¡Descarga Metabolismo y más Apuntes en PDF de Bioquímica solo en Docsity!
TEMA 10. GLUCÓLISIS, GLUCONEOGÉNESIS Y DESTINOS DEL PIRUVATO.
GLUCÓLISIS.
La glucosa en un glúcido que se encuentra en el organismo de los seres vivos, y puede seguir diferentes vías. Una regenerativa, hacia glucógeno, y dos vías oxidativas, la de las pentosas fosfato y la glucólisis, donde se oxida o degrada hasta piruvato.
▪ La glucólisis es la principal vía degradativa de la glucosa, y es universal puesto que ocurre en todos los tejidos. El término glucólisis procede del griego (glykys) y (lysis): rotura de glúcidos. ▪ Consiste en la degradación de una molécula de glucosa mediante 10 reacciones enzimáticas, produciendo 2 moléculas de Piruvato, 2 ATP y 2NADH (poder reductor). ▪ Puede tener lugar tanto en presencia de oxígeno (aerobiosis), como en ausencia del mismo (anaerobiosis). ▪ Se trata de una vía común a todas las células, tanto procariotas como eucariotas y en estas últimas tiene lugar en el citoplasma o citosol. ▪ Consta de dos fases: Fase preparatoria y Fase de beneficio o de rendimiento energético. ▪ Las reacciones individuales de la glucólisis se descubrieron en 1930-1940 por Embden, Meyerhof y Warbug.
La molécula de glucosa que se ha de degradar en la vía glucolítica proviene de los hidratos de carbono de la dieta, principalmente, aunque también se puede obtener de la degradación del glucógeno o puede ser sintetizada por el organismo. Los transportadores GLUT, se encargan de transportar dicha molécula a través de la membrana celular hasta el citosol de las células.
La vía glucolítica consta de dos fases. En la Fase preparatoria se necesita consumir 2 ATP, que se utilizarán para degradar la glucosa hasta 2 triosas fosfato. (Gliceraldheido 3P y Dihidroxiacetona P). En la fase de beneficio o rendimiento energético, se generan 4 ATP y 2NADH, así como dos moléculas de piruvato como producto final.
■ Fase preparatoria.
1. Se trata de una reacción de fosforilación dependiente de ATP del carbono 6 de la glucosa, regulada por la enzima hexokinasa (que está presente en todas las células) o glucokinasa (que solo se encuentra en el hígado). Necesitan Mg2+^ como cofactor. Se genera ADP ya que la glucosa capta uno de los grupos fosfato del ATP. 2. Reacción de isomerización catalizada por la fosfoglucoisomerasa, donde ocurre un cambio dentro de la molécula transformándose un isómero en otro (conversión de aldosa a cetosa) sin gasto de energía. De glucosa-6-fosfato se convierte en fructosa-6-fosfato.
3. Fosforilación dependiente de ATP. De nuevo se utiliza el ATP para fosforilar el carbono 1 de la F6P a fructosa-1,6-difosfato. Esta reacción viene catalizada por la fosfofructoquinasa (PFK o PFK- 1.). 4. Este azúcar de seis carbonos, la fructosa-1,6- difosfato, se escinde para producir dos moléculas de tres carbonos cada una, el gliceraldehído-3- fosfato (G3P) y la fosfodihidroxiacetona (PGAL). La aldosa es la enzima catalizadora de esta reacción. 5. En este momento, la fosfohidroxiacetona que es una cetosa, isómera de DHAP, se transforma e n ella mediante una reacción de isomerización, catalizada por la triosa fosfato isomerasa. De este modo, son dos las moléculas de trisofosfato que continúan la glucólisis. Dos moléculas de 3C. A partir de aquí todo estará multiplicado x2. Hasta aquí se considera el proceso de desdoblamiento de la glucosa, cuyo
resumen es: Glucosa + 2ATP → 2G3P + 2ADP
■ Fase de beneficios o de rendimiento energético.
6. Reacción de fosforilación acoplada a oxidación: el gliceraldehído-3-fosfato se oxida al 1,3-difosfoglicerato (G3P→1,3-diPG). Esta reacción está catalizada por la Gliceraldehído3P-deshidrogenasa. Un aldehído se oxida a un ácido carboxílico y además es fosforilado, por lo que tiene un fosfato más. La coenzima NAD+ se reducirá a NADH debido al hidrógeno que se desprende en la reacción de oxidación, donde se forma un grupo acilfosfato (alta energía libre).
- Lanzadera glicerol 3 fosfato. El NAD+ ha de regenerarse, por lo que la molécula de NADH intervendrá en la fosorilación de otra sustancia en una reacción no incluida en la vía glucolítica, la oxidación del DHAP a glicerol-3-P mediante la glicerol-3-PDH. Se consumirá el H del NADH que volverá a NAD+. Esta misma enzima a su vez cataliza la reacción inversa, de glicerol3P a DHAP reduciendo una molécula de FAD a FADH 2. 7. Fosforilación a nivel de sustrato: El 1,3-diPG transfiere un grupo fosfato al ADP que fosforila en ATP, obteniendo así 3- fosfoglicerato. Reacción catalizada por la fosfoglicerato quinasa.
▪ PKF.
La PKF1 cataliza la reacción de fosforilación de la F6P a F-1,6-biP.
~ Regulación alostérica, inhibida por ATP, citrato (del ciclo de Krebs o
de los ácidos tricarboxílicos) y H+. La actividad enzimática es activada por efectores o moduladores positivos como el AMP, el ADP y la Frutosa-2, 6-bifosfato. Cuanto existe alta concentración de ATP en la célula, la velocidad de la reacción que cataliza esta encima disminuye, inhibiendo la glucólisis, ya que la Km aumenta y hay menos afinidad por el sustrato (F6P). Ocurre lo contrario cuando la [ATP] es baja. ~ La F-2,6-biP, es una molécula que activa a la PFK. La síntesis de esta molécula es posible a partir de la F6P y otra enzima que cataliza la fosforilación del carbono 2, la PFK2/FBPasa-2, enzima bifuncional que posee dos dominios, el quinasa para la síntesis de F-2,6-biP y el fosfatasa para la hidrólisis de esta molécula. La actividad de esta enzima está sujeta a regulación covalente por fosforilacion/defosforilación, que a su vez depende de la [Glucosa] en sangre que determinará la síntesis de glucagón o de insulina en el hígado.
Los valores normales de glucosa en sandre son de 80-90mg7dl (4,68mM). Una situación de hipoglucemia es cuando hay <, y una situación de hiperglucemia ocurre cuando la [G] es >. En una situación de hipoglucemia las células del páncreas liberan glucagón. Esta hormona es reconocida por una proteína receptora de la membrana celular del hepatocito. Este receptor activa la proteína G, que consta de 3 subunidades β γ y , siendo esta última la que al activarse activa la actividad de la adenilato ciclasa, proteína membranosa que convierte el ATP en AMP cíclico, que es un efector positivo de la Protein Kinasa A. La unión del AMPc en las subunidades reguladoras de la PKa, hace que el tetrámero (2sub reguladoras y 2 sub catalíticas) por el que está formado esta proteína se separe, activando las subunidades catalíticas. La PKa, entonces, cataliza la reacción de fosforilación de la PFK2/FBPasa-2, que al fosforilarse queda inactivada la actividad catalítica de la función quinasa, por lo que se inactiva la glucólisis ya que no se activa en este caso la PFK que regula el paso de F6P a F1,6biP. Si se defosforila la PFK2/FBPasa-2 + Pi, entonces actuará la PFK2 formando fructosa2,6,biP y activando la vía glucolítica, lo que ocurre en situaciones de hiperglucemia. En estos casos, de alta concentración de glucosa en sangre, se estimula la secreción de insulina, hormona que se une a su receptor de membrana provocando una cadena de reacciones hasta activar la Proteín fosfatasa, enzima que cataliza la reacción de defosforilacion de la PFK2/FBPasa-2, que al estar desfosforilada actúa la quinasa, formando fructosa2,6,biP que a su vez es un potente activador de la PFK1 y se activa la vía glucolítica.
▪ PK. La piruvato quinasa es una enzima que regula la reacción de fosforilación a nivel de sustrato que convierte el PEP en Piruvato, obteniendo así ATP. Esta enzima puede encontrarse tanto en el hígado como en el músculo. Está sujeta a regulación alostérica donde los inhibidores son el ATP (Cuanto existe alta concentración de ATP en la célula, la velocidad de la reacción que cataliza esta encima disminuye, inhibiendo la glucólisis, ya que la Km aumenta y hay menos afinidad por el sustrato (PEP). Ocurre lo contrario cuando la [ATP] es baja), la Alanina, el ACoA y los ácidos grasos de cadena larga, mientras que los efectores positivos o activadores son la Fructosa-1,6-biFosfato. El precursor metabólico de la misma vía, activa por tanto reacciones siguientes. Solo la PK hepática (L) está sujeta a regulación por modificación covalente. La PK defosforilada es la enzima en su forma activa, mientras que con Pi está inactiva. Esta conformación dependerá de los niveles de [G] en sangre. Si son altos se sintetiza insulina y se activa la proteín fosfatasa, que cataliza la defosforilación por hidrólisis y activa la PK y así la vía glucolítica. Si la [G] es baja, el glucagon se une a su receptor activando la cadena de señales hasta activar la ProteínKinasaA, que regula la fosforilación de la PiruvatoKinasa, que estará es su estado inactivo, inhibiendo la vía glucolítica.
Curiosidad: en las células tumorales la actividad glucolítica está aumentada puesto que el HIF-1 es un efector positivo de esta.
GLUCONEOGÉNESIS.
▪ La gluconeogénesis es la vía metabólica mediante la cual se realiza la síntesis de novo de glucosa a partir de precursores un glucídicos, como pueden ser el lactato, el piruvato, los aminoácidos gluconeogénicos, el glicerol o el propionil-CoA. ▪ Vía anabólica. ▪ Se activa en condiciones de hipoglucemia (ayuno). ▪ Las enzimas gluconeogénicas son citosólicas en si mayoría, aunque hay algunas mitocondriales y una de membrana del retículo endoplasmático. ▪ Los principales órganos gluconeogénicos son el hígado y la corteza renal.
● Glucosa en sangre.
La gluconeogénesis se podría definir como el proceso contrario a la glucólisis, ya que en vez de degradar la glucosa, la sintetiza. Sin embargo, hay que tener en cuenta que no son procesos completamente inversos, ya que existen 3 reacciones metabólicas catalizadas por diferentes enzimas en cada vía, estas son las reacciones irreversibles o en las que se establecían puntos de control en la glucólisis.
Las enzimas específicas de la gluconeogénesis son:
- Glucosa-6-Fosfatasa (G6Pasa), que realiza el proceso inverso a la hexoquinasa. Defsforila a la glucosa-6- fosfato, liberando un Pi y obteniendo glucosa. Esta enzima se encuentra en el retículo endoplásmico en la cara luminal. - Fructosa-1,6 bisfosfatasa (F-1,6bisPasa), enzima citosólica encargada de catalizar la reacción que convierte a la F-1,6biP en F6P. (Realiza el proceso inverso a la PFK1 de la glucólisis). - La Piruvato Carboxilasa y la Fosfoenolpiruvato Carboxiquinasa, son dos enzimas mitrocondrial y citosólica respectivamente, que se encargan de catalizar la reacción que convierte el Piruvato en PEP, en dos etapas. Primero actual la Pir carboxilasa en una reaccion dependiente de ATP, dando lugar a oxalacetato, que mediante la PEPCK y gracias a la energía proporcionada por el GTP dará lugar al Fosfoenolpiruvato. (Reacción contraria a la catalizada por la Piruvato kinasa en la glucólisis PEP→Pirvato).
■ Gluconeogénesis desde piruvato.
1. Se necesita una enzima transportadora de piruvato, que permita el paso de este desde el citosol hasta el interior de la mitocondria. La alanina se convierte en piruvato mediante una reaccion de transaminación. Ya en este orgánulo, el Pir sufre una reacción de carboxilación en la que se convierte en oxalacetato (OAA). Esta reacción es posible gracias a la acción de la Piruvato carboxilasa, cuyo mecanismo de acción está basado en utilizar la biotina como centro de unión del CO 2. La unión del ATP en su dominio (a la Piruvato carboxilasa) favorece la unión del CO 2 a un la biotita (que a su vez está únida a un residuo de Lys de la Pir carboxilasa). Durante la reacción de carboxilación se cede el dióxido de carbono al piruvato que se convierte en OAA. Posteriormente el OAA se reduce a malato, mediante la malato DHG mitocondrial que utiliza el NADH+H+ como poder reductor. Esto ocurre ya que no hay un transportador del OAA al citosol, sino que es el malato el que es transportado al citoplasma. Una vez en este, ocurre la reacción inversa a la anterior, mediante una isoenzima, la malato DHG citosólica, que vuelve a regenerar el OAA y el poder reductor. El oxalacetato entonces es descarboxilado (desprendiendo CO 2 ) y fosforilado a expensas del GTP, gracias a la PEPCarboxiKinasa y convertido en Fosfoenolpiruvato, que ya continuará la vía gluconeogénica.
● Regulación coordinada GLUCONEOGÉNESIS/GLUCÓLISIS.
- Regulación alostérica. Normalmente, en la regulación recíproca de la gluconeogénesis y de la glucólisis, los efectores positivos de una de las reacciones actúan como efectores negativos en la reacción de la vía cotraria, de modo que una se activa cuando la otra se desactiva y viceversa. Así la regulación alostérica a nivel de la F-1,6-biPasa es recíproca de la PFK-1. La de la Piruvato Kinasa a su vez, es regulada por efectores negativos que en la PEPCK y en la Piruvato-carboxilasa son positivos. - Regulación hormonal. La regulación hormonal de la gluconeogénesis depende de las hormonas glucagón e insulina presentes. El glucagón es una hormona capaz de unirse a un receptor de la membrana de las células, que activa una cascada de señales aumentando la transcripción del gen que genera la PEPCK (regulación de la transcripción). ~ En situaciones de hipoglucemia , donde los niveles de glucosa en sangre son bajos, se segrega glucagón en el hígado. Esta hormona presenta un receptor en la membrana de los hepatocitos, al que se unirá provocando la activación de una proteína G, de la subunidad catalítica que a su vez activará la adenilato ciclasa, proteína capaz de convertir el ATP en AMPcíclico, que actúa sobre la Proteín Kinasa que regula la reacción de fosforilación de la PFK2-FBPasa2. La PKa, entonces, cataliza la reacción de fosforilación de la PFK2/FBPasa-2, que al fosforilarse queda inactivada la actividad catalítica de la función quinasa, por lo que se inactiva la glucólisis ya que no se activa en este caso la PFK que regula el paso de F6P a F1,6biP. Se activa entonces la F-1,6-biPasa, capaz de convertir la F-1,6-biP en F6P: gluconeogénesis activa. ~ En situaciones de hiperglucemia donde hay altos niveles de glucosa en sangre, se segrega la hormona insulina , que activa la glucólisis e inactiva la gluconeogénesis. La insulina es una hormona que se une a su receptor de membrana provocando una cadena de reacciones hasta activar la Proteín fosfatasa , enzima que cataliza la reacción de defosforilacion de la PFK2/FBPasa-2, que al estar desfosforilada actúa la quinasa, formando fructosa2,6,biP que a su vez es un potente activador de la PFK1 y se activa la vía glucolítica. Además la frutosa 6 fosfato producida durante la glucólisis es un efector positivo de la Proteín fosfatasa, por lo que en estos casos, la gluconeogénesis está inactiva.
Así, cuando la relación glucagón/insulina es alta se activa la gluconeogénesis, mientras que si es baja, lo hace la glucólisis. En situaciones de alimentación aumenta [G] y así lo hace la [Insulina], aumentando la actividad de las enzimas GlucoKinasa, PFK-1, y Pir-Kinasa (de la glucólisis). En situaciones de ayuno disminuye la [G] y también la de glucagón, por lo que se aumenta la actividad de las enzimas PEPCK y F-1,6-biPasa (de la gluconeogénesis) y se disminuye la actividad de las de la glucólisis.
DESTINOS DEL PIRUVATO.
Según las condiciones celulares , el piruvato generado en la reducción de la glucosa mediante la vía glucolítica, tendrá distintos destinos. ▪ Las condiciones aeróbicas , que suelen darse en células animales, vegetales y microorganismos aerobios, el piruvato se oxida a ACoA, metabolito que se integra en el ciclo de Krebs y que da lugar al proceso de respiración celular (cadena de transporte de electrones) y de fosforilación oxidativa. ▪ En condiciones de anaerobiosis , el piruvato sufre la fermentación. La fermentación láctica ocurre en el músculo, los eritrocitos (que no tienen mitocondrias) y en los microorganismos anaerobios. La fermentación alcohólica es llevada a cabo por las levaduras.
● Fermentación láctica. Se produce en las fibras musculares durante el ejercicio intenso (situación de hipoxia), en los eritrocitos y en los microorganismos anaerobios ( Lactobacilus, Streptococcus ), transforman el pirúvico en ácido láctico, regenerando también los NAD+, ya que utiliza los NADH formados en la glucólisis (así la enzima G3P-DHG puede ejercer su actividad catalítica). Es la denominada fermentación láctica. El láctico se puede reciclar en el hígado convirtiéndose en pirúvico (catalizado por la láctico deshidrogenasa) convirtiéndose finalmente en glucosa-6-fosfato. 2 CH 3 -CO-COO-^ + 2NADH + H+^ → 2 CH 3 -CHOH-COO-^ + 2NAD+^ (Fermentación lactica) C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pi + 2NAD+^ → 2 CH 3 -CO-COO-^ + 2ATP + 2H 2 O + 2NADH + 2H+^ (Glucólisis) C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pi → 2 CH 3 -CHOH-COO-^ + 2ATP + 2H 2 O
● Fermentación alcohólica. Mediante esta fermentación, realizada por microorganismos tales como las levaduras ( Saccharomyces cerevisiae ), se obtienen productos como el vino, la sidra, la cerveza o el pan. El piruvato es transformado en etanol, con formación de CO 2 y regeneración de NAD+, que servirá para mantener las reacciones de glucólisis (G3P-DHG). Esta transformación se produce gracias a una reacción intermedia en la que se forma acetaldehído. El piruvato se descarboxila a acetaldehído mediante la piruvato descarboxilasa, que tiene como cofactores el TTP y el Mg2+, desprendiendo CO 2. El acetaldehído da lugar a etanol en una reacción catalizada por la alcohol-DHG, donde se utilizan los NADH de la glucólisis regenerando los NAD+. 2 CH 3 -CO-COO-^ + 2NADH + H+^ → 2 CH 3 -CH 2 OH + 2NAD+^ + 2CO 2 (Fermentación alcohólica) C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pi + 2NAD+^ → 2 CH 3 -CO-COO-^ + 2ATP + 2H 2 O + 2NADH + 2H+^ (Glucólisis) C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pi + 2H+^ → 2 CH 3 -CH 2 OH + 2ATP + 2H 2 O + 2CO 2 El cofactor TTP, tiamina pirofosfato, es una coenzima que se forma a partir de la vitamina B1 (tiamina) unida a un grupo pirofosfato, ayudando a la catálisis de la primera reacción de descarboxilación.
En ambos casos el rendimiento energético es de 2ATP, los que corresponden a la glucólisis, ya que al no haber oxígeno, los NADH no pasan a la cadena respiratoria, sino que se utilizan para reducir el piruvato. Así se reciclan los NAD+, actuando la molécula de NADH/NAD+^ actuarán como reguladores de la glucólisis.
SISTEMAS LANZADERA.
El NADH es una coenzima transportadora de electrones y H+^ hacia la cadena respiratoria, pero la membrana interna mitocondrial es impermeable al NADH. El NADH generado en las reacciones enzimáticas citosólicas debe transportar los equivalentes de reducción a la matriz mitocondrial. Para ello existen sistemas lanzadera.
▪ Lanzadera de malato-aspartato. Transfiere los equivalentes de reducción al complejo I de la cadena respiratoria en las células del hígado, riñón y corazón. En esta primera lanzadera, el NADH cede sus protones al oxalacetato, molécula que al reducirse se transforma en malato (malato- DHG citoplasmática), regenerando los NAD+^ necesarios para el proceso glucolítico. El malato, puede atravesar las membranas mitocondriales, transfiriendo dichos protones al NADHmitocondrial que los cederá al complejo I de la cadena respiratoria. En este proceso el malato se oxida a OAA (malato-DHG mitocondrial). Pero el Movimiento de OAA mitocondrial al citoplasma para mantener este ciclo requiere la formación de aspartato (capaz de atravesar la membrana mitocondrial), que necesita grupo amino donado por el glutamato. El Asp sale de la mitocondria y entra en el citoplasma. A su vez el glutamato utilizado, genera desaminación de α-cetoglutarato (α-KG) que sale de la mitocondria también al citoplasma. Una vez en el citoplasma, el Asp y el α-KG se combinan formando de nuevo OAA y permitiendo que el ciclo continúe. ▪ Lanzadera glicerol-3-P Transfiere los equivalentes de reducción al CoQ y este al complejo III de la cadena respiratoria en las células del músculo esquelético y cerebro. El NADH cede sus protones a la DHAP, que se transforma en glicerol-3-P, regenerando los NAD+^ y con capacidad para
entrar en la mitocondria. En la MIM, encontramos una proteína, la Glicerol-3-P-DHG (una isoenzima de la que catalizaba la reacción anterior), capaz de captar dichos H+ que se los cede a una coenzima de FAD, que se transforma en FADH 2 y será la que realmente ceda estos equivalentes de reducción a la CoQ y al complejo III. El glicerol-3-P, al perder los H, se ha vuelto a transformar en DHAP que comienza de nuevo el ciclo de este sistema lanzadera. Así se regeneran los NAD+ necesarios para la reacción glucolítica catalizada por la GAH-3-P-DHG, que transforma el G3P en 1,3biP-glicerato.
TEMA 11. VÍA DE LAS PENTOSAS FOSFATO.
La glucosa, como ya hemos visto, en un glúcido que se encuentra en el organismo de los seres vivos, y
puede seguir diferentes vías. Una regenerativa, hacia glucógeno, y dos vías oxidativas o de degradación, la
de las pentosas fosfato en la cual nos centraremos, y la glucólisis (ya explicada).
La vía de las pentosas fosfato es una vía de degradación de la glucosa, que ocurre en el citosol y tiene como
objetivo formar NADPH y pentosas fosfato. El primer metabolito que se forma, el NADPH, interviene en la
síntesis de ácidos grasos, colesterol y esteroides, neurotransmisores y destoxificación. Las pentosas fosfato, en concreto la Ribosa-5-P participan en las síntesis de ARN y ADN, así como en la de ATP, FADH 2 , NADH y
coenzimaA.
La vía de las pentosas fosfato es importante en tejidos donde se necesita NADPH para la biosíntesis de
ácidos grasos, colesterol y esteroides (testículos, glándula adrenal, ovarios, tejido adiposo, hígado…); en
células en división que necesitan biosíntesis de ácidos nucleicos y en los eritrocitos para mantener el
glutation reducido (SH).
■ Fase oxidativa.
Se genera NADPH al oxidar Glucosa-6-fosfato hasta ribulosa-5-fosfato.
1. Reacción de oxidación dependiente de NADP+^ y catalizada por la G-6-P DHG, la cual hace que se desprenda un protón (H) de la G6P para formar 6-Fosfoglucono-δ-lactona, obteniendo NADPH. 2. Reacción de hidrólisis catalizada por una lactonasa, de
modo que se rompe el anillo formado por la 6-Fosfoglucono-
δ-lactona en el carbono 5, dando lugar a una cadena abierta
que termina en un grupo carboxilo – COO-, el 6-
Fosfoglucanato.
3. Reacción de descarboxilación oxidativa catalizada por la 6-Fosfoglucanato DHG, en la que el 6-Fosfoglucanato desprende el grupo carboxilo en forma de CO 2 y en la que se genera un NADPH, fomándose finalmente la ribulosa-5-P.
En esta fase, el balance neto es de 2NADPH, un CO 2 y una pentosa fosfato (Ribulosa-5-P), siendo la reacción
correspondiente a la fase oxidativa la siguiente:
G6P + 2NADP+^ + H 2 O → Ribulosa-5-P + 2NADPH + 2H+^ + CO 2
A partir de la Ribulosa-5-P comienza la fase no oxidativa, con dos precursores metabólicos que son Ribosa-5-
P o Xylulosa-5-P, ambas moléculas de 5 carbonos. Mediante la acción enzimática de la fosfopentosa
isomerasa, se obtiene la Ribosa-5-P, pero si la enzima que actúa es la fosfopentosa epimerasa, el metabolito
obtenido será la Xylulosa-5-P. Este proceso se denomina interconversión de las pentosas fosfato. En la vía
no oxidativa, como veremos a continuación, es necesaria una R-5-P y 2 X-5-P por lo que la vía oxidativa,
deberá estar multiplicada por tres, ya que estas pensotasas se obtienen a partir de la Ribulosa5-P.
3· (G6P + 2NADP+^ + H 2 O → Ribulosa-5-P + 2NADPH + 2H+^ + CO 2 )
Ribulosa-5-P → Ribosa-5-P (fosfopentosa isomerasa)
2 Ribulosa-5-P → 2 Xilulosa-5-P (fosfopentosa epimerasa)
● Importancia de la vía de las PP en los eritrocitos.
El NADPH actúa como poder reductor en los eritrocitos para mantener el glutation reducido. El glutation es
una molécula formada por tres residuos aminoacicos (un tripéptido), de glutamato, cisteína y lisina. Como
sabemos, a cisteína es un aa con un grupo – SH, que debe encontrarse reducido para mantener la integridad
de la membrana del eritrocito. El glutation, tiende a formar puentes disulfuro entre cisteínas con otros
glutatios, de modo que la molécula se oxida. Para mantenerla reducida se utiliza la glutation reductasa,
enzima que requiere el uso de poder reductor, obtenido del NADPH+H+. Así se consume el poder reductor y
se obtiene glutation reducido, que además de mantener la integridad de la membrana del eritrocito ayuda a
conservar el Fe2+^ del grupo Hemo de la hemoglobina en estado ferroso. Si esta reacción no se produce, el
glutation reducido disminuye en los eritrocitos y se produce la llamada anemia hemolítica.
+ NADPH+H+^ → 2· + NADP+
● Funcionamiento de la vía de las PP.
Depende de las condiciones y necesidades metabólicas de la célula.
▪ Células en división rápida: necesitan PP para la síntesis de
nucleótidos y ácidos nucleicos. Se necesita entonces mucha más ribosa- 5 - P que NADPH. La
ribosa- 5 - P se puede obtener mediante la acción de enzimas trascetolasas o transaldolasas que ejerzan su función sobre
metabolitos intermedios de la vía glucolítica. Se activa entonces
la glucólisis, la G pasa a G6P y ésta a F6P que se fosforila a F-
1,6biP y da lugar a DHAP y GAH- 3 - P. A partir de la F6P y del
GAP- 3 - P por la acción de dichas enzimas, se obtiene Ribulosa- 5 -
P, mediante reacciones inversas a las de la vía no oxidativa de las PP
▪ Las necesidades de NADPH y PP están equilibradas, por lo que dicha vía
se activa sólo hasta el final de la fase oxidativa, de modo que no se
alteran las cantidades de NADPH y PP.
▪ Se necesita NADPH para la biosíntesis de lípidos.
Se activa la gluconeogénisis tras la activación de la vía de las
pentosas fosfato, tanto la fase oxidativa que proporciona los
NADPH necesarios, como la fase no oxidativa que da lugar a las
PP (F6P y GAH- 3 - P) intermediaros de la vía gluconeogénica que
se activa para consumir estas pentosas, de modo que aporte a
la célula únicamente lo que necesita, que es poder reductor en
forma de NADPH.
▪ Se necesita NADPH y ATP.
No es necesaria la activación de la gluconeogénesis, si no al contrario, se activa la glucólisis que parte de los intermediarios
metabólicos creados en la vía de las pentosas fosfato, de este
modo, se obtiene tanto NADPH de la vía de las PP, como ATP
gracias a la incorporación de las pentosas a la vía glucolítica
hasta degradarse a piruvato.
● Regulación.
El principal punto de regulación de la vía de las pentosas
fosfato es el paso 1 de la fase oxidativa, es decir, sobre la
enzima que cataliza esa reacción que es la G6P-DHG. Si la
relación NADP/NADPH es alta, esta vía se activará puesto
que la célula necesita el poder reductor del NADPH.
- Malaria.
La actividad enzimática de la G6P-DHG está reducida en una parte de la población que vive en regiones con
malaria endémica, de modo que la vía de las PP está inactiva. Esta deficiencia enzimática protege a los
individuos que la poseen contra la enfermedad de la malaria ya que la viabilidad del parásito que produce la
enfermedad requiere que la vía de las pentosas fosfato en los eritrocitos esté activa para transmitirla.
- Glutation reducido y ROS.
El glutation reducido reduce las especies
reactivas de oxígeno. Las especies
reactivas del oxígeno son moléculas
capaces de provocar daños importantes
en órganos y tejidos. Para combatirlas el
organismo presenta medios de defensa entre los que se encuentra el sistema de
glutatión peroxidasa/glutatión reductasa. La glutatión reductasa es una enzima que
cataliza la reducción del glutatión oxidado
a glutatión reducido el cual será utilizado
por la glutatión peroxidasa para la
reducción del peróxido y de lipoperóxidos,
los cuales son especies reactivas del
oxígeno. Esta enzima juega un importante
papel en la defensa antioxidante y debido
a su presencia en los diferentes tejidos y
órganos está involucrada en la
fisiopatología de varias enfermedades.
La síntesis de glucógeno también es una vía citosolica, pero completamente diferente a la anterior. Las enzimas
posible la síntesis del polisacárido son por tanto citosólicas. UPD glucosa pirofosforilasa, glucógeno sintasa (punt
regulación), enzima ramificante y glucogenina.
1. UPD-glucosa-pirofosforilasa : La
uridindifosfato es la enzima que comienza el
proceso de gluconoegénesis. Siempre va
unida a un nucleótido: la molécula cederá el
residuo de glucosa al glucógeno que se esté
sintetizando. La G1P se une a la UTP mediante
una reacción de condensación del grupo
fosfato, y liberando dos Pi de esta. Se forma
así la UDP-glucosa (glucosa activada). El oxígeno cargado negativamente de la G1P actúa como nucleófilo: se pr
ataque nucleofílico al P de la UTP y se desplaza el Pirofosfato inorgánica que a continuación es hidrolizado por la
pirofosforilasa dando lugar a 2Pi.
2. La glucógeno sintasa se encarga de catalizar la
reacción de unión de los residuos de glucosa, cedidos
por la UPD-glucosa, al glucógeno ya sintetizado,
obteniendo así una cadena de glucógeno más larga
que crece por sus extremos no reductores. Sin
embargo, para que actúe dicha enzima, es necesaria
una cadena corta de residuos de glucosa (cebador,
primer). La glucógeno sintasa se encarga de la
elongación, pero antes debe haber actuado la
glucogenina.
3. Glucogenina.
Se trata de una proteína de 37kDa de peso. Posee actividad glicosil transferasa ya que se encarga de catalizar la
de la cadena de 8 residuos de glucosa sobre la que actuará la glucógeno sintasa. Cataliza la unión covalente del
glucosa de la UPD-G, con el residuo OH de la Tyr 194, desprendiéndose UPD y obteniendo la glucogenina unida a
primera glucosa. La Glucogenina forma un complejo con la glucógeno sintasa, y continua su actividad de la adici
secuencial de otros 7 residuos de glucosa procedentes de la UPD-G, hasta obtener el cebador o primer (8 G). Co
entonces la glucógeno sintasa a elongar la cadena, que con la acción combinada de la enzima ramificante forman
glucógeno. Se disocia la glucógeno sintasa cuando finaliza el proceso, sin embargo la glucogenina queda unida a
polisacárido en su zona central.
4. Enzima ramificante , encargada de transferir los residuos terminales del glucógeno de una rama a otra. Uni
mediante un enlace glucosídico 1 →6.
● Enfermedades relacionadas con el metabolismo del glucógeno.
- Enfermedad de Von Gierke: Deficiencia en la G6-fosfatasa (hígado): no se puede liberar la glucosa ya que no e transportadores GLUT para esta fosforilada, por lo que en situaciones de hipoglucemia no es posible liberarla a s
- Enfermedad de Cori: Deficiencia en la enzima desramificante, de modo que siempre habrá una estructura anorm glucógeno con 4 residuos de glucosa en las ramas.
- Enfermedad de Andersen: Deficiencia en la enzima ramificante, de modo que siempre habrá una estructura ano
glucógeno muy larga y sin ramificaciones.
REGULACIÓN DEL METABOLISMO DEL GLUCÓGENO.
Las enzimas sobre las que se ejerce la regulación de las rutas son principalmente la glucógeno fosforilasa y la glu
sintasa. El tipo de regulación puede ser: alostérica, covalente por fosf/desf y hormonal.
- Adrenalina o epinephrina : (catecolamina derivada de
Tyr) secretada por la médula adrenal en situaciones de
ejercicio intenso. Actua principalmente sobre la
degradación del glucógeno en el músculo (receptores β
adrenérgicos) (y en menor medida en el hígado)
liberando G6P que se degrada mediante la vía glucolítica.
El músculo no puede liberar glucosa a sangre ya que
carece de G6Pasa.
- Insulina : secretada por las células β pancreáticas en
situaciones de hiperglucemia, activando la síntesis de
glucógeno en el hígado.
- Glucagón : hormona polipeptídica secretada por las
células pancreáticas en situaciones de hipoglucemia, activando la degradación de glucógeno en el hígado. La G
convierte en G que se libera a la sangre mediante la (G6Pasa).
● Regulación de la glucógeno fosforilasa.
- Regulación alostérica, en el músculo se ve afectada por el ATP y la G6P (inhibidores) mientras que en el hígado
glucosa.
- Regulación covalente reversible, consecuencia de la regulación hormonal. La fosforilación de la fosforilasa kinas
que esta se active catalizando la fosforilación de la glucógeno fosforilasa a a glucógeno fosforilasa B. forma activ
activando la degradación de glucógeno. Cascada glucogenolítica. La defosforilación se produce por la proteín fosf
ambos casos.
- Regulacion hormonal, mediada por adrenalina en el músculo y por glucagón en el hígado.
La adrenalina se une al receptor en el m glucagón se une a su receptor en el hep que activa una proteína G gracias a la adenilatociclasa que convierte el ATP en AMPcíclico, activador de la PKA (tetráme inactivo: 2sub catalíticas y 2 reguladora activarse), encargada de fosforilar la fos quinasa en una reaccion dependiente de pasarla a su forma activa, para que a su ejerza su acción catalítica sobre la fosfo convirtiéndola en fosforilasa A, forma ac encargada de fosforilar al glucógeno obt así G1P.
Una pequeña cantidad de hormona, pue degradar todo el glucógeno del organism a la amplificación de señal. Cada molécu participante en la cascada de señales, a efector alostérico positivo de la siguient
amplificando esta mucho, y así sucesivamente, de modo que la reacción final está fuertemente activada.
La glucógeno fosforilasa es un homodímero formado por dos subunidades de 97kDa, cada una con un centro cata
donde predominan los aa Lys Arg y Gly. Lugar muy profundo, lo que dificulta el acceso de agua, por ello la ruptu
enlace 1 →4 no es por agua sino por fosfato, lo que permite una liberación de la G ya fosforilada (G1P) sin reque
El sitio de unión al glucógeno está caracterizado por residuo de fosforilado serina 14, y por un grupo Pi en cada s
Pueden bloquear o no el centro activo para imperdir el acceso o no de Pi regulando así la reacción de fosforolisis.
del equilibrio entre los estados Tb (tensa, inactiva) o Ra (relajada, activa).
● Regulación de la glucógeno sintasa.
- Regulación hormonal: si el glucagón y la adrenalina se encuentran presentes en la sangre y se unen a sus rece
respectivos, regulando la actividad de las PKA, de modo que se fosforila la fosforilasa kinasa y la glucógeno fosfo
activando la degradación de glucógeno; entonces se desactiva la glucógeno sintasa, ya que la PKA cataliza la fos
de dicha enzima, que en su forma fosforilada está en el estado inactivo por lo que no lleva a cabo su actividad ca
También se inactiva por fosforilacion de la GSK3 (glucógeno sintasa kinasa) que fosforila 3 residuos de serina y o
quinasas.
Sin embargo, la síntesis de glucógeno se activa cuando los niveles
de insulina en sangre aumentan. La insulina activa a la proteín
fosfatasa 1, que se encarga de defosforilar a la fosforilasa kinasa
que en su estado inactivo y defosforilado no ejerce su actividad
sobre la glucógeno fosforilasa, por lo que se inhibe la degradación
de glucógeno. También defosforila a la glucógeno sintasa, pero en
su caso, esta es la forma activa por lo que se potencia la síntesis
del polisacárido. La actividad de la PP1 consiste en una reaccion
de hidrólisis donde se libera un grupo fosfato.
La insulina se une a su receptor en el hepatocito, mediante una
Tyrosina, formando el complejo R-Tyr-K, que cataliza la
fosforilacion de la IRS, lo que lleva a cabo la activación de las
proteín kinasas, que por ejemplo inactivan al GSK3 de modo que ya no fosforila la glucógeno sintasa, por lo que se encontrará
defosforilada y activada para la síntesis de glucógeno.
Tras una comida rica en hidratos de carbono se activa la síntesis de glucógeno y se inactiva la degradación de gl
en hígado. La glucógeno fosforilasa pasa de su estado activo (A) a su estado inactivo y defosforilado (B), mientra
glucógeno sintasa para de su estado inactivo y fosforilado a su estado activo (A) aumentando su actividad catalít
ocurre porque la glucosa en sangre regula el metabolismo del glucógeno hepático, actuando como efector alosté
negativo y desplazando el equilibrio de la fosforilasa a activa (R) a su estado parcialmente inactivo (T).
La glucosa actúa como efector alostérico
negativo sobre la flucógeno fosforilasa
A, que la inactiva, sin embargo, hace
que se secrete insulina, que activa la
proteín fosfatasa 1. La acción de dicha
enzima, cataliza una reacción de
hidrólisis defosforillando la glucógeno
fosforilasa a y pasándola a su estado
totalmente inactivo. A su vez, ejerce la
misma reacción sobre la glucógeno
sintasa b, que cuando se defosforila
pasa a su forma activa: glucógeno
sintasa a, activando la síntesis de
glucógeno.
TEMA 13. RESPIRACIÓN CELULAR Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.
La respiración celular constituye el conjunto de reacciones de oxidación de los sustratos orgánicos que
ocurre en las mitocondrias, con el fin de obtener energía, y está constituida por tres estapas: producción de
AcetilCoA, oxidación del ACoA en el ciclo del ácido cítrico y la transferencia electrones a través de la cadena
de transporte electrónica de la membrana interna mitocondrial.
PRODUCCIÓN DE ACETIL-COA.
La formación de acetil-CoA no es exclusiva de la glucosa (a partir del piruvato generado en la glucólisis).
Otros sustratos orgánicos como los ácidos grasos y los aminoácidos se convierten en acetil-CoA y se oxidan
a través del CAC.
El piruvato generado en la glucólisis debe acceder desde el citosol a la matriz mitocondrial, gracias a una
proteína transportadora en la MIM. Una vez en la matriz mitocondrial, el piruvato se oxida a ACoA mediante
una descarboxilación oxidativa. Esta reacción es catalizada por el complejo piruvato deshidrogenasa que
está formado por tres enzimas:
- E 1 = Piruvato-DHG-tiaminpirofosfato, unida
covalentemente a su coenzima TPP
(tiaminpirofosfato: derivado fosforilado de la
tiamina o vitamina B1).
- E 2 = Dihidrolipoil transacetilasa (Acido
lipóico). Unido a un residuo de Lys mediante un
enlace amida. En su forma oxidada está
formando un anillo unido por un puente disulfuro, en su forma reducida no hay ciclo y hay extremos SH.
También puede encontrarse acetilada en uno de sus extremos.
- E 3 = Dihidrolipoil deshidrogenasa (FAD: puede presentarse oxidada o reducida)
Además son necesarias coenzimas libres como el NAD+, aceptor de los H, por lo tanto se reduce mientras
que el piruvato se oxida, y el SH-CoA.
▪ Modelo atómico del complejo Pi-DHG en E.coli.
- E 1 = tetrámero ( 2 β 2 ) formado por cuatro cadenas polipeptídicas. 6 tetrámeros en total: 6·4= 24 cadenas.
- E 2 = trímero ( 3 ) formado por tres cadenas polipeptídicas. 8 trímeros en total: 8·3= 24 cadenas. Los
mamíferos poseen dos ácidos lipoicos unidos a la dihidropoil transacetilasa; E.Coli, 3 y las levaduras, 1.
- E 3 = dímero ( β) formado por dos cadenas polipeptídicas. 6 dímeros en total: 6·2= 12 cadenas.
La piruvato DHG en mamíferos es más grande por poseer mayor número de cadena polipeptídicas, suele
tener E 1 entre 20-30, E 2 60 y E 3 6.
▪ Mecanismo. 1. Descarboxilación el piruvato y unión del acetilo como grupo hidroxietilo a la TPP del E 1. El anillo de lipolisina se encuentra oxidado.
2. Uno de los S del lipoico se une al acetilo, (el grupo hidroxietilo se transfiere a un sulfhidrilo del ácido lipoico) desplazándose este a la E 2. 3. La intervención de una molécula de CoA-SH, produce la liberación de AcetilCoA al reaccionar con el grupo acilo, liberándolo del anillo de la E 2 que se encontrará en su estado reducido. A partir de ahora se trata de restaurar el complejo enzimático. 4. Los H del anillo son transferidos a la coenzima FAD del E 3 , que se reduce a FADH 2. El anillo se restaura y se encuentra oxidado de nuevo. 5. Se produce la oxidación de la FADH 2 a FAD, debido a la acción de la coenzima NAD+^ libre que se reduce. El complejo Pi-DHG queda restaurado
para comenzar de nuevo el ciclo.
Inhibición de la Piruvato-DHG por envenenamiento con mercurio y arseniato, que tiene como consecuencia
de la inhibición de la respiración celular ya que no se produce la primera etapa.
El arseniato interacciona con los grupos sulfhidrilo del ácido lipoico formando un complejo con las sales de
arseniato de modo que no puede llevar a cabo su acción de unión al grupo acetilo que viene del piruvato
(paso nº 1 del ciclo). El antídoto 2,3-dimercaptopropanol (BAL) es una molécula con grupos sulfhidrilo más
