METABOLISMO Metabolismo de Glúcidos

Catabolismo y Anabolismo

CATABOLISMO

Nivel

• Rutas catabólicas y anabólicas no son idénticas – Razones energéticas – Razones de regulación • Es necesario controlar los flujos en función de las necesidades del organismo • Catabolismo y anabolismo transcurren simultáneamente regulados independientemente – A veces localización en diferentes partes de la célula • Se facilita la regulación

ANABOLISMO

1

POLÍMEROS Proteínas Ács. Nucleicos Polisacáridos Lípidos

2

MONÓMEROS Aminoácidos Nucleótidos Azúcares ÁcidosGrasos y Glicerol

3

INTERMEDIARIOS METABÓLICOS Piruvato Acetil-CoA Intermediarios de Krebs

Energía Energía

Producción Neta

Moléculas pequeñas sencillas H2O, CO2, NH3

Incorporación Neta

Metabolismo de Hidratos de Carbono • Principales rutas del metabolismo de los hidratos de carbono • Glicolisis – Fases I y II de la glicolisis – Incorporación de otros azúcares a la glicolisis – Regulación • Destinos del piruvato – Fermentaciones – Descarboxilación oxidativa • Rendimiento de la oxidación aerobia de la glucosa • Lanzaderas del NADH

• Gluconeogénesis – Glicolisis vs gluconeogénesis – Etapas diferenciales de la gluconeogénesis – Regulación glicolisis/gluconeogénesis – Ciclo de Cori • Metabolismo del glucógeno y su regulación • Efectos del glucagón y de la insulina sobre el metabolismo de los hidratos de carbono • Ruta de los fosfatos de pentosa

1º Etapa: Degradación de macromoléculas grandes a subunidades simples (exocelular) 2º Etapa: Clivaje de subunidades simples a acetil-CoA, acompañado por la producción de cantidades limitadas de ATP y NADH (citoplasmática, excepto el último paso)

3º Etapa: Oxidación completa de acetil CoA a H2O y CO2, acompañada por la producción de grandes cantidades de NADH y ATP (mitocondrial)

Enzimas Digestivas Poli. Oligo . Disac.

-AMI Glucosidasas

AMI Pancr

1-4 de polisac. h. 1-2 restos de ramif

Oligosac.: Maltotriosa, Maltosa, Dextrinas, Glc. Oligosacaridasas (rib. en cepillo), pH 6.0, Exo 1-4- -D-Glucosidasa (C4 no reductor) *Dextrinasa, Isomaltasa, Oligo 1-6-glucosidasa 16 y 1-4 *Sacarasa o β-Fructofuranosidasa ( 1-2 y 1-6) Lactasa o β-Galactosidasa Trehalasa 1-1 (insectos – hongos) HC no digeribles en monogástricos: Celulosa, inulina, agar, heteropolisacáridos vegetales (fibra) Lactosa (en algunos adultos H° = orientales y negros americanos)

Absorción de monosacáridos Ribete en cepillo y Membrana contraluminal / capilares

• • • • • •

D-Glc = 100% D-Gal = 110 % D-Fru = 43 % D-Man = 19 % D-Xil = 15 % D-Arab = 9 %

Glucostato hepático

Captación de Glc por las células Hay transportadores de membrana p/ D-Hexosas (glicoprots. de membrana de 4300055000 Daltons de PM. ) específicos y saturables 5 especies: Glut 1 – KM = 5-30 mM p/Glc (cerebro, muchos tejidos como placenta y enterocitos) Glut 2 - KM = 60 mM (Híg, β-Pancr, riñón, membrana basolateral intestinal) Glut 3 Glut 4 - KM = 2-5 mM p/Glc (tej. Adiposo blco y pardo, corazón y músculo esquelético) – Es estimulado por insulina, q’en 1-2’ incrementa su n° en la superf. Celular (translocación de transportadores de Glc Glut 4 desde un locus intracelular a la membrana plasmática) Glut 5 Hígado

Fosforilación intracelular de la glucosa (anclaje) Hexoquinasas (ATP-Mg++) I II III

Dímeros, PM 100.000 KM 40-170 uM D-Glc, D-Fru, D-Man, DGlcmina

IV

Monomérica, PM58000 Híg - D-Glc KM 5-12 mM

Destino de la glucosa dentro de las células procariotas y eucariotas. • Vocabulario Ej. GLUT,

hexoquinasas, glucólisis, gluconeogénesis, glucogenogénesis, glucogenolisis, etc.

Principales Rutas del Metabolismo de los Hidratos de Carbono

Glicolisis Via de oxidación de la glucosa se localiza en el citoplasma

Ruta de Embden-Meyerhof-Parnas

Glicolisis NAD+

NADH

Glucosa

Piruvato

C6

C3 ADP

ATP

Respiración Anaeróbica = Glicolisis + Fermentación

Fermentación NADH

Piruvato (C3)

NAD+ NADH

NADH NAD+

NAD+

Alcoholes de cadenas cortas, ácidos grasos (C2-C4)

ATP

Anaerobiosis • El oxígeno no es el aceptor final sino otra molécula que se reduce: Levaduras usan acetaldehido -> etanol Músculo usa piruvato -> lactato Estos productos son sustancias orgánicas y el proceso se denomina fermentación (ej. Microorganismos ruminales) y hay gran pérdida de energía.

NAD

NADH

Pyruvate

3CO2

(C3)

(C1)

Desc. del Pir y Ciclo de Krebs (intermediarios de C4-C6)

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa NADH

NAD

O2

H2 O

ADP

ATP

Respiración Aeróbica = Glicolisis + Descarboxilación Oxidativa del Piruvato + Krebs NADH FADH2 NAD+ FAD

CADENA RESPIRAT ACOPLAMIENTO

FOSFORIL.OXIDAT.

ATP

- O2

- O2 + O2 Fermentación a Alcohol en levaduras

Fermentación a Lactato en esfuerzos musculares, eritrocitos, otras células y algunos microorganismos

Animales, plantas y muchos microorganismos en condiciones aeróbicas

En cada paso, una enz. controla la reacción por reducción de la Ea barrera que tiene que ser vencida antes de que la reacción específica pueda ocurrir. El total de la energía libre desprendida ( G) es exactamente la misma en (A) y (B). Pero si el azúcar se oxidara a CO2 y H2O en un solo paso, como en (B), soltaría una cantidad de energía mucho más grande que la que podría capturarse para propósitos útiles.

A – Oxidación celular de azúcar en pequeños pasos

B – Quema directa del azúcar

Ea grande, superada por el calor del fuego

¿Cómo las células obtienen energía de los alimentos?

Energía libre

Ea pequeña, superada por la temperatura corporal Azúcar

Enzs. catalizan las oxidaciones en pequeños pasos, y la G es transferida en cantidades convenientes al ATP, NADH, etc

Azúcar

moléculas del transportador activadas

Toda la e se libera como calor y nada se almacena

GLUCÓLISIS • Citoplasmática. • 10 reacciones (2 etapas/fases), c/u c/reaccs cataliz x enzimas. • Transformar una molécula de glucosa (C6) en dos moléculas de ácido pirúvico (C 3). • Ganancia neta de 2 ATP y 2 NADH + H+

Fases de la Glicolisis

La glucosa es un combustible muy importante para la mayoría de organismos

Fase I Se consumen 2 ATP Fase II Se producen 4 ATP Rendimiento 2 moles ATP/mol glucosa

Primera parte • c/gasto de 2 ATP, para fosforilar la glucosa y la fructosa. • Al final se obtienen, dos moléculas de P-GALD, ya que la molécula de DHA-P (dihidroxiacetona-fosfato), se puede transformar en P-GALD.

Hexoquinasa Mg++ G°’ = -4Kcal/mol

Glc-Pato Isomerasa G°’ = +0,4Kcal/mol

Fosfofructoquinasa-1

Mg++ G°’ = -3,4Kcal/mol

Fosfofructoquinasa-1

ALD Clase I= Mamíferos, tetrámeros, PM 160000 (forman Base de Schiff c/ carbonilo)

Clase II= Bacterias, levaduras y hongos, dímeros, PM 65000 (+ Zn++, no forman Base de Schiff) G°’ = +5,7Kcal/mol

Triosa-Pato Isomerasa G°’ = +1,8Kcal/mol

Segunda fase • 2 moléculas de PGALD -> 4 moléculas de ATP y dos moléculas de NADH.

• Ganancia neta de dos moléculas de ATP.

Gliceraldehido 3-Pato DH G°’ = +1,5Kcal/mol

1° reacc. Conocida en la que se forma ATP c/E liberada en oxidación de 1 molécula- OH Warburg, años 30.

Entre el Gliceraldehido-3-P (Sustrato) y el grupo –SH de una cisteína de la Enz (Gliceraldehido-3-P-DH) se forma un enlace covalente. La Enz también se une No Covalentemente al NAD+ La oxidación del Gliceraldehido-3-P ocurre cuando 2 electrones + 1 átomo de H son transferidos al NAD+ Parte de la E liberada por la oxidación del aldehido es así almacenada en el NADH y parte queda en el enlace entre la Enz y su sustrato (unión tioéster de alta E)

Una molécula de Fosfato inorgánico desplaza el enlace de alta E de la Enz p/crear un enlace acil-anhidrido de alta E. El enlace P es transferido al ADP p/formar ATP Mucha de la E de oxidación ha sido almacenada en transportadores activos ATP y NADH.

Gliceraldehido 3-Pato DH G°’ = +1,5Kcal/mol

Fosfogliceratoquinasa G°’ = -4,5Kcal/mol

Fosfogliceratomutasa – Mg++ (c/Histidina fosforilada)

Interm.= 2,3-Bis-P-Glicerato + Hb (desoxiHb)#

G°’ = +1,1Kcal/mol

Enolasa + Mg++ o Mn++ G°’ = +0,4Kcal/mol

Piruvatoquinasa* Isomerasa

*Isoenzimas L = Híg y Riñón A = Tejs embrión M = múscular

G°’ = -7,5Kcal/mol

#Vía colateral: Mutasa Fosfatasa 1,3-Bis-P-Glicerato -------------------> 2,3-Bis-P-glicerato -----------------> 3-P-Glicerato + Pi

2 moléculas de ácido pirúvico • En estas moléculas se encuentra la mayor parte de la energía contenida en la glucosa.

Glucólisis: Etapas

Enlace enol Pato

PEP

Enlace anhidrido a 1 COO-

1,3Bisfosfoglicerato

Enlace de Pato en creatina Pato

Creatina-Pato (carrier activado q´almacena E en músculos

Enlace anhidrido al Pato

ATP cuando se hidroliza a ADP

(enlace fosfoanhidrido)

ATP+H2O->ADP+Pi = -30,5 kJ/mol-1 ATP+H2O->AMP+PPi = -30,5 kJ/mol-1 PPi+H2O ->2Pi = -19,2kJ/mol-1

Enlace fosfoéster

Tipo de enlace de fosfato

Glc-6-Pato -13,8 kJ/mol-1

Ej. Específicos q´muestran el cambio de E libre estándar para la hidrólisis del enlace fosfato

Destinos del Piruvato

- O2

- O2 +O2 Fermentación a Alcohol en levaduras

Animales, plantas y muchos microorganismos en condiciones aeróbicas

Fermentación a Lactato en esfuerzos musculares, eritrocitos, otras células y algunos microorganismos

Reoxidación del NADH – Eucariotas = Lanzaderas o trenes mitocondriales En anaerobiosis

En general: •Síntesis de Lactato (mamíf, hongos, protozoos, bacterias) •Fermentación alcohólica (algas, levaduras, vegetales) •Otros tipos de fermentaciones (bacterias) •Otros destinos del Piruvato (precursor en vías anabólicas) Mamíferos: Según estado del metab. Celular y disponibilidad de O2

•Producción de Lactato LDH =tetrámero, 140000 PM, 5 isoenz en animales superiores M4 y M3H KM bajos p/Piruvato MH3 y H4 KM altos p/Piruvato

Destinos del Piruvato (anaerob.) Dos alternativas p/degradar piruvato en condiciones anaeróbicas son: (1) A baja pO2, por ejemplo, en una célula muscular en ejercicio vigoroso, el piruvato producido por glucólisis se convierte en lactato. Esta reacción regenera el NAD+ (oxidado) que es necesario p/ser consumido en paso 6 de la glucólisis (rinde mucho menos E global que la oxidación completa). (2) En algunos organismos que pueden crecer anaerobicamente, como las levaduras, el piruvato se convierte vía acetaldehido en anhídrido carbónico y etanol. De nuevo, esta senda regenera NAD+ de NADH (necesario p/ permitir continuar la glucólisis). Ambos, (1) y (2), son ejemplos de fermentaciones.

El ácido pirúvico, formado en la glucólisis, se convierte anaeróbicamente en etanol.

Reacción enzimática que produce ácido láctico anaeróbicamente a partir de ácido pirúvico en las células musculares.

Destinos aeróbicos del Piruvato en la MITOCONDRIA Matriz mitocondrial, Hay 1 ADN circular y pequeños ribosomas que sintetizan un pequeño número de proteínas. Enzimas de la

ácido pirúvico que se descarboxila y se encuentran las enzimas del ciclo de Krebs ( Hans Krebs postuló esta vía metabólica en 1937 y oxidación de AG, aminoácidos,

luego recibió el premio Nobel) o de los ácidos tricarboxílicos, o ciclo del ácido cítrico. Membrana Interna: Los sistemas Red-0x del transporte de electrones se encuentran adosados a las crestas mitocondriales, el sistema de la fosforilación oxidativa (ocurre tanto en bacterias aeróbicas como en mitocondrias de células eucarióticas).

Descarboxilación Oxidativa del Piruvato 1) Descarboxilación exergónica 2) Formación de sulfoester de alta E con Lipoato 3) Transtiolación isoexergónica del acetilo desde el Lipoato al HS-CoA Enzima

Cosustrato prostético Sustrato soluble

Piruvato deshidrogenasa ó Pir. descarboxilasa

E1 TPP = Tiamina pirofosfato

Dihidrolipoil transacetilasa

E2 Lipoamida

Coenzima A

Dihidrolipoil deshidrogenasa

E3 FAD

NAD+

Otras enzimas con igual mecanismo: a)Alfa-cetoglutarato DH, b)Alfa-cetobutirato DH, c)cadena ramificada cetoácido DH

Resumen del máximo rendimiento energético a partir de la oxidación de una molécula de glucosa

Lanzadera del Glicerol-3-Pato Sistema activo en Híg y Tub Renales Glucólisis = 6 ATP

Lanzadera de Malato-Aspartato MDH citopl y mitocondrial GOT/AST citopl y mitoc Requiere E del gradiente de H+ de Cad Resp Glucólisis = 8 ATP

GLUCONEOGÉNESIS

Rata Ratón

Pollo Paloma

Efectos de la Insulina s/la glucemia Efecto Metabólico Captación de Glucosa (músculo) Captación de Glucosa (hígado) Glucogenogénesis (hígado, músculo)

Enzima blanco Portador de glucosa Glucoquinasa Glucógeno sintasa

Glucogenólisis (hígado, músculo)

Glucógeno fosforilasa

Glucólisis, producc. de acetil-CoA (hígado, músculo)

Fosfofructoquinasa-1

Síntesis de Acidos Grasos (hígado)

Acetil-CoA carboxilasa

Síntesis de triacilglicéridos (tejido adiposo)

Piruvato deshidrogenasa

Lipoprotein-lipasa

Derivacion de la glucolisis anaerobia Ciclo de Rapaport-Luebering

1,3 DPG -> 2,3 DPG 2,3 DPG -> 3-PGlicerato Catalizadas por una misma enzima, con doble funcion: MUTASA y FOSFATASA Importancia: • 2,3 DPG regula la función hemoglobínica, • y reservorio energético frente a situaciones como una disminución de pH intraeritrocitario c/merma en la glucólisis.

VIA DE LAS PENTOSAS FOSFATO

Esquema general de la Vía de las pentosas fosfato

NADPH -> reduce al glutatión y se utiliza en las reacciones de biosíntesis reductivas. Ribosa-5-Pato -> es precursor de nucleótidos, coenzimas y ácidos nucleicos. De lo contrario, la fase oxidativa recicla 6 moléculas de pentosa en 5 moléculas de Glc-6-Pato c/ producción de NADPH

Enzimas: Transcetolasas = TPP Transaldolasa c/ -NH2 de Lys (base de Schiff c/carbonilo de SEP)

C5 + C5 C7 + C3 C7 + C3 C6 + C4 C5 + C4 C6 + C3 3 C5 2C6 + C3

Rol regulador del NADPH Ribosa es reguladora también

Metabolismo del Glucógeno

GLUCOGENOGÉNESIS

Amilo 1,4 -> 1,6 transglucosidasa Enz. Ramificante Puntos de ramificación-1,6

Paso exergónico de la biosíntesis de glucógeno. Luis Leloir 1957. UDP-Glc + Glgeno -> Glgeno (n+1) + UDP G = -13,4 kJ.mol-1

Paso exergónico de la biosíntesis de glucógeno. Luis Leloir 1957.

Donador de glucosilo (c/E de Pirofosforilasa inorgánica)

Homotetrámero c/2 formas b= fosforilada menos activa a=desfosforilada activa Inhib.alostér.= ATP, ADP y Pi

Glicogenina q’ cataliza 2 diferentes reacciones: a)ataque inicial por el grupo –OH de la Tyr194 s/ C1 de UDP-glucosa q’ resulta en un residuo Tyr glicosilado. b)El C1 de otra UDP-Glc es atacado por el –OH del C4 de la Glc terminal. Secuencia que se repite 8 veces formando enlaces 1-4 glicosídicos (moléc. de glucógeno naciente) Estructura de la partícula de glucógeno: comienza por una molécula de glicogenina central, se extienden cadenas de 12-14 residuos en etapas. De c/cadena salen 2 ramas 1-6 glicosídicas. Hay 12 etapas de formación en una partícula de glucógeno maduro, alrededor de 55.000 residuos de Glc en 1 moléc. De

La glicogenina ceba la síntesis de glucógeno = glucosiltransferasa

UDPG

Del al –OH de la Tyr 194 (alarga +7 residuos de un cebador de glgeno) Estructura de glicogenina muscular (forma dimérica en solución). En H° hay 1 isoforma 2 en hígado. Las esferas rojas representan el sustrato UDPglc ligada a una hoja de Rossman cerca del AA terminal y del residuo Tyr194 (turquesa). Casa UDP-Glc está ligada por sus Patos a iones Mn++ (verde), esenciales p/la catálisis. La transferencia de la Glc desde el UDP parece tener 2 etapas: 1° ataque nucleofílico del Asp162 (naranja) y 2° ataque nucleofílico de la Tyr194.

GLUCOGENOLISIS

Enz: Dímero (subunid. Idénticas), regulable alost. y por modif coval.: fosforilación (Fa) y desfof.: (Fb) Inhib. Alostéricos: ATP, G6P y Glc (activ=AMP) Asoc. a Piridoxal-Pato (B6) q es el que porta el Pi

Glucógeno Gránulos 100-400 Å c 120.000 Glcs

C/ Enzs y proteínas reguladoras

1-2% del peso del músculo 10% del peso del hígado

Hidrólisis

Enzs: 1- Fosforilasa -> fosforólisis h. 5 resid. de ramificación (conformación R=activa y T=inactiva) 2- Enz. Desramificante = (1->4) transglucosidasa (glucosiltransferasa) de unid. triacáridas

3- Fosfoglucomutasa

4- Glc-6-fosfatasa (membrana del RE)

Pasa (REndoplásmico) Glc-6-P------------------------------ Glc + Pi T1 = transp. de glc-6-P desde el citosol al lumen T2 = transp. Spp de glc al citosol T2 = transp. Spp de Pi al citosol Glut2 = transportador de Glc en la membrana plasmática. Glc-6-fosfatasa (membrana del RE)

↑Glucemia

Destino de la Glucosa-6-fosfato producida en la Glucogenolisis