Tema 16: Aspectos generales de la estructura y del metabolismo de glúcidos. Glucolisis: reacciones, rendimiento energético y regulación. Papel de la fructosa-2,6- bifosfato.

Las proteínas son degradadas a aminoácidos. Los polisacáridos, a glucosa y otros azucares. Y las grasas, a ácidos grasos y glicerol. Todos estos compuestos resultantes, terminan transformándose en acetil-CoA, para participar en el ciclo de Krebs y poder obtener energía en forma de ATP.

La pared del intestino sólo puede ser atravesada por ciertas moléculas (aminoácidos, monosacáridos, bases nitrogenadas, pentosas, fosfato, nucleótidos, glicerol, 2-monoacilgliceroles, ácidos grasos, colesterol, vitaminas, algunos compuestos inorgánicos) por lo que los nutrientes tienen que degradarse hasta alguno de esos compuestos para ser absorbidos y poder ser transportados por el sistema sanguíneo. Compuestos como fibras no se pueden absorber y forman las heces.

Las glándulas salivales y el páncreas secretan sustancias para la digestión.

Los hidratos de carbono: disacárido (sacarosa, lactosa) y polisacáridos (glucógeno o almidón), se degradan a monosacáridos (glucosa, galactosa, fructosa) para poder ser digeridos, puesto que son polares y pueden atravesar las membranas plasmáticas. La glucosa, por ejemplo, entra asociada al Na.

Las sustancias son absorbidas en el intestino delgado, y luego, por la vena porta, pasan por el hígado, desde donde ya se distribuyen por todo el organismo a través del sistema sanguíneo.

El cerebro sólo usa glucosa. De los 160 gramos de glucosa que podríamos ingerir diariamente el cerebro tomo unos 120 gramos. Otros tejidos, ademas del cerebro y el sistema nervioso, que usan glucosa como principal fuente de energía son: los eritrocitos, los testículos, el músculo y la corteza renal.

Otros tejidos en situaciones extremas puede producir gucosa, como el hígado o la médula renal.

En animales la glucosa se alamcena en forma de glucogeno, por un preceso llamado glucogenogenesis. En vegetales se almacena la glucosa en forma de almidón.

Para producir nueva glucosa exite la gluconeogenesis, a partir de piruvato.

La vía que degrada la glucosa es la glicolisis. Aunque tambien se puede degradar glucosa por la vía de las pentosas-fosfato.

Glicolisis

La glicolisis es una ruta metábolica bastante conocida y estudiada y casi universal porque requiere poco para llevarse a cabo. Se produce en el citosol, sin necesidad de ningun orgánulo. Algunos de los intermediarios de la glicolisis participan en otras vías metabólicas gracas a que ésta los proporciona.

La glicolisis se divide en dos fases:

Fase preparatoria: Gasta 2 ATP.

La glucosa se fosforila por acción de una molécula de ATP junto con enzimas hexoquinasas (con Mg, porque es el cofactor de todas las quinasas), convirtiendo esa glucosa en glucosa 6-fosafato. Esta reacción sería endergónica, pero en la glicolisis es exergónica por acoplamiento. Es irreversible. La glucosa puede entrar en la célula, pero fosforilada no puede salir.

Esta hexoquinasa(HK) tiene 4 formas (de I a IV) y tienen muy baja especificidad y un bajo valor de K M.

Esta glucosa 6-fosfato se convierte en fructosa 6-fosfato por la acción de la fosfohexona isomerasa, que cataliza la isomerizacion reversible, ya que la energía libre estándar es relativamente pequeña.

La fosfofructoquinasa-1 (PFK-1) cataliza la transferencia de un grupo fosforilo (P=O) desde el ATP a la fructosa 6-fosfato para dar fructosa 1,6-bifosfato. Constituye la etapa limitante de la glucolisis.

El enzima aldolasa cataliza la rotura de la fructosa 1,6-bifosfato en 3 triosas fosatato diferentes, el gliceraldehído 3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato. Esta reacción en concetraciones bajas es reversible.

En la siguiente fase de la glicolisis sólo puede ser degrado directamente el gliceraldehido 3-fosfato, por lo que la dihidroxiacetona fosfato es convertida en otro gliceraldehido 3-fosfato, por una enzima triosa fosfato isomerasa.

Fase de generación de energía: Produce 4 ATP.

Cada gliceraldehido 3-fosfato procedente de una glucosa, realizan esta fase. Por lo que todo el proceso ocurre por duplicado.

El gliceraldehido 3-fosfato se oxida a 1,3-bisfosfoglicerato por acción del enzima gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa, cuyo aceptor de hidrógenos es el NAD+¿ ¿, que se reduce a NADH.

La enzima fosfoglicerato quinasa transfiere un grupo fosforilo desde el 1,3-bisfosfoglicerato al ADP, con lo que se forma ATP y 3-fosfoglicerato. Este proceso de formación de ATP por transferencia del grupo fosforilo de un sustrato se conoce como fosforilación a nivel de sustrato.

El enzima fosfoglicerato mutasa, con acción del magnesio, cataliza la transformación de 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato, mediante el desplazamiento del grupo fosforilo desde el carbono 2 al 3. Primero el enzima coloca un

fosforilo en el carbono 2, y después coge el del carbono 3.

La enzima enolasa promueve la eliminación reversible de una molécula de agua (H 2O) del 2-fosfoglicerato, dando fosfoenolpiruvato (PEP).

La última reacción de la glicolisis es la transferencia del grupo fosforilo desde el fosfoenolpiruvato al ADP por la piruvato quinasa, que requiere K+¿ yMg2+¿¿ ¿, produciendo piruvato y ATP. Se trata de otra fosforilación a nivel de sustrato.

El resultado de este proceso son 2 moléculas de ATP por cada gliceraldehido 3-P que entra en esta fase, puesto que son dos la producción bruta de energía de la glicolisis son 4 moléculas de ATP. Como en la primera fase de la glicolisis se invirtieron 2 moléculas de ATP, el producción neta es de 2 moléculas de ATP.

REACCIÓN GLOBAL:

Gº’= -85kJ/mol

Regulación de la GlucolisisLa glucolisis se puede regular por:

- Factores Metabólicos: según la situación energética de la célula.- Factores Hormonales: según la situacion energética del organismo.

Si no hay glucosa no se puede degradar, por lo que esta vía es sensible a la concentración de glucosa.Cuando la carga energética es elevada, es decir la concentración de ATP es grande, no se produce la glicolisis. En cambio, cuando la concentración de ADP es elevada se activa.

La regulación de la glicolisis varía dependiendo de los tejidos (hígado o músculo).

HEXOQUINASA (HK):

La hexoquinasa, que cataliza la entrada de glucosa a la ruta glucolítica, en un enzima regulador. Tiene 4 isozimas (proteinas diferentes que catalizan la misma reacción).

En el músculo se encuentran las isozimas I, II y III de la hexoquinasa, catalizando la conversión de glucosa en glucosa 6-fosfato. Estos isozimas son inhibidos cuando la concentración de glucosa 6-fosfato se eleva por encima del nivel normal (lo que podría indicar que un paso de la glicolisis está bloqueado), para actuar en equilibrio con su utilización. El Km de estos isozimas es muy bajo (Km=0.1mM) de manera que así el enzima llega antes a su máxima actividad en el músculo, ya que éste, cuanto mayor cantidad para producir energía consiga, mejor.

En el hígado se encuentra el isozima hexoquinasa IV, que también recibe el nombre de glucoquinasa. Una de las funciones del hígado es la regulación de la glucosa, produciendola o inhibiendo su formación según sea la concentración de glucosa dominante.

- Esta enzima tiene un valor de Km elevado (Km=10mM), lo que permite la regulación directa por el nivel de glucosa sanguínea, puesto que su actividad va aumentando a medida que lo hace la concentración de glucosa.

- En el hígado hay una proteína reguladora de la hexoquinasa IV, que cuando se le une fructosa 6-fosfato inhibe a la isozima, por lo que este órgano conserva la glucosa en condiciones de escasez. Cuando hay glucosa suficiente, ésta se une a la proteina reguladora y la disocia, permitiendo la acción de la hexoquinasa IV.

- A diferencia que las otras isozimas de la hexoquinasa, la IV no es inhibida por altas concentraciones de glucosa 6-fosfato, lo que permite seguir produciendo.

El higado es el órgano más altruista, produce glucosa y la almacena en forma de glucogeno, no pasa él, sino para otros organos. Además actúa como tampón, amortiguando el pH aunque varien las concentraciones de iones hidroxilo. El músculo, en cambio, no puede producir glucosa, y simplemente almacena glucógeno para sí mismo.

FOSFOFRUCTOQUINASA-1 (PFK-1):

La fosfofructoquinasa es un enzima alostérica que cataliza la fosforilación de la fructosa-6-P a fructosa-1,6-P, consumiendo ATP. Tiene varios sitios reguladores a los que se fijas activadores o inhibidores alostéricos:

- Cuando los niveles de ATP de la célula son elevados, éste inhibe a la PFK-1 al fijarse a un sitio alostérico y disminuir la afinidad del enzima por la fructosa 6-fosfato. Ya que el ATP es uno de los productos finales de la glucolisis y su acumulación significa que se está produciendo más de lo que se consume, por lo que al inhibir la ruta en este punto no se produce más.El ADP y el AMP, que aumentan sus concentración cuando el consumo de ATP es superior a su producción, actúan para producir una actividad enzimática mayor.

- Una concentración alta de citrato aumenta el efecto inhibidor del ATP, ya que normalmente sirve como señal intracelular de que la célula está alcanzando sus niveles necesarios de energía.

- La fructosa 2,6-bisfosfato activa poderosamente al enzima.

La regulacion de la glicolisis es sensible a:

1. Los niveles de energía, que indican las concenrtaciones de ATP, ADP y AMP.2. El valor del pH, en el músculo cuando llega a un determinado valor inhibe la glucolisis.3. La disponibilidad de sustratos, como el citrato en el hígado que indica que se produce

energía, ya que una degradación abundante de ATP porduce citrato, y detiene la glucolisis.

4. Los niveles de glucosa en sangre (o en el hígado la fructosa-2,6-bifosfato que activa la glicolisis).

Una sola proteína tiene dos actividades enzimáticas por su dominio quinasa (fosfofructoquinasa 2) y dominio fosfatasa (fructosa-2,6-bifosfatasa). En el hígaso es regulado por fosforilación.

Cuando la enzima no está fosforilada, la función fosfatasa no está activa y funciona la quinasa. Lo que estimula a la fosfofructoquinasa, que activa la glucolisis.

Cuando la enzima se fosforila, la función quinasa no funciona, porque lo hace la acción fosfatasa. Y no estimula a la fosfofructoquinasa, lo que inhibe la glucolisis.

[*esto está chuchurrío explicao]

Cuando los niveles de glucosa son bajos, se libera glucagón que activa a la proteina quinasa A, con lo que la fosfofructoquinasa se vuelve activa, e inhibe la glicolisis.

Cuando los niveles de glucosa son altos, se libera insulina, que anula a la fosfofructoquinasa y activa a la fructosa-2,6-bifosfatasa, lo que activa la glicolisis.

En el músculo, la fosfofructoquinasa 2/fructosa-2,6-bifosfatasa no está regulada por fosforilación/defosforilación, sino por estimulación de la fructosa-6-fosfato.

Regulación de la HK IV

Cuando la concetración de glucosa es baja, y por tanto la de fructosa 6-fosfato es alta, la hexoquinasa IV está secuestrada en el nucleo por la proteína reguladora de la glucoquinasa (GKRP), por lo que no puede actuar, y así se impide que el hígado compita con otros órganos por la escasa glucosa.

Cuando la concentración de glucosa es alta (al entrar a la célula del hígado por Glut2), la GKRP se disocia y la hexoquinasa IV puede salir al citosol e actuar en glucolisis de esa glucosa (ahora que la hay en más cantidad).

PIRUVATO QUINASA

Concentraciones elevadas de ATP, acetil-CoA y ácidos grasos inhiben alostéricamente todos los isozimas de la piruvato quinasa, mientras que la acumulación de fructosa 1,6-bisfosfato porvoca su activación. La acumulación de alanina, que se puede sintetizar a partir del piruvato en un paso, inhibe alostéricamente la piruvato quinasa, haciendo más lenta la producción de piruvato por la glucólisis.

En el hígado para impedir que se consuma glucosa en la glucolisis cuando la concentración es baja, y en su lugar exporte glucosa, cuando desciende la concentración de glucagón, por el ATP se fosforila la piruvato quinasa inactivándola. Cuando los niveles de glucosa en sangre son elevados, por una molécula de agua se defosforila la piruvata quinasa, lo que la activa.

Glucolisis y cáncerLa captación de glucosa y la glucólisis funcionan más rapido en la mayoría de tumores que en los tejidos no cancerosos.

Las células tumorales experimentan hipoxia (suministro limitado de oxígeno) debido a la falta inicial de una red capilar que suministra oxígeno al tumor. Por ello, las células cancerosas más alejadas de los capilares dependen de la glicolisis anaeróbica para la mayor parte de la producción de ATP. La glucolisis deriva a fermentación lactica, porque incorporan más glucosa que las células normales, pasándola a piruvato y luego a lactato.

Ademas como las celulas tumorales tienen pocas mitocondrias se necesita más glucolisis para producir ATP, ya que es la unica via que puede producir ATP sin combustible ni oxígeno.

Las células tumorales detectan que hay poco ATP y liberan el factor de transcripción inducible por la hipoxia (HIF-1) es una proteína que induce la síntesis de enzimas glucolíticos: GLUT1, GLUT3, hexoquinasa, fosfofructoquinasa, aldolasa, G-3P deshidrogenasa, fosfoglicerato quinasa, enolasa, piruvato quinasa, lactato deshidrogenasa. Estos proporcionan al tumor la

capacidad de sobrevivir en condiciones anaeróbicas hasta que el suministro de los vasos sanguíneos esté en concordancia con el crecimiento tumoral.

El HIF-1 además libera citoquinas que generan inflamación y propios vasos sanguíneos para las células tumorales, lo que las hace independientes para que proliferen libremente.