11-Metabolismo de glúcidos 2 parte

UNLaM-Kinesiología-Bioquímica-Metabolismo de Hidratos de Carbono II
Metabolismo de glúcidos
2ª parte
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Principales destinos de la Glucosa en la
célula:
• Almacenamiento en forma de glucógeno
• Obtención de energía: glucólisis
• Formación de intermediarios precursores de ácidos nucleicos (ribosa) y NADPH
Gluconeogénesis:
En el organismo tenemos tejidos que dependen exclusivamente de la glucosa para
la producción de energía, como: el cerebro, el sistema nervioso, los eritrocitos, la médula
renal y el tejido embrionario; por lo que en momentos de ayuno, donde los niveles de
glucosa en sangre son bajos, se requiere la obtención de glucosa a partir de precursores no
glucosídicos como aminoácidos, piruvato proveniente de la transaminación de
aminoácidos; lactato, glicerol e intermediarios del ciclo de Krebs, esta ruta metabólica se
denomina gluconeogénesis. Loa aminoácidos Leucina y Lisina no pueden ser empleados
como precursores de la gluconeogénesis ya que en su degradación se produce Acetil-CoA,
al igual que en la degradación de los ácidos grasos. El Acetil-CoA no puede emplearse como
precursor biosintético de glucosa en animales (si en plantas) dado que no poseen las
enzimas para producir oxalacetato a partir del Acetil-CoA.
La gluconeogénesis es llevada a cabo en la mitocondria y citosol de las células
hepáticas, pancreáticas y de la corteza renal. La estrategia consiste en superar los 3 pasos
irreversibles de la glucólisis, el resto de las enzimas y reacciones intervinientes son las
mismas y es la diferencia de concentraciones de productos y sustratos lo que desplaza los
equilibrios.
En primer lugar el piruvato, provenientes de la transaminación de aminoácidos o
de la reacción de reducción del lactato, debe formar fosfoenolpiruvato, o sea revertir la
reacción de la piruvato quinasa de la glucólisis (Figura 1).
Figura 1: formación de fosfoenolpiruvato a partir de piruvato.
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Reacción 1: Producción de oxalacetato a partir de piruvato.
Para ello el piruvato debe ingresar en la mitocondria donde por acción de la
piruvato carboxilasa se produce oxalacetato (esta es una de las reacciones anapleróticas del
ciclo de Krebs). En esta reacción se produce la condensación de piruvato (3 carbonos) con
dióxido de carbono, con consumo de ATP, para dar oxalacetato (4 carbonos). Esta enzima
requiere biotina como cofactor, el cual actúa como transportador de HCO3- y es regulada
positivamente por Acetil-CoA.
Reacción2: Producción de malato a partir de oxalacetato
Como el oxalacetato no posee transportadores en la membrana mitocondrial se
requiere su reducción a malato por acción de la malato deshidrogenasa con oxidación de
NADH mitocondrial. La enzima malato deshidrogenasa actúa tanto en el ciclo del ácido
cítrico como en la gluconeogénesis, pero en sentidos opuestos. La dirección de la reacción
está dada por la concentración de los metabolitos intervinientes.
El malato abandona la mitocondria a través de un transportador especifico en la
membrana interna, el transportador malato-α-cetoglutarato y en el citosol es oxidado
nuevamente a oxalacetato con la producción de NADH citosólico.
Reacción 3: Formación del Fosfoenolpiruvato
El oxalacetato es convertido en fosfoenolpiruvato por la fosfoenolpiruvato
carboxiquinasa con consumo de GTP. En condiciones intracelulares esta es una reacción
reversible.
Como resumen de esa primera reacción de by-pass tenemos el siguiente balance:
Piruvato + ATP + GTP + HCO3- Fosfoenolpiruvato + ADP + GDP + Pi + CO2
∆Gr0=0.9 kJ/mol
Notar que el CO2 agregado al piruvato en la primera reacción es el mismo que se
libera en el último paso. Esta reacción de carboxilación es una activación del piruvato, ya
que la posterior descarboxilación favorece el pasaje de oxalacetato a fosfoenolpiruvato.
Otra cuestión importante a tener en cuenta en este proceso es el NADH consumido
en la mitocondria para la reducción del oxalacetato a malato, que luego es restituido en el
citosol reduciendo una molécula de NAD+ a NADH. En el citosol los niveles de NADH son
aproximadamente 105 veces menores que en mitocondria, por lo que de esta forma se
dispone del NADH que posteriormente será empleado en reducción del glicerato 1,3bisfosfato a gliceraldehído 3-fosfato. La gluconeogénesis no puede proceder al menos que
haya NADH citosólico disponible.
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Figura 2: Glucolisis Vs Gluconeogénesis
La siguiente reacción irreversible de la glucólisis es la fosforilación de fructosa 6fosfato para dar fructosa 1,6-bisfosfato por acción de la fosfofructoquinasa I, con consumo
de ATP. La reacción inversa es catalizada por la fructosa 1,6-bisfosfatasa, que cataliza la
hidrólisis del grupo fosfato del C1. Sin embargo el grupo fosfato no es transferido a una
molécula de ADP, si no que se libera como Pi.
La última reacción irreversible que requiere una enzima diferente a las
intervinientes en la glucolisis es la fosforilación del la glucosa, a glucosa 6-fosfato, por
acción de las enzima hexoquinasa y glucoquinasa (dependiendo del tejido). La fosforilación
de la glucosa cumplía la función de fijar la glucosa dentro de la célula, una vez que
ingresaba por los diferentes GLUT. La reacción inversa, la desfosforilación de la glucosa 6fosfato es catalizada por la enzima glucosa 6-fosfatasa. La hidrólisis del grupo fosfato
genera Pi. Esta enzima se encuentra en lumen del retículo endoplasmático de los
hepatocitos y células renales. Eso permite que la glucosa generada en la gluconeogénesis
sea liberada al torrente sanguíneo para abastecer de glucosa al resto de los tejidos. Células
del cerebro y músculo no poseen esta enzima, de forma que no pueden llevar a cabo la
gluconeogénesis.
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Balance global de la Gluconeogénesis:
El siguiente es el balance global de la gluconeogénesis:
2 Piruvato + 4ATP +2GTP + 2NADH + 4H+ + 6H2O Glucosa + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD+
Nótese que se trata de un proceso energéticamente costoso, por lo que es necesario
que la gluconeogénesis, como la glucólisis se encuentren recíprocamente reguladas. Si
ambas ocurrieran en simultáneo el resultado sería el consumo de ATP y la producción de
calor.
Recordar el balance de la glucólisis:
Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2 Piruvato + 2NADH + 4H+ + 2ATP + 2H2O
Es así como las enzimas irreversibles, y reguladoras de estas vías metabólicas se
regulan mediante la fosforilación y desfosforilación inducidas por hormonas (insulina,
glucagón y adrenalina) y por reguladores alostéricos, en forma coordinada y recíproca.
Regulación:
Cuando el estado energético de la célula es alto, o sea NADH/NAD+ es alto, el
ciclo de Krebs se inhibe, y consecuentemente aumente la concentración de Acetil-CoA. La
enzima piruvato carboxilasa se ve estimulada por este aumento de Acetil-CoA, generando
un aumento de Oxalacetato que induce la activación de la gluconeogénesis.
En estado de ayuno las hormonas glucagón y la adrenalina, unidas a
membrana activan la producción de AMPc, segundo mensajero que activa enzimas
quinasas, produciendo la fosforilación de las enzimas que interviene en la glucólisis y
gluconeogénesis. Las enzimas claves de la glucólisis se ven inhibidas por fosforilación,
mientras que las enzimas de la gluconeogénesis, fosfoenolpiruvato carboxiquinasa,
fructosa 1,6-bisfosfatasa y glucosa 6-fosfatasa, se activan por fosforilación.
Figura 3: Regulación hormonal en ayuno
Como vimos, en saciedad, la insulina (reduce los niveles de AMPc, estimulando la
fosfodiesterasa, que convierte el AMPc en 5'AMP) produce la activación de la
fosfofructoquinasa II, que produce fructosa 2,6-bisfosfato. La fructosa 2,6-bisfosfato es
un regulador alostérico positivo de la fosfofructoquinasa I (o sea estimula la glucólisis) y a
su vez es un regulador alostérico negativo de la fructosa 1,6-bisfosfatasa.
Ciclo de Cori:
El ciclo de Cori es la circulación cíclica de la glucosa y el lactato entre el músculo y
el hígado.
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Figura 4: Ciclo de Cori
Durante el trabajo muscular, en presencia de una gran actividad glucolítica
anaerobia, se producen grandes cantidades de lactato, que difunde a la sangre para ser
llevado al hígado. El lactato en el hígado es convertido nuevamente en glucosa por
gluconeogénesis, retornando a la circulación para ser llevada de vuelta al músculo.
Ciclo de la alanina:
El “Ciclo de la alanina o de Cahill” es un ciclo metabólico muy parecido al ciclo de
Cori. En el músculo, cuando los aminoácidos se degradan para ser combustible, los grupos
amino son recogidos como glutamato a través de una transaminación. El glutamato
entonces entrega su grupo α-amino al piruvato, reacción mediada por la alanina
aminotransferasa (GPT). La alanina formada pasa a la sangre y de ahí al hígado. Estando
en los hepatocitos, la alanina aminotransferasa pasa el grupo amino de la alanina al αcetoglutarato, formando nuevamente piruvato y glutamato. Aquí el glutamato puede
desviarse al ciclo de la urea por la glutamato deshidrogenasa, liberando amonio (NH4+).
Por el otro lado, el piruvato por gluconeogénesis se emplea para la producción de
glucosa la cual regresa por la sangre hasta el músculo.
Figura 5: Ciclo de la alanina
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Vía de las pentosas:
Es otra ruta oxidativa de la glucosa, sin fines energéticos. El objetivo de esta
ruta es la producción de metabolitos necesarios para la célula:
• Formación de ribosa para la producción de RNA y DNA en células de rápida
división (como en médula, piel y mucosa) y la producción de ATP, NADH, FADH2 y
coenzima A.
• Reducción de NADP+ a NADPH, cofactor equivalente al NAD+/NADH, que actúa
como dador de electrones en las reacciones de biosíntesis reductivas, por ejemplo en la
síntesis de ácidos grasos (en hígado, adipocitos y células mamarias) y de colesterol y
hormonas esteroides (en hígado, glándula adrenal y gónadas) o como agente antioxidante
en tejidos expuestos a radicales de oxigeno (eritrocitos, cornea).
Figura 6: Vía de las Pentosas
La primera reacción de esta vía, que ocurre en el citosol es la oxidación de la
glucosa 6-fosfato por acción de la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa, para producir 6fosfoglucono-δ-lactona, con reducción de una molécula de NADP+ a NADPH.
La lactona generada es hidrolizada por la enzima lactonasa para dar fosfogluconato,
rompiendo la forma cíclica. Posteriormente se produce una nueva oxidación, con
producción de NAPH y descarboxilación. Para dar D-ribulosa 5-fosfato. La isomerización
por acción de la fosfopentosa isomerasa genera ribosa 5-fosfato.
Balance Global:
Glucosa 6–fosfato + 2NADP+ + H2O Ribosa 5-fosfato + CO2 + 2NADPH + 2H+
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Glucógeno:
El glucógeno es un homopolisacárido de reserva energética formado por cadenas de
glucosa unidas por enlaces O-glucosídicos α-1,4, ramificadas cada 8 a 12 unidades de
glucosa en enlaces α-1,6. Esta estructura es Insoluble en agua.
Figura 7: Molécula de glucógeno
El glucógeno es el polisacárido de reserva energética en los animales que se
almacena principalmente en el hígado y en los músculos. El almacenamiento de la glucosa
en forma polimérica presenta la ventaja de reducir la presión osmótica que la glucosa libre
podría ocasionar.
Glucogenogénesis:
La glucogénesis es la generación de glucógeno a partir de glucosa 6-fosfato. El
primer paso es el catalizado por la fosfoglucomutasa que produce la migración del grupo
fosfato de la posición 6 a la posición 1, obteniéndose glucosa 1-fosfato. Dado que la
incorporación de la glucosa 1-fosfato a una cadena de glucosas α1-4 es
termodinámicamente desfavorable se requiere una activación más fuerte para que se
produzca la polimerización. Con este objetivo UDP-Glucosa pirofosforilasa cataliza la
reacción entre el UTP (equivalente a ATP) y la glucosa 1-fosfato para obtener difosfato de
uridinaglucosa (UDP-Glucosa) y liberándose pirofosfato, PPi. El ∆G de esta reacción es
próximo a cero, es la posterior hidrólisis irreversible y altamente exergónica del pirofosfato
lo que hace de esta reacción espontánea e irreversible.
El estado de alta energía de la UDP-glucosa le permite ceder espontáneamente la
unidad glucosilo a la cadena de glucógeno en formación, reacción catalizada por la
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glucógeno sintasa. Por esta enzima se produce la extensión de la cadena por el extremo no
reductor, en la posición 4, formando los enlaces o-glucosídicos α1-4. La glucógeno sintasa
no puede unir dos restos de glucosa, solo puede extender una cadena de glucano ya
existente. Para iniciar la síntesis de cero se requiere un cebador, la proteína glucogenina.
La glucógeno sintasa sólo cataliza la formación de uniones α1-4, las
ramificaciones son llevadas a cabo por la enzima ramificante. Esta enzima transfiere
segmentos terminales de la cadena principal de aproximadamente 7 restos de glucosa a
posición 6 de restos de glucosa de la misma u otra cadena de glucógeno.
Figura 8: Gluconeogénesis
Glucogenólisis:
Figura 9: Glucogenólisis
La glucogenólisis, degradación del glucógeno para obtener glucosa, requiere de
cuatro enzimas:
•
Glucógeno fosforilasa que cataliza la ruptura del enlace o-glucosídicos α-1,4 de la
unidades glucosilo terminales no reductoras del glucógeno y su sustitución por un
grupo fosfato para obtener glucosa 1-fosfato. Esta enzima actúa hasta 4 residuos de la
ramificación
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•
•
•
Enzima glucantransferasa actúa transfiriendo un trisacárido unido en posición α-1,4
en una ramificación límite del glucógeno hasta el extremo no reductor de otra
ramificación. Sobre este sigue actuando la glucógeno fosforilasa.
El enlace α1-6 restante en la ramificación es hidrolizado por la enzima desramificante
para dar directamente glucosa (sin fosforilar)
Fosfoglucomutasa, convierte la glucosa 1-fosfato en glucosa 6-fosfato que puede bien
continuar la vía glucolítica en el músculo; o en el hígado hidrolizarse a glucosa para su
distribución por el torrente sanguíneo.
Regulación de la Glucogenogénesis/Glucogenólisis:
La glucógeno fosforilasa es la enzima reguladora de la degradación del glucógeno y
la glucógeno sintasa de la síntesis de glucógeno. La principal vía de regulación es por
moduladores alostéricos
y modificación covalente (fosforilación/desfosforilación)
inducidas
por
hormonas
(InsulinaDesactiva;
Glucagon,
adrenalina
y
noradrenalinaActivan). El mecanismo de regulación hormonal es análogo al
desarrollado en la regulación de la gluconeogénesis, Figura 3.
Tabla 1: Regulación hormonal de los metabolismos de la glucosa
Estado
Hormona Activa
Saciedad Insulina
Enzima
Activa
Fosforilasa
Ayuno
Quinasa
Glucagón/
Adrenalina/
Noradrenalina
Produce
Metabolismos de la glucosa
activos
Desfosforilación Glucólisis,
Glucogenogénesis, vía de
las pentosas
Fosforilación
Gluconeogénesis,
Glucogenólisis
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