GLUCONEOGÉNESIS. DESCARBOXILACIÓN

OXIDATIVA DEL PIRUVATO. CICLO DE KREBS.

VÍA DE LAS PENTOSAS. LANZADERAS.

BALANCE ENERGÉTICO

Bioquímica

Gluconeogénesis

• Es la síntesis de glucosa a partir de grasas o proteínas.

• Por principio, gluconeogénesis y glicólisis son vías

opuestas en el metabolismo.

• Existen en la glicólisis tres etapas que por su desnivel

energético deben sobrepasarse mediante procedimientos

alternos.

• La gluconeogénesis usa cuatro reacciones diferentes

para sobrepasar esas tres etapas.

Glicólisis y gluconeogénesis

• Hígado y riñón tienen todas las enzimas

de la gluconeogénesis, pero 80% se

realiza en el hígado.

• La 1ra. etapa se realiza en la

mitocondria, transformando piruvato en

oxalacetato.

• Las siguientes en el citosol y la última

en el retículo endoplasma

• Para una mol de glucosa se requiere 4

ATP y 2 GTP y 2 NADH

De dónde provienen los precursores

de la gluconeogénesis?

• Del tejido adiposo, el glicerol

(Glicerol fosfato-DHAP-glu-

cosa) de los triglicéridos.

• Del tejido muscular y los he-

matíes, el ácido láctico (áci-

do láctico-piruvato-glucosa).

• De la proteína muscular, la

ala-nina que se transamina a

piru-vato.

• Otros aminoácidos, llamados

glucogenéticos.

Glucosa

PEP

Oxalacetato Alfa

cetoglutarato

Succinil

CoA

Fumarato

aminoá

cidos

aminoá

cidos

amino

ácidos

Aminoácidos

precursores

de glucosa

Enzimas de la gluconeogénesis

• Piruvato carboxilasa, enzima que transporta al grupo

carboxilo, mediada por la biotina

• Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa: fuera de la mitocondria

trans-forma al oxalacetato en fosfoenolpirúvico. Requiere de

GTP.

• Fructosa difosfatasa: enzima citosólica

• Glucosa 6 fosfatasa

PiADPoOxalacetatATPHCOPiruvatoBiotina

3

2COGDPiruvatoFosfoenolpGTPoOxalacetat

PiPFOHPPFructosa 66,1 2

Glucosa 6 fosfato + H2O Glucosa + Pi

Glucosa 6 fosfatasa

• Esta reacción sobrepasa la catalizada por la hexoquinasa o la glucoquinasa.

• La enzima está localizada en el retículo endoplasma y tiene cinco subunidades.

G6P

G6P Pi + Glucosa Luz del retículo

endoplasma

Citosol

T1 T2 T3 G6Fos.asa

Pro.Regula

con Ca++

Metabolismo del piruvato

• El piruvato ocupa una posición central y fundamental entre los metabolismos de carbohidratos, grasas y proteínas, a través de su vinculación con lactato, alanina, acetil CoA y oxalacetato.

PIRUVATO

Glucosa Aminoácidos

Lactato Alanina

Acetil CoA Oxalacetato

CO2+H2O Ac.grasos Acetona Krebs Gluconeogénesis

Piruvato deshidrogenasa • La piruvato deshidrogenasa une la Glicólisis con el

Ciclo de Krebs, mediante el procedimiento de Decarboxilación Oxidativa, en el cual el grupo carboxilo del piruvato es liberado como CO2 y los dos carbonos remanentes forman acetil CoA.

• La PDH es un complejo multienzimático formado por tres enzimas y cinco coenzimas.

• De las coenzimas, dos de ellas CoA y NAD, se asocian al sustrato, mientras que las otras, TPP (pirofosfato de tiamina) , ác.lipoico y FAD se asocian al complejo.

• El complejo tiene además una quinasa y una fosfatasa que desactivan y activan a la PDH, respectivamente.

HNADHCOCoASCOCHNADSHCoACOOHCOCH 233

Complejo PDH

• La Decarboxilación es iniciada por E1 en presencia de TPP, luego E2 en presencia de ác.lipoico oxida al compuesto y lo prepara para unirse a la CoA. El ác.lipoico es reoxidado por el FAD y E3

Enzimas y coenzimas de la

Decarboxilación Oxidativa. Enzimas Coenzimas Participación

E1-Piruvato dehidrogenasa TPP Decarboxilación

E2-dihidrolipoil transacetilasa Ac.lipoico Oxidación-Transferencia de acilo

E3-dihidrolipoil deshidrogenasa CoA-SH Regeneración de ácido lipoico

Piruvato DH quinasa FAD Fosforilación e inactivación de E1

Piruvato DH fosfatasa NAD Defosforilación y activación de E1

Regulación de la

actividad de la PDH

PDH PDH P

AcetilCoA, NADH, ATP

quinasa

Fosfatasa

Insulina, PEP, AMP

(+)

NAD+

ADP

CoASH

Piruvato (-)

(+)

Activa Inactiva

Otros destinos del piruvato

• Transformación de piruvato en lactato, con reoxidación del NADH a NAD (LDH).

• Transaminación del piruvato a alanina (ALT).

• Carboxilación de piruvato a oxalacetato, paso inicial de la neoglucogénesis.

NADCOOHCHOHCHHNADHCOOHCOCH 33

atocetoglutaralaninaGlutamatoPiruvato

CICLO DE KREBS

IMPORTANCIA

FISIOLÓGICA

Mitocondrias: organelos

• Organelos del tamaño de una bacteria (1x2um) especia-lizados en mecanismos oxida-tivos y en síntesis de ATP.

• Una célula eucariota puede contener hasta 2000 mito-condrias, aproximadamente 25% de su volumen.

• Constan de una membrana externa, una interna y un espacio intermembranoso.

• La membrana interna tiene el más alto contenido proteico que ninguna otra membrana en la célula.

Membrana

interna

Membrana

externa

Matriz

¨La membrana externa se puede separar y

asislar mediante la digitonina, shock

osmótico o radiación ultrasónica seguida

de centrifugación en gradiente de

densidad. ̈

Mitocondrias:membranas

• Diferentes tejidos tienen diferen-

te número y cantidad de crestas,

de acuerdo a la oxidación.

• La membrana externa tiene unas

proteínas integrales llamadas

porinas ,formando poros para el

in-greso de moléculas menores

de 10 000 de peso molecular.

• La membrana interna es imper-

meable a la mayoría de molé-

culas salvo agua, O2 o CO2.

• La membrana interna tiene 75%

de proteínas como proteínas

transportadoras, cadena respi-

ratoria, ATP sintetasa.

Transportador

ATP sintetasa

Cadena

respiatoria

Enzimas del

Metabolismo

oxidativo

Nucleótido

quinasas

Poro

Enzimas del

Metabolismo de

lípidos

Funciones metabólicas de la

mitocondria Piruvato

Piruvato

3 CO2

3 CO2

Acetil CoA

Krebs

NAD

FAD

Ca2+

Ca2+

nH+ nH+ nH+

4e(-)

O2

2H2O

P

A P P P

H+

H+

A P P +

A P P P

B-oxidación

Acil CoA

Acil CoA

Ciclo de la Urea

Urea

HCO3+

NH3

Partes de la mitocondria

• Membrana externa: Porosa y permeable a iones y pequeñas moléculas. • Membrana interna: altamente impermeable. Las moléculas requieren de

transportadores proteicos. Gracias a sus pliegues aumenta su superficie. En la membrana hay transportadores proteicos, deshidrogenasas FAD dependientes, y todas las enzimas de la Fosforilación Oxidativa.

• Espacio intermembranoso contiene dos enzimas fundamentales : la adenilatoquinasa y la nucleósido difosfato quinasa.

• Matriz: contiene muchas enzimas, como las del Ciclo de Krebs, la pirúvico deshidrogenasa, la glutamato deshidrogenasa, y las de la b oxidación.

AMPATPADPuinasaadenilatoq

2

ATPXDPADPXTPuinasadifosfatoqmucleósido

Ciclo de Krebs y los macronutrientes

CARBOHIDRATOS PROTEÍNAS GRASAS

GLUCOSA AMINOÁCIDOS ÁCIDOS GRASOS

Acetil CoA

Ciclo

de

Krebs

CO2 ATP

Ciclo de Krebs:energía

• El Ciclo de Krebs es un conjunto de reacciones químicas que se efectúa en las mitocondrias, para catabolizar los residuos de Acetil CoA producidos en el metabolismo de carbohidratos y grasas.

• Este Ciclo libera energía que se guarda como ATP y moléculas de CO2 que se eliminan con la respiración.

• Esas funciones se llevan a cabo en todos los tejidos pero con más importancia en el hígado.

• Es responsable de 2/3 de la producción calórica del organismo.

Ciclo de Krebs: principio

general

Oxalacetato(C4) Citrato(C6)

Acetil CoA(C2) CoA

CO2 CO2

Ciclo de Krebs: valor calórico

• Durante la oxidación del Acetil CoA se forman equivalentes reductores como H+ o electrones en la matriz mitocondrial adyacente a la membrana interna.

• Así, la transferencia a la cadena respiratoria que está en la membrana mitocondrial interna se realiza con facilidad.

• Todo el proceso es aeróbico, luego sin oxígeno se inhibe total o parcialmente.

Partes del Ciclo

de Krebs

• A partir de un acetil

CoA se producen dos

moléculas de CO2.

• Se generan cuatro

pares de hidrógenos

que son captados por

3 NAD y 1 FAD.

• Además se produce

una fosforilación a

nivel del sustrato.

Piruvato

AcetilCoA

Citrato

Isocitrato

Alfa cetoglutarato

Succinato

CoA

Oxalacetato

Malato

Fumarato

Succinato

GTP GDP +Pi

O=C--COO-

H--C--COO-

H

HO--C--COO-

H--C--COO-

H

H H--C--COO-

H--C--COO-

OH--C--COO-

H

H H--C--COO-

H--C--H

O=C--COO-

H H--C--COO-

H--C--H

O=C~SCoA

H H--C--COO-

H--C--H

COO-

COO- H--C--H

H--C

COO-

COO- C--H

H--C--H

COO-

COO- HO-C--H

H2O CoA-SH

NAD+

NADH+H+

NAD+

NADH+H+

CO2

GDP+Pi GTP

FAD

FADH2

H2O Fumarasa

H

H-C-CO~SCoA

H +

NAD

NADH+H+

Oxalacetato Citrato

Isocitrato

cetoglutarato

Succinil CoA

Succinato

Fumarato

Malato

Ciclo de Krebs

CO2

Ciclo de Krebs: etapas 1 y 2

1.- Condensación inicial del Acetil CoA con el Oxalacetato con

liberación de energía del enlace tioester por acción de la citrato

sintetasa.

CoACitratoOHoOxalacetatAcetilCoA 2

2.- Conversión de citrato en isocitrato. Se forma transito-

riamente cis aconitato. La realiza la enzima aconitasa.

IsocitratoaconitatoCisCitrato

H2O H2O

Ciclo de Krebs: etapas 3 y 4

3.- Dehidrogenación del isocitrato, formando oxalsuccinato. Existen tres

isoenzimas: la NAD específica de las mitocondrias, y las NADP especí-

ficas de mitocondrias y citosol. La NAD específica se acopla a la cadena

respiratoria.

HNADHCOatocetoglutaratooxalsuccinNADIsocitratoenzimalaaunido

2

Esta reacción requiere Mg++ y genera 3ATP por Mol de acetilo

4.- El alfa ceto glutarato pasa por una decarboxilación oxidativa seme-

jante a la del piruvato. Requiere los mismos cofactores y vitaminas tales

como, difosfato de tiamina, ác.lipoico, NAD,FAD y CoA. La enzima es

la cetoglutarato dehidrogenasa y forma Succinil CoA.

HNADHCOASuccinilCoCoANADatocetoglutar 2

Esta reacción genera 3ATP por Mol de acetilo.

Ciclo de Krebs: etapas 5 y 6

5.- La succinil CoA se convierte en succinato por acción de una

tioquinasa. En esta reacción la energía liberada por la unión con la

CoA permite la síntesis de una mol de ATP. A nivel del sustrato.

CoAATPsuccinatoADPPiAsuccinilCo

6.- El succinato es metabolizado por una deshidrogenasa, unida a la

superficie interna de la membrana mitocondrial. En la única

deshidrogenasa que transfiere hidrógeno al FAD sin pasar por el NAD.

Genera fumarato.

2FADHFumaratoFADsuccinato

Esta reacción sólo genera 2 ATP en la cadena respiratoria.

Ciclo de Krebs: etapas 7 y 8

7.- La fumarasa cataliza la incorporación de una mol de agua para

formar malato.Se elimina la doble ligadura anterior.

malatoOHfumarato 2

8.- El malato es convertido a oxalacetato por una deshidrogenasa en

presencia de NAD.

HNADHooxalacetatNADmalato

Esta reacción genera 3ATP por mol de acetilo, en la cadena respi-

ratoria y proporciona el oxalacetato necesario para reiniciar el ciclo

con una molécula más de acetil CoA.

Ciclo de Krebs : balance calórico

• Se producen tres moléculas

de NADH y una de FADH2 por

cada molécula de acetil CoA.

• En la membrana mitocondrial

interna se recibe estos equiva-

lentes reductores por la

cadena respiratoria.

• Cada paso por la cadena

genera 3 ATP a partir del NAD

pero a partir de FAD sólo 2.

• Un enlace de alta energía se

genera a nivel del sustrato.

• En total se forman 12 ATP por

ciclo de Krebs.

Enzim a ATP

Deshid rogenasa isocít r ica 3

Deshid rogenasa d el cet oglut arat o 3

Succinat o t ioq uinasa 1

Deshid rogenasa d el succinat o 2

Malat o d eshid rogenasa 3

Tot al 12

Generación de ATP por Ciclo

Vitaminas en el Ciclo de Krebs

• Riboflavina como FAD : cetoglutarato deshidrogenasa y succinato deshidrogenasa.

• Niacina como NAD: isocitrato cetoglutarato deshidrogenasa y malato deshidrogenasa hidrogenasa.

• Tiamina como difosfato de tiamina: para de-carboxilación y cetoglutarato deshidrogenasa.

• Ácido pantoténico como Coenzima A.

Control del ciclo de Krebs

• Principal función del ciclo de Krebs : producción de ATP.

• Una dieta promedio genera 2000 a 3000 kcal por día.

• Si ello provee un 50% de generación de ATP, se debe pro-ducir aproximadamente 120 moles de ATP o 65 kg del mismo.

• Como el organismo sólo tiene 3 a 4 g de nucleótidos (ATP ADP,AMP ) cada molécula debe ser refosforilada miles de veces al día.

• Si una célula no usa el ATP no habrá ADP disponible, luego el NADH no podrá ser reoxidado y la relación NADH/NAD se elevará y esto detendrá al ciclo de Krebs.

Acción de la relación NADH/NAD

sobre el ciclo de Krebs

El incremento de NADH inhibe a la:

• cetoglutarato deshidogenasa

• citrato sintetasa

• isocitrato sintetasa

• piruvato deshidrogenasa.

Estas enzimas también se inhiben por el producto.

Aprovechamiento de los NADH en

la cadena respiratoria

• El NADH producido en el citosol por efecto de la glicólisis

(gliceradehido 3P deshidrogenasa) no puede atravesar

la membrana mitocondrial.

• En condiciones anaeróbicas se aprovecha en la

transforma-ción de piruvato a lactato.

• En condiciones aeróbicas se aprovecha por la cadena

respiratoria.

• El ingreso a la mitocondria está regido por un mecanismo

llamado de lanzadera de equivalentes reductores.

Vía de la pentosa fosfato

• No es una vía esencialmente energética.

• Esta vía oxida 30% de glucosa en el hígado y 10% en el eritrocito.

• Tiene dos funciones importantes: generar NADPH para la síntesis de ácidos grasos y de esteroles. Además provee ribosa para síntesis de cofactores nucleótidos (ej. NAD), RNA, DNA.

• Genera tres moléculas de CO2 y 3 pentosas las cuales pro-ducen dos hexosas y una triosa. Dos triosas pueden regene-rar una hexosa que se metaboliza por la vía glicolítica.

• Es una vía citosólica , usa NADP como receptor de H y tiene dos fases: oxidativa (irreversible) y no oxidativa (reversible).

Vía de las pentosas: características

• La vía es activa en hígado, tejido adiposo, suprarrenal, tiroides,

eritrocitos, testículos y glándulas mamarias durante la lactancia.

• Su actividad es baja en el músculo.

• En todos los tejidos se necesita ribosa, luego el músculo puede

producirla por vía inversa de la pentosas a partir de fructosa 6P.

• El NADPH se utiliza:

• En reacción de biosíntesis de ácidos grasos, esteroides y ác.

biliares.

• En el eritrocito regenerar glutatión reducido y la reducción de la

hemoglobina oxidada

• Deficiencia:

• De G6PD → anemia hemolítica.

• De transcetolasa (por falta de fosfato de tiamina) →

síndrome de Wernicke-korsakoff

Fructosa

• Las dietas abundantes en sacarosa incrementan los niveles de fructosa.

• La fructosa se metaboliza más rápidamente que la glucosa por no requerir a la fosfofructoquinasa de control.

• Favorece entonces la síntesis de ác. grasos y estimula la secreción de insulina.

• La fructoquinasa es independiente del ayuno y la insulina por lo que la fructosa si se aprovecha en la diabetes.

• La afinidad (Km) de la fructoquinasa hepática es alta, es decir tiene una Km baja.

Fructosa : metabolismo

Galactosa : metabolismo

• Proviene de la hidrólisis de la lactosa. El hígado la convierte en glucosa

• No es esencial, la glucosa se transforma en galactosa

Galactosa

Galactoquinasa

ATP

ADP Galactosa 1P

Glucosa 1P

UDPGlc

UDPGal

Uridin transferasa Epimerasa

Glucógeno

Glicemia

La glucosa sanguínea varía entre 40 y 140 mg/dl

durante el día, dependiendo del balance entre ingresos

(alimentos) y gasto por trabajo (físico o el del propio del

organismo).

Cuando se valora tras 8 horas nocturnas de ayuno

varía entre 60 y 110 mg/dl.

Los procedimientos de medida son corrientemente

enzimáticos (glucosa oxidasa).

Glicólisis

C.Krebs

V.pentosas

Glucógeno

Glicemia : su relación

Glucosa y Glucógeno

Glucosa 1-fosfato

UDP glucosa

glucógeno

Glucosa 6-P

UDPg pirofosforilasa

Glucógeno sintetasa

Fosforilasa +

glucano transferasa

glucosa

AMPc

(-)

(+)

INSULINA

GLUCAGON

(-)

(+)

REGULACION ENZIMATICA DE LA GLICEMIA

• La regulación de la glicemia la llevan a cabo algunas ENZI-MAS en el hígado.

• El hígado es permeable a la glucosa vía el transportador GLUT2 que también lo tienen las células b del páncreas, el in-testino delgado y el riñón .

• La hexoquinasa se autocon-trola por la glucosa 6 P pero la glucoquinasa del hígado no .

• La glucoquinasa tiene menos a-finidad (Km mayor) . Por lo que sólo se activa a alta concentra-ción de glucosa en sangre .

50

100

0 5 10 15 20 25

Glucoquinasa

hepática

Hexoquinasa

muscular

Lanzadera del glicerofosfato

Lanzadera del malato

• La piruvato carboxilasa es una enzima mitocondrial, por lo

tanto el oxalacetato que se forma en la matriz mitocondrial

debe salir al citosol para continuar la gluconeogénesis.

• La membrana interna mitocondrial es impermeable al oxal-

acetato por lo que debe transformarse en malato para el

cual existe un transportador en la membrana y volverlo a

transformar en oxalacetato afuera.

• Dicho mecanismo llamado lanzadera, consiste en una pro-

teína transportadora de malato y dos isoenzimas de malato

deshidrogenasa, una dentro y otra fuera de la mitocondria.

Lanzadera del malato

MITOCONDRIA CITOSOL

Oxalacetato Oxalacetato

Malato Malato

Malato

deshidrogenasa

Malato

deshidrogenasa

NADH NADH

NAD NAD