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