Tema 21.-Degradación de carbohidratos. Introducción al metabolismo. Digestión de carbohidratos. Transporte celular de glucosa. Glucolisis. Rutas del piruvato. Regulación de la glucolisis. Degradación de otros monosacáridos. Piruvato deshidrogenasa: regulación. Ruta de las pentosas fosfato.
Glucolisis. Uso de la Glucosa por las Células
Glucosa Principal Nutriente: Energia libre de combustión completa -2840 Kj/mol
Destinos de la glucosa en la célula
semiacetal
Lehninger 4th ed Ch 7
Glicolisis = lisis (rotura) gluco (dulce) Rotura de los glucidos
Puede tener lugar en anaerobiosis o en presencia de oxígeno
Es la ruta metabólica probablemente más antigua (más de 3500 millones de años), antes de la existencia de oxígeno atmosférico.
El producto final de la glucolisis en anaerobiosis es un derivado del piruvato: etanol (fermentación alcohólica) o lactato (fermentación láctica)
Louis Pasteur descubrió en 1856 la fermentación alcohólica (cerveza, vino, pan)
Buchner - 1897 – Fermentacion en extractos celulares.
Harden/Young - 1905 Fosfato estimula la fermentacion de glucosa.
Las reacciones individuales de la glucolisis se descubrieron en 1930-1940, por Embden, Meyerhof y Otto Warburg. Se llama también: ruta de Embden-Meyerhof.
Glucolisis
Louis Pasteur Eduard Buchner
Las reacciones individuales de la glucolisis se descubrieron en 1930-1940, por Embden, Meyerhof y Otto Warburg. Se llama también: ruta de Embden-Meyerhof.
La glucolisis transcurre en el citosol.
Otto Warburg
La glucolisis tiene dos fases:
Fase de gasto de ATP: 2 ATP por glucosa
Fase de formación de ATP y NADH: 4ATP y 2NADH por glucosa
Productos finales: 2 triosas-P
Productos finales: 2 piruvato
Mathews3eCh13
Mathews3eCh13
Fase de gasto de ATPHK
ΔG= -33kj
Fosfoglucosa isomerasa/ fosfohexosa isomerasa
ΔG= -2.3kj
PFK (PFK1)
ΔG= -22kj
Aldolasa
ΔG= -1.3kj
Mathews3eCh13
1
2
31
4
5
66
A partir de aquí
3C = 4C
2C = 5C
1C = 6C
Triosafosfato isomerasa
ΔG = 2.5kj/mol
Fase de generación de ATP y NADH
Oxidación del carbonilo en 1C a carboxilo: transferencia 2H a NAD+
acoplada a la incorporación de Pi: endoergónico en condiciones standardpero no en la célula
ΔGº’= 6,3kj/mol
ΔG = -3kj/mol
Mecanismo de la Gliceraldehido-3-fosfato Deshidrogenasa (GAPDH)
Mathews3eCh13
Oxidación del tiohemiacetalal tioester
La energía de hidrólisis del tioéster se mantiene en el acil-fosfato
SH GAPDH tiene un tiol de una cisteina en su centro activo
1
Union del tiol y aldehído: tiohemiacetal
2
Inhibición de glucolísis por iodoacetato: se debe a alquilación de GAPDH. Inactivación de GAPDH inhibe la glucolisis:
GAPDH-SH + ICH2-COOH GAPDH-S-CH2-COOH + HI
Lehninger 4th ed Ch14-7, p530
Gliceraldehido-3P-DH
3fosfoglicerato quinasa: fosforilación a nivel de sustrato
Fosfoglicerato mutasa:
3-PG [2,3PG] 2PG 2,3bisPG (2,3BPG) es in intermediario de la reacción, presente en cantidades muy pequeñas
Fase de Generación de ATP y NADH
Mathews3eCh13
ΔG = 2,6kj/mol
ΔG = 1,6kj/mol
Fosfoglicerato Mutasa
Fase de generación de ATP y NADH
Mathews3eCh13
Enolasa: Eliminación de agua
ΔG = -6,6kj/mol
Piruvato quinasa: fosforilación a nivel de sustrato
ΔG = -33 kj/mol
Balance hasta aquí:
glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD → 2pir + 2ATP + 2NADH
Entrada de metabolitos en la glucolisis: Glicerol
Glycerol-P DH: hay dos enzimas: la citosólica, que forma NADH y la mitocondrial que forma FADH2 (lo veremos al hablar de las lanzaderas de NADH)
Entrada de otros monosacáridos a la glucolisis: fructosa y galactosa
HK es inespecífica de sustrato
Stryer5eCh16
Entrada de la Fructosa en hígado
Gal-1-P + UDP-gluc → UDP-gal + gluc-1-PGal-1-P uridil transferasa
UDP-gal UDP-glucosaUDP-gal 4 epimerasa
UDP-gluc + Gal-1-P UDP-gal + gluc-1-PGal-1-P uridil transferasa
Gluc-1-P Gluc-6-PFosfoglucomutasa
Entrada de la galactosa en la glucolisis
Entrada de disacáridos: se hidrolizan en la pared intestinal
Maltasa maltosa → 2glucosa
Lactasa lactosa → glucosa + galactosa
Sacarasa sacarosa → fructosa + glucosa
Intolerancia a la lactosa: pérdida de lactasa (en la edad adulta)
Microorganismos del colon utlizan lactosa formando ac. láctico y los gases metano e hidrógeno (molestias intestinales)
Galactosemia: falta congénita de Gal-1-P uridil transferasa. Ictericia, cirrosis, cataratas, retraso mental.
Tratamiento: eliminación de lactosa en la dieta.
Destinos del piruvato:
Aerobio: acetil-CoA y ciclo de Krebs
Anaerobio: Fermentaciones: Necesidad de recuperación del NAD
Stryer5eCh16
Fermentación láctica (Lactobacillusyoughourt, músculo)
Glucosa + 2ADP + 2Pi 2lactato + 2ATP
Fermentación alcohólica
Destino del piruvato en anaerobiosis
Glucosa + 2ADP + 2Pi 2etanol + 2CO2 + 2ATP
Lehninger 4th ed Ch14
Isoenzimas de lactato deshidrogenasa:
Subunidades M (músculo) o H (heart, corazón)
Composición: tetrámero M4, M3H, M2H2, MH3, H4
M4: funciona sobre todo en la producción de lactato (fermentativa)
H4: funciona sobre todo en la utilización de lactato (oxidativa)
Piruvato descarboxilasa de levaduras, bacterias
utiliza TPP como coenzima. Es una alfa-descarboxilación no oxidativa
distinta de la PDH (que cataliza la descarboxilación oxidativa de piruvato con transferencia a CoA)
Alcohol DH: no sólo en levaduras, también en hígado. Necesaria para metabolismo de etanol en la dieta.
“Deuda de oxígeno”
Piruvato descarboxilasa.
Coenzima: Tiamina pirofosfato como coenzima de alfa-descarboxilaciones
CH3-CO-COOH → CH3-CHO +CO2
R1-CO-COOH→R1-CO-CoA + CO2
R3-CO-CHOH-R4 →
R3-CO-CHOH-R5
Piruvato descarboxilasa
Piruvato deshidrogenasa, αKGDG
Transcetolasa
tiazol
Lehninger 4th ed Ch14
Stryer5e
La reacción de la piruvato decarboxilasa tiene al acetaldehido activo unido a TPP (hidroxietil TPP) como producto intermedio
Piruvato
CO2 CH3-CHO
TPP
Lehninger 4th ed Ch14
Piruvato descarboxilasa
La descarboxilación da un carbaniónestabilizado por resonancia, gracias a que el tiazolio actúa como “sumidero de electrones”
Producto de la adición del TPP carbanion al piruvato
Protonación para formar hidroxietil-TPP
Liberación del acetaldehido y regeneración del TPP
Descarboxilación
Lehninger 4th ed Ch14
Problema:
1 Suministras glucosa marcada en su 4C con 14C a unas levaduras y estudias la aparición de lactato radioactivo. Qué carbono del lactato estará marcado?
El COOH
El CHOH
El CH3
2 Suministras glucosa a una preparación de hepatocitos tratados con iodoacetato. Indica qué metabolitos de los siguientes esperas que reduzcan sus niveles:
Fructosa 1,6 bifosfato
Piruvato
1,3 bisfosfoglicerato
gliceraldehído 3P
Regulación de la glucolisisEfecto Pasteur- Inhibición de la glucolisis por oxígeno
Disminución de metabolitos debajo de F6P
Estimulación de la glucolisis en tumores*
Pasos limitantes de la glucolisis: reacciones de no equilibrio, ΔG alejado de 0:
Hexoquinasa ΔGº’ = -20kj/mol, ΔG = -33kj/mol
PFK1 ΔGº’ = -17kj/mol ΔG = -25 kj/mol
PK ΔGº’ = -31.4 kj/mol ΔG = -33 kj/mol
Mecanismos de Regulación:
• Control alostérico por metabolitos de la vía – inhibición “feed-back”, activación “feed-forward”
• Modificación Covalente (interconversión enzimática)
• Variación de niveles: Síntesis/Degradación
Regulación Fosfofructoquinasa PFK (PFK1) y PK
Inhibición por ATP “feed-back”
Mathews3eCh13 Stryer5eCh16
Moduladores
Activación por F-1,6-BP es “feed-forward”
Hekoquinasa y glucoquinasa:
Diferencias en afinidad, especificidad e inhibición por producto.
HK Alta afinidad por glucosa, pero poca especificidad. También puede fosforilar otros monosacáridos. Se inhibe por su producto: glucosa-6-P
GK: mucha menor afinidad, pero mucha mayor especificidad para la glucosa. No se inhibe por G-6-P.
HK: está en todos los tejidos
GK: sólo en hígado y células beta-pancreáticas productoras de insulina
Función de GK: Metabolismo de grandes dosis de glucosa que llegan del intestino. En el pancreas es esencial para la secreción de insulina. Su falta causa diabetes.
El efecto Pasteur se debe a la inhibición de la PFK (PFK1) en presencia de oxígeno:
La formación de ATP aumenta en presencia de oxígeno.
El aumento de la razón ATP/ADP inhibe la PFK y PK.
Inhibición de PFK produce acumulacion de G-6-P e inhibición de HK
Ejercicio –musculo/reposo ATP, citrato
Hígado – ayuno/alimentación, F2,6 bisP (F-2,6-BP)
La entrada de glucosa en las células por difusión facilitada por los GLUT es una etapa reguladora adicional de la glucolisis
Ext
Citosol
Stryer5eCh16
GLUT2 también está en el intestino, membrana laterobasal, y coopera con el transportador de glucosa dependiente de Na en la salida de la glucosa desde el intestino a la sangre.
Lehninger 4th ed
La glucolisis se estimula y la actividad mitocondrial disminuye en tumores(Otto Warburg)
Stryer5eCh16
Las células cancerosas crecen más deprisa que los vasos: hipoxia
VEGF=vascularendotelial GF
PDH. Resumen de los pasos entre Piruvato y Acetil-CoA
Destino del piruvato en aerobiosis: piruvato deshidrogenasa
CH3|C= O|
Acetil-lipoamida
Lipoamida
Oxidación
TPP
CH3|
H - C - OH|
Hidroxi etil-TPP
Descarbo-xilación
CO2
CH3|
C=O|
HOC=O
Piruvato
Piruvato + NAD+ + CoA → CO2 + acetil-CoA + NADH + H+
CH3|C= O|
Acetil-CoA
Transferencia a CoA
CoA
Entrada a la mitocondria con un protón (electroneutro)
Coenzimas que participan en el complejo piruvato deshidrogenasa (PDH)
Coenzima A
Se une a la proteina por un enlace amida: lipoamida
Stryer5eCh14
TPP
TPP|CHOH|CH3
CH3-CO-COOH
CH 3
|CO
|
HS S
| |
HS
SH
| |
S −
S|
|
CoA-SH
H3C-CO-SCoA
Lys
FADFADH2
NAD+
NADH + H+
CO2
Complejo piruvato deshidrogenasa
E2
E3
E1
E1 Piruvatodeshidrogenasa
Reacciones 1 y 2
E2 Dihidrolipoiltransacetilasa
Reacción 3
E3 Dihidrolipoildeshidrogenasa, reacciones 4 y 5
1 22
3
4
5
El complejo PDH tiene 3 tipos de subunidades: E1, E2 y E3.E1 une TPP y cataliza la descarboxilación del piruvato y transferencia de acetilo a acido lipoicoE2 une ac lipoico /lipoamidaE3 une FAD
Destino del piruvato en aerobiosis: piruvato deshidrogenasa
Piruvato + NAD+ + CoA → CO2 + acetil-CoA + NADH + H+
12 E3, (6x2)en los centros de las caras
8x3 =24
24 E1 (3x8) en los vértices
PDH: estructura. La cadena lateral de la lipoamida permite su movimiento de una a otra subunidad
Stryer5eCh17
E2 (dihidrolipoil transacetilasa) tiene dominios de union de lipoamida (1-3, dependiendo de las especies), acetiltransferasa y de interaccion con E1 y E3
PDH de E.coli
Coenzimas que participan en la PDH: relación con vitaminas del complejo B
TPP. La tiamina es la vitamina B1. Su falta ocasiona el beriberi (perdida de peso, disfunción neurologica, temblores)
CoenzimaA. El ácido pantoténico es la Vitamina B5. Su falta causa hipertension.
NAD. El ácido nicotínico (nicotinamida es su derivado) es la vitamina B3. Su falta ocasiona la pelagra (dermatitis, depresión, diarrea)
FAD. La riboflavina es la vitamina B2. Su falta ocasiona lesiones bucales, dermatitis
Acido lipoico: no es vitamina. El envenenamiento por arsenito (AsO33-)
se debe a la unión del mismo a los grupos tiol próximos del ac lipoico. Los síntomas son parecidos al beriberi
Balance energético desde glucosa a acetil-CoA
Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NADcit → 2 piruvato + 2ATP + 2(NADH + H)cit
transporte de pir2piruvato(cit) → 2piruvato(mit)
PDH2 piruvato + 2NADmit + 2CoA → 2Acetil-CoA + 2CO2 + 2(NADH + H)mit
1 NADH mit da 2,5ATP. Por tanto,
Glucosa → 2AcetilCoA + 2NADH(cit) + 2ATP (cit) + 5ATP(mit)
Glucosa → 2AcetilCoA + 2NADH (cit) + 7ATP
Regeneración del NAD citosólico: Oxidación del NADH citosólico mediante las lanzaderas
Lanzadera del 3-gliceroP: el NADH citosólico entra en la mitocondria como FADH2, al mismo nivel que el complejoII.
Se forman 1,5 ATP/NADH
Stryer5e
Complex III
1/2O2 H2O
ComplexIV
Espacio interM
Lanzadera Aspartato-malato: genera~ 2,5ATP/NADH
Lehninger 4th ed Ch19
OGC
AGCH+
Ca2+ +
Necesita energía – NADH/NAD mit > NADH/NAD cit
Modificada para 2009
COOH-CHOH-CH2-COOH COOH-CHOH-CH2-COOH
COOH-CO-CH2-COOH COOH-CO-CH2-COOH
COOH-CH-CH2-COOHNH2
COOH-CH-CH2-COOHNH2
COOH-CH-CH2-CH2-COOH
NH2
COOH-CH-CH2-CH2-COOH
NH2
COOH-CO-CH2-CH2-COOHCOOH-CO-CH2-CH2-COOH
NAD NAD
NADH NADH
Glutamato
H+
Aspartato
α-Cetoglutarato(oxoglutarato, α-KG)
Malato
OAA
MDHMDH
AAT
Lanzadera de NADH Aspartato-MalatoCitosol Matriz
Mitocondrial
OGC
AGC
AATAspartato
Glutamato
α-KG
Malato
Oxalacetato(OAA)
Ca2+
Oxalacetato
Lanzadera Aspartato-malato: genera~ 2,5ATP/NADHNecesita energía – NADH/NAD mit > NADH/NAD cit
Balance energético desde glucosa a acetilCoA
Por tanto:
Glucosa 2acetilCoA y se producen 10ATP (lanz gliceroP)
y se producen 12ATP(lanz asp-mal)
Regeneración de 1NADHcit da 1,5ATP (lanz gliceroP)da 2,5ATP (lanz asp-mal)
Glucosa → 2acetilCoA y se producen 7ATP + 2NADH (cit)
Ciclo de las pentosas fosfatoObjetivos: Formar NADPH– síntesis de lípidos (ácidos grasos y colesterol)
Formar pentosas (ácidos nucleicos)
Localización: tejido adiposo, hígado
glándula mamaria, glándula adrenal (hormonas esteroideas)
Tiene dos fases: Oxidativa desde glucosa-6-P a ribulosa-5-P
No oxidativa: a partir de ribulosa-5-P
Fase no oxidativa tiene 3 variantes:
1. de ribulosa-5-P a ribosa-5-P para síntesis de nucleótidos
2. de ribulosa-5-P a Fructosa-6-P y regeneración de glucosa-6-P para síntesis de NADPH
3. de ribulosa-5-P a Fructosa-6-P y piruvato para su oxidación en ciclo de Krebs
Stryer5eCh20
Partiendo de
3 Glucosa-6-P
3
Fase no oxidativa3
se forman
2 Frucosa-6-Py 1 gliceraldehído-3P
que dan 3 Ribulosa-5-P
3x
Fase oxidativa: dos reacciones de formación de NADPH
Stryer5eCh20
Fase no oxidativa: Transformaciones de pentosas entre sí:
Ribulosa -5-P epimerasa y Ribulosa-5-P isomerasa
Isomerasa
Epimerasa
Stryer5eCh20
Fase no oxidativa: Transcetolasa transfiere 2 carbonos
Transcetolasa usa TPP como coenzima
Stryer5eCh20
Transaldolasa: transfiere 3 carbonos
Stryer5eCh20
Transcetolasa: transfiere 2 Carbonos
Stryer5eCh20
Fase no oxidativa:
Partiendo de
3 Ribulosa-5-P
se forman
2 Frucosa-6-P
y 1 gliceraldehído-3P
Stryer5eCh20
Transcetolasa
Transaldolasa
Transcetolasa
Isomerasa Epimerasa
3
3
x3
x3
Defectos en el ciclo de las pentosas. Deficiencia en glucosa-6-P DH.
•Causa anemia hemolítica, a consecuencia de la falta de NADPH
•NADPH es necesario para mantener reducido el glutation (GSH), o gama-glutamil-cisteinil-glicina.
GSH
•GSH se requiere para eliminar H2O2
glutation peroxidasa
H2O2 + 2GSH →2H2O + GSSG
glutation reductasa
GSSG + NADPH + H+ → 2GSH + NADP+
G6P DH
G-6-P + NADP+ → NADPH + H+ + 6PGluconolact
•Prevalencia de deficiencia en G6PDH en lugares con malaria.
ProteinaK-dependiente de cAMP, PKA
Regulación de la PK
Activación por F-1,6-BP es “feed-forward”
1.Efectos alostéricos
2.Modificación covalente en hígado
Stryer5eCh16
Regulación PFK1 y PK
PKA
Fructosa-6-P + ATP PFK2
+ ADP
PFK2
PFK2 es una enzima bifuncional: dominio K para síntesis de F-2,6-BP y dominio fosfatasa para la hidrólisis de F-2,6-BP. Se comporta como quinasa o como fosfatasade forma regulada por fosforilación.
F-2,6-BP + H2O F-6-P + PiFBPasa2
Formación de F-2,6-BP
Stryer5eCh16&Mathews3eCh13
Hígado, regulación hormonal de la glucolisis
Ayuno: falta de glucosa promueve secreción de glucagon y esto inhibe la glucolisis: a nivel de PFK1 y PiruvK
Abundancia de glucosa promueve estimulación de la glucolisis
Inactiva a PiruvatoK
Stryer5eCh16
Disminuye F2,6bisP
PKA