GLUCOLISIS Y CATABOLISMO DE LAS HEXOSAS

Principales vías de utilización de la glucosa en células deanimales y plantas superiores

• Glucólisis: vía central del catabolismo de la glucosa. Es casiuniversal

• La glucosa se degrada en una serie de reacciones catalizadasenzimáticamente. Productos finales: 2 piruvatos y 2 ATPs

En aerobios: D-glucosa CO2 y H2O ∆G°’= -2,840 kJ/moloxidación

• Células animales que utilizan glucólisis como única fuente de energía:eritrocitos, espermatozoides, cerebro

• Algunas plantas acuáticas y tejidos vegetales (tubérculos) quederivan su energía exclusivamente de glucólisis

• Algunos organismos anaerobios son enteramente dependientes deglucólisis

GLUCOLISIS Y CATABOLISMO DE LAS HEXOSAS

•Fermentación: degradación anaeróbica de glucosa uotros nutrientes orgánicos para obtener energía enforma de ATP

•Secuencia de reacciones se ha conservado durante laevolución de fermentación a glucólisis

•Diferencias en la glucólisis entre especies: regulación,destino del piruvato formado

Sigue……

Glucólisis: Fase preparatoria

Hexoquinasa/glucoquinasa

*Fosfofructoquinasa

- 2ATP

Glucólisis: fase de beneficios

Piruvatoquinasa

4 ATP2 NADH

Conteo final:

2ATP y 2 NADH

Transformaciones químicas durante la glucólisis:

1. Degradación del esqueleto carbonado de laglucosa a piruvato

2. Fosforilación de ADP a ATP

3. Transferencia de H+ (electrones) al NAD+

NADH

ACARREADORES DE ELECTRONES

IMPORTANTES EN EL METABOLISMO

• NAD: nicotinamida adenin dinucleótido

• NADP: nicotinamida adenin dinucleótido fosfato.Ambos acarrean H y electrones en reacciones de

oxido-reducción. Contienen niacina.

• FAD: flavin adenin dinucleótido. Coenzima dealgunas enzimas de oxidación-reducción. Contieneriboflavina (vitamina B2)

Posibles destinos catabólicos del piruvato formado en la glucólisis

Destino del Piruvato

Catabolismo:

1. Los electrones de las oxidaciones pasan al O2 a través de unacadena de acarreadores en la mitocondria,dando como productosfinales la formación de H2O y síntesis de ATP

2. Reducción a lactato: formación de ATP en condiciones anaeróbicas(hipoxia en músculo en contracción vigorosa) o aeróbicas (retina,cerebro, eritrocitos)

3. Fermentación alcohólica: En algunos tejidos vegetales, invertebrados,protistas y otros microorganismos anaerobios. Productos finales sonetanol y CO2

Anabolismo:

Provee esqueleto de C para diversas reacciones de síntesis

Datos energéticos:•Formación de ATP acoplada a glucólisis

(1) Glucosa + 2 NAD+ 2 piruvato + 2 NADH + 2 H+

(2) 2 ADP + 2Pi 2 ATP + 2 H2O

•Energía que permanece en piruvato:

Oxidación completa Glu CO2 y H2O

Glucólisis: Glu 2 piruvato

∆G°’= -2, 840 kJ/mol

∆G°’= -146 kJ/mol

5.2% energía total liberada

∆G°’= -146 kJ/mol

∆G°’= 2(30.5)=61 kJ/mol

∆G°’total= -85 kJ/mol

94.8% energía permanece enpiruvato

Importancia de los intermediarios fosforilados

1. Los grupos fosfato se ionizan a pH 7, adquiriendo una carganegativa que les impide atravesar libremente la membranaplasmática. No se requiere entonces mayor gasto energéticopara retenerlos dentro de la célula

2. Los grupos fosforilo son componentes esenciales en laconservación enzimática de la energía metabólica.

3. La energía de enlace que resulta de la unión de gruposfosfato al sitio activo de una enzima provoca la disminución dela barrera de de activación e incrrementa la especificidad de lasreacciones enzimáticas.

Los intermediarios son canalizados entre enzimas glicolíticas

Destino del piruvato bajo condiciones aeróbias y anaerobias

NAD+ es aceptor de electrones, sin él no puede continuar la oxidación

En condiciones aerobias el NAD+ se regenera durante lafosforilación oxidativa

En condiciones anaerobias: el NADH transfiere sus electrones a otrosaceptores y se producen productos finales reducidos como lactato y etanol

Piruvato: aceptor final de electrones enla fermentación láctica

Glucosa

2 Piruvato 2Lactato

2 NAD+

2 NADH

Aplicaciones: producción de queso o yogourtMicroorganismos fermentadores: lactobacilos y estreptococos

Ciclo de Cori:

En condiciones dehipoxia

Etanol es el producto reducido en la fermentación alcohólica

*En microorganismos fermentadores (ej: levadura)

*

TTP (tiamin pirofosfato): Coenzima derivada de vitamina B1

QUE BACTERIA FERMENTAALMIDON PARA FORMARBUTANOL Y ACETONA?

Cuantos ATPs en total se gananen la fermentación láctica yalcohólica?

Otras vías que alimentan la glucólisis

Glucógeno y almidón son degradados por fosforólisis

Degradación de glucógeno porenzimas desramificantes

Continúa…

Glucosa 1-fosfato

Glucosa 6-fosfatoFosfoglucomutasa

Otros monosacáridos entran la vía glicolítica en varios puntos

Fructosa: fosforilada por hexoquinasa en intestino delgado de vertebrados.Via principal de entrada a glucólisis en músculos y riñón.

Fructosa en hígado: fosforilada por fructoquinasa, seguido por rupturaenzimática a gliceraldehído y dihidroxiacetona fosfato

Galactosa

Su deficiencia es la causa de lagalactosemia humana

Los polisacáridos y disacáridos de la dieta son hidrolizados a monosacáridos

•Digestion de almidón: en boca (a-amilasa), luego en intestino delgado(amilasa pancreatica) que produce principalmente maltosa y dextrinas.

•Digestión de glicógeno: misma vía.

•En intestino delgado: microvellosidades que aumentan la superficie deabsorción, contienen enzimas que degradan maltosa y dextrinas.

•Disacáridos deben ser hidrolizados a monosacáridos por enzimas ligadasa las células epiteliales del intestino antes de poder entrar a ellas

Lactosa D-galactosa D-glucosa+Lactasa

La glucólisis está sujeta a una regulación estricta

•Efecto Pasteur: el consumo de glucosa bajo condiciones anaerobias esmucho mas alto que en condiciones aerobias

•Explicación bioquímica: la cantidad de ATP producida en la glucólisisbajo condiciones anaerobias (2 moléculas de ATP/glucosa) es muchomenor que la cantidad de ATP producida bajo condiciones aerobias (30 o32 moléculas de ATP/glucosa). Por ello, se deben consumir alrededor de18 veces mas de glucosa bajo anaerobiosis para obtener la mismacantidad de ATP

•Objetivo de la regulación del paso de glucosa hacia la glucólisis:mantener los niveles de ATP constantes, así como el de losintermediarios glicolíticos que sirven como precursores biosintéticos.

En glucólisis se regula por medio de dos enzimas alostéricas: PFK-1 ypiruvato quinasa.

Cambios fisiológicos:

actividad muscularCambio depatronesmetabólicos

Cambio del flujode carbohidratos(reservas ofuentesexternas) a laglucólisis

[ATP ]constante

Como?Regulación de enzimasclave (músculo ehígado)

Disponibilidad de O2

Ingesta de carbohidratos

*Flujo de glucosa haciaglucólisis es reguladosegundo a segundo pormodificación alostérica deenzimas glicolíticas clave

La glucólisisestá sujeta a unaregulaciónestricta

Señales: fluctuacionesen las concentracionesde metabolitos claveque reflejan el balancecelular entre laproducción de ATP y suconsumo.

Hexoquinasa/glucoquinasa

*Fosfofructoquinasa

Piruvatoquinasa

Glucógeno fosforilasa

Principios generales de la regulación de vías metabólicas

Enzimas reguladoras: funcionancomo válvulas, por lo que la velocidadde la vía depende de su actividad

Características•Catalizan la reacciónlimitante de la vía

•Reacciones limitantes sonexergónicas (irreversibles)

•Blanco de la regulaciónmetabólica

•Localizadas en puntos críticosde la vía metabólica

•Regulación de enzimasalostéricas es el nivelprimario de regulación delmetabolismo celular

La regulación delas enzimasalostéricas estádado pormoduladoresalostéricos o porhormonas

Regulación en vías comunes de anabolismo y catabolismo

A

B

C

D

CatabolismoAnabolismoReacción reversible,común a ambasvías

En vías pareadas anabólicas-catabólicas•Hay enzimas comunes (reacciones reversibles)

•Estrategia de control: se emplea al menos una reaccióncatabólica diferente a la usada en el paso homólogo en la víaanabólica. Este paso es catalizado por enzimas diferentes:Puntos de regulacion en donde la reacción es enzima-limitantee irreversible

Ventaja:Se produce una regulación separada del flujo de la vía en cadadirección, evitando los ”ciclos futiles”

El mismo metabolito queenciende una via, apaga laotra simultaneamente!!!!

Ejemplo: glucólisis y gluconeogénesis

Para evitar ciclos futiles, hay un control alostéricorecíproco

Fructosa 2,6-bifosfato Fructosa2,6-bifosfato

Glucagón: hormona liberada por el páncreaspara dar la señal de glucosa sanguínea baja

Niveles de fructosa 2,6 bifosfato en hígado glucólisis

gluconeogénesisLiberación de

glucosa a la sangre

El mismo metabolitoque enciende unavia, apaga la otrasimultaneamente!!!!

La fosfofructoquinasa-1 está bajo una regulación alostérica compleja

La hexoquinasa es inhibida alostéricamente por su producto

Isozimas: proteínas diferentes que catalizan la misma reacción

Hexoquinasa (en hígado): glucoquinasa

Hexoquinasa músculo : 1/2 saturación = 0.1mM

Glucoquinasa es inhibida por fructosa 6-fosfato!!!!

Glucoquinasa hígado: 1/2 saturación =10 mM

Cuál será la principalconsecuencia biológica dela diferencia de afinidad delas isozimas por elsustrato?

Explíquelo utilizando elejemplo de hexoquinasa yglucoquinasa

La piruvato quinasa es inhibida por ATP

ATP, acetil CoA, acidos grasos de cadenalarga

La glucógeno fosforilasa es regulada alostérica y hormonalmente

Glucógeno fosforilasafunciona como un sensor deglucosa en el hígado

glucagón

epinefrina

Regulación del metabolismo de la glucosa: diferente en el músculoy en el hígado

Objetivos:

Músculo: producción de ATP

Hígado:Mantener nivel de glucosa sanguínea constante

Producir y exportar glucosa a tejidos, dependiendo de la demanda

Importar y almacenar glucosa cuando hay exceso en ladieta

La diabetes es un defecto en la producción de la insulina o en su acción

Diabetes mellitus:

Formas clínicas más comunes:

•Diabetes mellitus insulino-dependiente (tipo I) ojuvenil•Diabetes mellitus no dependiente de insulina (tipo II) o deladulto

•Causada por una deficiencia en la secreción o en la acción de la insulina.

•Grupo de enfermedades en las que la actividad reguladora de la insulina esdefectuosa.

Diabetes mellitus insulino-dependiente (tipo I):

•Aparece en edad temprana y se vuelve severa

•Requiere terapia de insulina para mantener el balance entre ingesta deglucosa y su utilización

Diabetes mellitus no dependiente de insulina (tipo II):•Se desarrolla mas tarde en la vida. No es tan severa, se desarrollagradualmente y a veces puede pasar desapercibida

•Puede controlarse con la dieta

•Pacientes obesos, con diabetes moderada, tienen una tolerancia a la glucosacasi normal, pero se alcanza a costa de secretar niveles de insulina muy altos.La secreción de insulina es tardía en comparación con individuos normales

•El número de receptores para la insulina en las membranas de las célulasde personas obesas con intolerancia a la glucosa es bajo. Por ello sonrefractarios a la acción de la insulina

Receptor de la insulina

VIA DE LA PENTOSA FOSFATO Ó VIA DEL FOSFOGLUCONATO

Reaccionesoxidativas

Productos finales:

•Acarreador químico de poder reductor, usado casi universalmentecomo reductor en las vías anabólicas. Sirve para reducir enlacesdobles y grupos carbonilos en los intermediarios de los procesossintéticos.•En mamíferos es especialmente importante en tejidos que sintetizanactivamente ácidos grasos y esteroides (glándula mamaria, cortezaadrenal, hígado y tejido adiposo). Tejidos que no sintetizan ácidosgrasos (ej: tejido muscular) usualmente no tienen la vía de la pentosafosfato

1. NADPH:

2. Pentosas (especialmente D-ribosa-5-fosfato):•Biosíntesis de ácidos nucléicos (acelerado en tejidos en crecimiento oregeneración, tumores)

VIA DE LA PENTOSA FOSFATO Ó VIA DEL FOSFOGLUCONATO

Reacciones nooxidativas

Producto final: convertir 6 pentosas (5C) en 5 hexosas (6C),producción de NADPH en tejidos que no requieren ribosa- 5 fosfato

•En eritrocitos el NADPH producido en la vía oxidativa es esencial paraproteger a las células del daño oxidativo