfiere al anillo de tiofeno (TPP), formándose el hidroxi-etil-TPP. 2º.- Transferencia del hidroxietilo de la E1-TPP a la E2-Lipoamida La E2 es Dihidrolipoil-transacetilasa y tiene unida la Lipoamida En la transferencia desde E1 a E2, el hidroxi-etilo se oxida a acetilo, a la par que el puente disulfuro de la lipoamida se reduce a dihidro-lipoamida, aunque como ésta resulta acetilada, el producto es acetil-hidro-lipoamida 3º.- Transferencia del acetilo desde la E2-hidro-Lipoamida a la CoA-SH El grupo acetilo de la acetil-lipoamida (enlace tio-acilo) se transfiere a la CoA-SH, para formar Acetil-S-CoA (enlace tio-acilo). La Lipoamida queda reducida como Dihidro-lipoamida. 4º.- Oxidación de la H2-lipoamida por E3-FAD ( Coenzima de la E3) La E3 (Dihidrolipoil-deshidrogenasa) es una flavoenzima, cuyo FADH2 se oxidará después por el NAD+ (coenzima soluble) que se reduce a NADH + H+ Nombre de la VITAMINA B1 COMPUESTO QUÍMICO Tiamina Forma de COENZIMA Tiamina-PP PATOLOGÍA (por carencia) Beriberi (cascara arroz) Glositis, Queilitis angular y Dermatitis seborreica B2 Riboflavina FMN, FAD B3 Niacina o Ac. Nicotínico NADH, NADPH Pelagra (3D) B5 Pantotenato Coenzima A Neurodegeneración (pantotenato kinasa) Anemia (Isoniacina) B6 Piridoxina Piridoxal-P B7 o H Biotina Biotina B12 Cobalamina Cianocobalamina C Ascorbato B9 Folato Anemia perniciosa Escorbuto THF Espina bífida PIRUVATO DESHIDROGENASA Regulación alostérica y por fosforilación/defosforilación PDH Piruvato El complejo está regulado de dos maneras: • inhibición alostérica por metabolitos: Acetil-CoA Inhibido por ATP, AcetilCoA y NADH y Activado por AMP, CoA y NAD+, cuando las necesidades energéticas son elevadas • Modificación covalente: Inhibido por fosforilación en E1 y activado por defosforilación. Citrato Oxalacetato Isocitrato Malato Cetoglutarato Succinil- PIRUVATO DESHIDROGENASA Regulación covalente por fosforilación/defosforilación, en mamíferos La PDH fosforilada (PDH-P) es inactiva y la defosforilación la activa de nuevo. La PDH es estimulada (PDH a) por la insulina, piruvato y AMP/ADP, que inhiben a la PDHkinasa, pero es inhibida (no se forma PDH b) por el ATP, NADH y acetil-CoA, que activan a la PDHkinasa. Lanzadera del glicerol-P Glicerol-3-fosfato Deshidrogenasa citoplasmática Dihidroxiacetona fosfato Citoplasma Glicerol 3-fosfato Glicerol-3-fosfato Deshidrogenasa mitocondrial Matriz Por cada NADH citoplásm. que se oxida por esta vía se obtienen 1,5 ATP. Lanzadera del malato-aspartato Por cada NADH citoplásm. que se oxida por esta vía se obtienen 2,5 ATP. Oxalacetato Malato deshidorgenasa Malato Glutamato transaminasa α-cetoglutarato Aspartato α-cetoglutarato Aspartato Citoplasma Matriz Malato Malato deshidorgenasa Oxalacetato transaminasa Glutamato