GLUCÓLISIS
La glucólisis
es un conjunto de reacciones que transforman la glucosa en piruvato. Es una vía
casi universal. La glucólisis es una vía íntegramente citosólica.
Se distinguen 3
partes:
-Entrada de
glucosa de todas las células. Sobretodo a músculos e hígado. Es el primer punto
de control de la vía.
-Una vez ha
entrado dentro del hepatocito:
Se puede
estructurar en 2 etapas:
1. Pasar de Glucosa a Fructosa-1,6-difosfato.
2. Pasar de Fructosa-1,6-difosfato a dihidroxiacetona y gliceraldehido.
La primera fase
es una fase de alteración química para
dejar la molécula útil para la célula.
Primera fase de la glucólisis
1. La glucosa se
fosforila en el alcohol por la hexoquinasa.
La hexoquinasa une el fosfato del
ATP mediante un enlace fosfoéster y la transforma en Glucosa-6-fosfato. La Glucosa-6-P
está preparada para los procesos que continúan en la glucólisis. La
fosforilación transforma 1 molécula neutra en una molécula cargada
negativamente. Hace que ahora, la glucosa-6-P
no pueda volver a salir por la membrana debido a su carga negativa.
2. A la célula no
le gusta la forma aldosa y hace la
forma cetosa (Fructosa-6-P). Es realizado por la fosfoglucosa isomerasa.
3. Implica la
adquisición de un segundo fosfato que va a parar al C1 y forma la fructosa-1,6-bisfosfato. Lo relaiza la fosfofructoquinasa-1 (PFK-1). La fructosa-1,6-bisfosfato es
completamente simétrica. La PFK-1 es
un enzima clave en la glucólisis.
4. La fructosa-1,6-bisfosfato se parte por la
mitad y da dos moléculas (dihidroxiacetona-fosfato(DHAP)
y gliceraldehido-3-fosfato (G3P)).
La glucólisis se da a partir del gliceraldehido-3-P.
El equilibrio está desplazado hacia la dihidroxiacetona-fosfato.
Sólo un 5% es Gliceraldehido-3-P. La
desaparición contínua de G3P
transforma la DHAP en G3P. Todo acaba siendo G3P.
Segunda
fase de la glucólisis
A partir del G3P comienzan las transformaciones que dan lugar a Piruvato (Pyr) (reacciones de
oxidación).
1. La primera
reacción es que el enzima Gliceraldehido-3-Fosfatodeshidrogenasa
oxida el grupo aldehido a ácido (gasta un NAD, que se reduce a NADH). Produce
un enzima que es capaz de incorporar un fosfato al ácido carboxílico
correspondiente. Se forma un éster. La fosforilación a nivel de sustrato se
consigue porque hay ATP con un fosfato ya activado.
2. El 1,3-Bisfosfoglicerato cede 1 fosfato para
sintetizar ATP. La reacción la cataliza la fosfogliceratoquinasa.
El producto de la síntesis de ATP es el
3-fosfoglicerato. Sufre transformaciones que dan lugar a la síntesis de Pyruvato. El P3 debe pasar a
la posición 2. Se consigue mediante el enzima fosfogliceromutasa. La mutasa tiene un fosfato activo, que se lo da
a la posición 2. En un momento hay dos fosfatos, pero luego, se lo quita de la
posición 3. Todas las mutasas funcionan así. Se hace para liberar el OH en la
posición 3.
3. Se produce la
deshidratación del OH. Se transforma el alcohol en enol, por la enolasa. Es parecido a Pyruvato, pero con enol y un fosfato.
Se llama fosfoenolpiruvato (PEP). Es una molécula muy inestable que
se transforma en Pyruvato por la Pyruvatoquinasa y se acopla la energía
que se desprende para sintetizar ATP.
ANÁLISIS
ESTEQUIOMÉTRICO DE LA GLUCÓLISIS
Glucosa + 2Pi + 2 ADP + 2
NAD+ 2 Pyr + 2 ATP + 2
NADH + 2 H+ + 2 H2O
La glucólisi es
una vía que transforma la glucosa en Pyruvato y, a su vez, reduce 2 NAD+
del citosol a NADH y usa 2 Adp para formar 2 ATP.
La célula en
cuanto puede, transforma otros monosacáridos a moléculas que están en la vía de
la glucólisi.
Fructosa
Se encuentra en
el azúcar, se metaboliza según:
· En el hígado:
la fructosa se transforma en fructosa-1-P. Se gasta 1 ATP que pasa a
ADP. Lo realiza la fructoquinasa. La
fructosa-1-P es degradada por una aldolasa, que da lugar a dihidroxiacetona-P y a gliceraldehido. El gliceraldehido es fosforilado con gasto de ATP a G3P. Se produce el mismo rendimiento
que en la glucosa.
· En el tejido
adiposo: la fructosa es fosforilada
a fructosa-6-P a partir de la
transformación de ATP a ADP por la hexoquinasa.
La hexoquinasa tiene mucha menos
afinidad por la fructosa que por la glucosa. Por eso, en el hígado, la hexoquinasa fosforila glucosa. En el tejido adiposo la hexoquinasa (HK) actúa sobre la fructosa porque no hay tanta glucosa.
Galactosa
La galactosa se fosforila en Gal-1-P y se gasta ATP que pasa a ADP.
Lo hace la galactoquinasa. La
Gal-1-P es transferida al Uridindifosfoglucosa
(UDPglucosa), que es la forma activada de la glucosa, por la Gal-1-P-uridiltransferasa
y se genera UDPgalactosa y se libera
Glucosa-1-P Después se transforma la
Glucosa-1-P en Glucosa-6-P mediante la fosfoglucomutasa.
Para que el
circuito funcione correctamente, hay que regenerar UDPglucosa. Hay una epimerasa
que retransforma UDP-galactosa en UDPglucosa.
La galactosa rinde igual que la glucosa.
REGULACIÓN DE
FOSFOFRUCTOQUINASA
Hay tres
posibles reguladores de la glucólisis:
· Hexoquinasa: no puede ser porque
también se regula la síntesis de glicerol,
la síntesis de glucógeno(G-1-P), la
síntesis de ribosa-5-P. La hexoquinasa es sensible al exceso de Glucosa-6-P.
· Fosfofructoquinasa-1: la reacción que
produce es fructosa-1,6-bisfosfato.
La PFK-1 es sensible a la
concentración celular de moléculas como ATP (efecto negativo sobre el enzima) y
por niveles elevados del citrato (efecto negativo). Se activa alostéricamente
cuando hay mucho AMP (efecto positivo), la fructosa-2,6-bisfosfato
(activador positivo, se fabrica a partir de fructosa-1,6-bisfosfato (1 millón de veces más)), provoca que
cuando hay poco, se active la PFK-1.
· La PFK-2/FBP (fosfobisfostato fosfatasa)
fosforila F6P a F-2,6-P2 y también la puede desfosforilar. La actividad
del enzima PFK-2/FBPfosfatasa es
regulada por fosforilación mediante la serinquinasa,
de forma que cuando se fosforila, se aumenta la actividad fosfatasa y se
disminuye la actividad quinasa. La serinquinasa
se activa indirectamente por incrementos de glucagón. Se une a receptores de la membrana y se emite una señal.
El glucagón se activa cuando la
concentración de glucosa desciende mucho.
Todo el
mecanismo está diseñado para que el enzima sepa que hay menos glucosa en
sangre.
La Piruvato Quinasa es un enzima que se
regula de muchas formas diferentes. Se regula de forma alostérica, siendo
inhibida por altas concentraciones de ATP y altas concentraciones de Alanina.
El piruvato se puede transformar en Alanina por una transaminasa.
La
disponibilidad de Fructosa-1,6-bisfosfato
activa la piruvato quinasa. Cuando
hay mucha Fructosa-1,6-bisfosfato,
se abre la llave de la Piruvato quinasa
y se metaboliza correctamente. Los mamíferos también fabrican diversos
isoenzimas de piruvato quinasa que se expresan de forma diferente según el
órgano.
Hígado..................
L Piruvato quinasa.
Músculo.................
M Piruvato quinasa.
La forma
hepática es regulable por fosforilación (inhibe). La proteína responsable es la
proteína quinasa A, que es activable
por niveles altos de glucagón
circulante.
Los genes que
codifican la piruvato quinasa son
regulables en su expresión, de forma que dietas muy elevadas en carbohidratos,
levan a un incremento en el mRNA que codifica la piruvato quinasa.
La piruvato quinasa está controlada de
forma alostérica, por la transcripción génica y por fosforilación.
El hígado tiene
un enzima capaz de fosforilar glucosa
(glucoquinasa). Se caracteriza
porque su Km es aproximadamente 5 mM, mientras que la hexoquinasa la tiene de 0´1 mM y no es inhibible por Glucosa-6-Fosfato. Cuando la
concentración de glucosa es elevada,
la glucosa es fosforilada por la hexoquinasa, pero cuando la glucosa exterior sube a 10-12 mM, hay
un enzima que funciona por encima de su Km, porque pasa del freno que es la Glucosa-6-Fosfato.
La entrada de Glucosa en la célula no es por difusión
pasiva, pero no requiere energía. Se produce un transporte pasivo. Estos
transportadores están en la membrana celular. Desde el punto de vista
estructural, tiene 12 dominios transmembrana. Son aminoácidos hidrofóbicos.
Existen
diferentes tipos de transportadores de glucosa (GLUTn; donde n es un número que
define el tipo de transportador).
Hay diferencias
funcionales en los diferentes GLUT.
GLUT1/GLUT3: están prácticamente en
cualquier célula de mamífero. Tienen una Km de 1 mM. Si se considera que los
niveles de glucemia pueden ser de 4´5-5 mM, transportan glucosa sin ningún problema.
Hay otros
transportadores como los GLUT2, que
tienen una Km de 10-20 mM para la glucosa.
Sólo existe en el hígado o células b del páncreas.
Son importantes cuando hay cantidades muy grandes de glucosa. Por eso, el GLUT2 está en el hígado, porque es el
órgano recaptador de glucosa. El páncreas responde produciendo insulina gracias
a que el GLUT2 se vuelve activo.
Las células hacen
con el piruvato, energéticamente,
transformarlo en:
1. Etanol (EtOH).
2. Lactato
3. Acetil Co-A: vía aeróbica.
Las levaduras
producen EtOH en dos reacciones:
Las levaduras
lo hacen para regenerar el NAD que
consumieron pasando glucosa a piruvato.
El paso de piruvato a lactato ocurre en microorganismos y mamíferos cuando no hay O2.
Se cataliza por la lactato
deshidrogenasa y tiene como obligación que una molécula de NADH regenera una molécula de NAD+ para seguir haciendo la
glucólisis.
El piruvato, en la mayoría de células, con
O2, lo transforman en Acetil
Co-A. Supone una descarboxilación y gasta una molécula de NAD+, que pasa a NADH.
Estos procesos
están catalizados por un complejo multienzimático (3 diferentes proteínas, que
se asocian dentro de la célula para llevar a cabo esas reacciones de forma muy
efectiva: piruvato deshidrogenasa;
que no es citosólica, sino que está en la matriz mitocondrial (debe atravesar
la membrana externa (poco selectiva) y la interna (muy selectiva))).
|
COMPONENTE |
GRUPO PROSTÉTICO |
FUNCIÓN |
|
Piruvato deshidrogenasa (E1) |
Tiaminpirofosfato (TPP) |
Descarboxilasa del
piruvato |
|
Dihidrolipiltransacetilasa (E2) |
Lipoamida |
Oxida el hidroxiacil
(forma el enlace acil sobre un átomo de azufre) y lo transfiere al Co-A |
|
DHLP deshidrogenasa (E3) |
FAD |
Oxidar lipoamida |
El
procedimiento que sigue es el siguiente:
1. E1
transforma en acetaldehido a hidroxitiaminpirofosfato.
2. El hidroxitiaminpirofosfato es transferido
a E2. Tiene un grupo disulfuro que es el receptor del hidroxiacilo y
lo va a unir covalentemente a 1 S y, después, lo transfiere al Acetil Co-A.
3.La lipoamida ha quedado reducida y no
puede coger hidroxiacilo. Hay que recargar el enlace disulfuro.
El FADH se oxida a FAD, que provoca que el NAD
se reduzca a NADH.
En E. Coli hay 24 E1, 24
E2 y 12 E3.
La ventaja de
ese complejo es que el tráfico de substratos y productos está optimizado.
Este complejo
requiere 5 enzimas diferentes (TPP,
Lipoamida, FAD, NAD y Co-A). De estos 5 enzimas, 4 son o contienen
vitaminas:
Tiamina......B1
Ácido pantoténico (Co-A).
Nicotinamida
(NAD).
Riboflavina
(FAD).
El complejo se
regula por producto de forma negativamente, por NADH y por acetil Co-A.
También es
sensible a la carga energética de la célula. Niveles elevados de AMP son activadores y niveles elevados
de GTP son inhibidores.
La
fosforilación también lo regula y es regulada por la insulina.
Ciclo de Krebs
También se
llama ciclo de los ácidos
tricarboxílicos o ciclo del citrato.
Es una vía muy
importante que ocurre en la matriz mitocondrial. Es un mecanismo que incorpora
el Acetil del Acetil Co-Enzima-A
sobre un oxaloacetato y resulta en
la eliminación de 2 C más oxidados (CO2), a expensas del paso de
algunas moléculas de NAD a NADH y de FAD a FADH. Es un
proceso central en el metabolismo de carbohidratos y de lípidos y de muchos
aminoácidos.
Las reacciones
que implica el ciclo de Krebs son:
-Una molécula
de Acetil Co-A se incorpora en una
molécula de oxaloacetato, dando el ácido cítrico. La condensación se da
por el enzima citratosintasa. Esta
reacción tiende hacia la incorporación de Acetil
Co-A incluso en concentraciones muy pequeñas.
-El citrato tiene un OH central, que se
transfiere a un C adyacente mediante la aconitasa.
Se forma un intermedio, que es el cis-aconitato.
Es una reacción de deshidratación, seguida de rehidratación. El agua que entra,
entra en el otro C involucrado en el proceso.
-El isocitrato se deshidrata formando NADH por la isocitrato deshidrogenasa. Da lugar al oxalosuccinato (es químicamente inestables porque es un b-cetoácido (descarboxilan
muy fácilmente) y un a-cetoácido, y pierde el
carboxilo de la posición b y pasa de 6 a 5 C). Da
lugar al a-cetoglutarato.
-El a-cetoglutarato, mediante la a-cetoglutarato
deshidrogenasa, es descarboxilado, reduciendo un NAD,
y se genera succinil co-A. Se trata
de la misma reacción que realiza la piruvato
deshidrogenasa. El a-cetoglutarato es un complejo
proteico con 4 aminoácidos y 5 coenzimas.
-La hidrólisis
del tioéster (succinil Co-A), se
acopla a la síntesis de una molécula de GTP
a partir de GDP. Lo hace la Succinil Co-A sintetasa). El GTP está informando a la piruvato deshidrogenasa de como va el
metabolismo. El GTP pasa a ATP gracias a la nucleósidodifosfoquinasa:
-Lo que queda
del ciclo, sirve para regenerarel oxaloacetato.
El succinato con grupo ceto, da
lugar a un oxaloacetato. Se va a
oxidar este C a cetona. Se hace introduciendo 1 doble enlace entre los C
centrales del succinato mediante la succinato deshidrogenasa. Se reduce FAD a FADH2. Es el único enzima que está en la membrana
interna mitocondrial. Se relaciona con la cadena de transporte de electrones.
Se forma el ácido fumaral.
-El fumaral es hidratado por la fumarasa, que es estereoespecífica.
Forma la L-Malato, que es oxidada a
cetona para dar oxaloacetato mediante
la malatodeshidrogenasa, que reduce NAD a NADH.
BALANCE
ESTEQUIOMÉTRICO
La energía sale
cuando las formas reducidas de FADH2
y NADH van a la cadena de transporte
de electrones. Cada NADH rendirá 2´5
y cada FADH2, 1´5.
El ciclo de
Krebs no requiere O2 en ningún lado. Sólo se necesita para regenerar
FAD y NAD. Es un mecanismo anaeróbico.
Los Carbonos
que entran en el ciclo de Krebs no son los mismos que salen en forma de CO2.
RELACIÓN DEL
CICLO DE KREBS Y OTRAS VÍAS
El ciclo de
Krebs es un punto intermedio para formar moléculas de otras vías.Es una vía
anfibólicas (catabólica o anabólica).
El Acetil Co-A
es también inicio de síntesi de ácidos grasos. El oxaloacetato es inicio para
la síntesi de algunos aminoácidos. El a-cetoglutarato
produce el esqueleto carbonado de la síntesi de algunos aminoácidos y la
síntesi de purina (DNA y RNA).
El succinato es
sobretodo para formar algunas porfirinas.
El fumarato se
usa en la síntesi de aminoácidos y esqueletos de las pirimidinas.
La capacidad
del ciclo de Krebs para regular, depende de:
-La cantidad de moléculas de oxaloacetato.
-Regulación de algún enzima.
La manera de
meter Carbonos en el ciclo de Krebs es a nivel del oxaloacetato. Son 2
reacciones de relleno del ciclo de Krebs. También se llaman reacciones
anapleróticas.
El paso de
Acetil co-A a oxaloacetato no es posible en animales.
1. Se
transforma el piruvato en oxaloacetato, catabolizado por el enzima
piruvatocarboxilasa. Esta reacción es muy importante, sobretodo, cuantitativamente
en riñón e hígado de mamífero.
2. Del
fosfoenolpiruvato (PEP), se transforma en oxaloacetato. El PEP capta CO2
y utiliza GTP en vez de ATP. Da lugar a OAA. Esta reacción puede ser
reversible. Se da en músculo esquelético y cardíaco. La reacción es catalizada
por la fosfoenolpiruvatocarboxiquinasa (PEPCK).
Estos Carbonos
pueden venir de glucosa y pueden rellenar componentes del ciclo de Krebs. Dota
a la célula de un mecanismo que permite retroceder la glucólisis a través de
PEP. El Pyruvato puede pasar a OAA y luego a PEP invirtiendo un poco de
energía.
REGULACIÓN DEL
CICLO DE KREBS
Hay varios
puntos de control:
1. Las tres
reacciones importantes (2 descarboxilaciones y entrada de Acetil co-A), se
inhiben por carga energética alta (ATP).
2. La a-cetoglutaratodeshidrogenasa (oxida citrato en a-cetoglutarato) y la succinil co-A deshidrogenasa (oxida a-cetoglutarato en succinato) también se inhiben por concentraciones
elevadas de NADH.
3. La regulación
definitiva es si hay o no acetil co-A disponible. La capacidad del ciclo suele
venir dada por la cantidad de acetil co-A. Viene regulada por la actividad de
la piruvatodeshidrogenasa (desde el punto de vista de la glucosa). La piruvato
deshidrogenasa puede ser regulada por su producto (Acetil co-A y NADH). Un
incremento en los triglicéridos da un aumento en Acetil co-A. La
piruvatodeshidrogenasa, nota que hay mucho acetil co-A y deja de gastar glucosa
como fuente energética .Se activa cuando hay mucha concentración de AMP y se
inhibe por altos niveles de GTP. Los altos niveles de GTP son captados como
hiperactividad debido al ciclo de Krebs. La fosforilación también inhibe la
actividad piruvatodeshidrogenasa.
El acetil co-A
es un producto de degradación de los ácidos grasos y de los esqueletos ácidos
carbonados. Cuando hay un excesode Acetil co-A, se frena el uso de glucosa para
fabricar Acetil co-A porque los diferentes órganos de un animal son diferentes
metabólicamente. La forma de obtener energía es diferente. Hay órganos que
pueden obtener energía usando acetil co-A, productos de aprovechamiento de
acetil co-A (cuerpos cetónicos). Otros tejidos son muy dependientes de glucosa
y se avienen muy mal a otras moléculas. Ej: cerebro.
Siempre que se
pueda evitar malgastar Glucosa, se evitará, usando combustibles alternativos.
El acúmulo de
Acetil co-A informa a la piruvatodeshidrogenasa de que se acumula acetil co-A.
Esto provoca que no se use más glucosa para formar Acetil co-A, porque hay
órganos glucosadependientes.
Ciclo del Glyoxilato
Es una variante
del ciclo de Krebs que se da en algunos tejidos vegetales. Introduce materia
neta en el sistema. Es menos oxidativo que Krebs. Sólo tiene 2 reacciones
extras a Krebs.
A partir del
isocitrato es diferente. La isocitratoliasa rompe la molécula de isocitrato en
succinato y glyoxilato. El glyoxilato actúa como receptor de un segundo Acetil
co-A y da una molécula de 4 C, que es el malato.
El malato se
oxida por la malatodeshidrogenasa a oxaloacetato.
Puede fabricar
succinato a partir de 2 moléculas de Acetil co-A. El succinato puede dar por sí
mismo OAA.
El OAA puede
dar lugar a PEP, que en última estancia, puede regenerar gucosa. Los animales
no lo pueden hacer. Ej: semillas vegetales meten Acetil co-A de sus reservas
lipídicas en los glioxisomas y acaban haciendo glucosa.
Los Carbonos
que entran por el acetil co-A son diferentes a los que salen por CO2.
El primero que se pierde es b y el segundo es a.
En 1 ciclo de
Krebs, ninguno de los Carbonos del Acetil co-A se pierde en CO2 ¿Y
en el segundo ciclo?
Energéticamente:
En un organismo
aeróbico, los electrones que se desprenden del NADH y FADH2 se
utilizan para respirar. El NADH y FADH transfieren electrones al Oxígeno y
forman H2O (O2 reducido) y forma energía.
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