Metabolismo dei carboidrati: focus sulla glicolisi e la sua regolazione

METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO

La glucosa es el carbohidrato de mayor contenido energético (alimentación). En los animales superiores la glucosa se almacena en forma de GLUCÓGENO en hígado y músculo.

• El glucógeno muscular es para uso propio del músculo durante el ejercicio físico.
• El glucógeno hepático mantiene las concentraciones de glucosa en sangre constantes durante las primeras horas de ayuno. Este glucógeno se degrada proporcionando glucosa, que va a la sangre hasta alcanzar el músculo y cerebro (ambos formados por tejidos que se alimentan de glucosa).

Antes de ser usada para generar energía, la glucosa se oxida a piruvato en un proceso denominado GLUCOLISIS en el citoplasma.

Tras esta fase, la glucosa se degrada mediante reacciones redox, a través de rutas oxidativas para conseguir energía (ATP), que son diferentes según el último aceptor de electrones:

• Fermentación: los e- de moléculas orgánicas se transfieren a moléculas inorgánicas. Lo realizan organismos anaerobios.
• Respiración: los e- al final se transfieren al oxígeno. Lo realizan organismos aerobios. En este proceso, la glucosa se oxida hasta dar CO2 y H2O; los protones y electrones desprendidos son aceptados finalmente por el oxígeno para dar lugar a moléculas de agua.

GLUCÓLISIS

Ya sea para la respiración o fermentación, la glucosa debe oxidarse a piruvato en el citoplasma, mediante la glucolisis.

El hígado almacena glucógeno, que es degradado hasta glucosa y se libera a la sangre. Cuando la glucosa es captada por las células de los tejidos, estas van a oxidar glucosa hasta dar lugar a 2 moléculas de piruvato.

Características de la glucolisis

• Única ruta de obtención de ATP en ausencia de O2 en animales
• Ubicua y universal
• Ruta citosólica
• Convierte la glucosa en 2 moléculas de piruvato, generando ATP
• Los electrones y protones generados en la oxidación son transferidos al NAD+, por lo que se genera tambien NADH + H+ (poder reductor)
• Los intermediarios glucolíticos también se emplean en la biosíntesis de moléculas importantes

Durante la glucólisis van a tener lugar 3 transformaciones químicas:

• Degradación de la glucosa para transformarse en piruvato
• Fosforilación del ADP a ATP utilizando la energía desprendida en el proceso
• Transferencia de los electrones y protones desde los intermediarios glucolíticos para la formación de NADH + H+

*La glucosa y algún intermediario glucolítico se activan por fosforilación, por lo que al oxidarse desprenden energía. *Las enzimas glucolíticas necesitan Mg2+ porque este forma complejos con las cargas negativas de los grupos fosfato de los intermediarios glucolíticos como ADP y ATP.

ETAPAS GLUCOLISIS

ETAPA I: Etapa de inversión de energía

Consiste en una serie de fosforilaciones que activan la molécula de glucosa y la preparan para que su oxidación posterior libere energía. Así, en la etapa 1 la glucosa se carga de energía para que en la etapa 2 se desprenda energía de manera espontánea.

Los grupos fosfato unidos a los intermediarios glucolíticos tienen 3 funciones:

• Están ionizados a ph=7, lo que les impide atravesar la membrana plasmática y abandonar la célula debido a la permeabilidad selectiva de la membrana, que impide que los fosfatos con carga negativa abandonen la célula
• Forman enlaces de alta energía que después se transferiran al ADP para formar ATP
• Los grupos fosfato son grupos de reconocimiento o de union a los centros activos de las enzimas de la glucolisis

Esta fase de inversión de energía consta de 5 reacciones en las que se forman azúcares- fosfato, que son intermediarios glucolíticos, a costa de convertir ATP en ADP. Entonces, se obtienen 2 moléculas de azúcar-fosfato de 3 carbonos a partir de un sustrato de 6 carbonos (la glucosa).

Fosforilación de glucosa a glucosa-6-P: Hexoquinasa

Es una reacción irreversible que supone un punto de regulación de la ruta. Gastamos el primer ATP, por lo tanto se trata de una reacción exergonica, ya que se lleva a cabo la hidrólisis de ATP para que se transfiera el grupo fosfato al OH del C6 de la glucosa (desprendiendo 7,3 kcal).

0 TO-P-O-CH HO-CH O O ATP ADP 0 H H H 1 OH H hoxukinnse OH H OH HỒ OH H OH Glucose Glucose 6-phosphate AG" = - 16.7 KJ/mol Extracellular fluid Cytoplasm Glucose Glucose ATP - ADP Glucose- KS 6-phosphate

Una vez fosforilada la glucosa, no podrá abandonar la célula. La hexoquinasa puede usar como sustrato en vez de la glucosa otros monosacáridos de 6 átomos de carbono: fructosa, manosa o galactosa.

La glucosa-6-fosfato tiene distintos destinos dependiendo de las necesidades celulares:

• Ruta de la pentosas fosfato
• Participar en la síntesis del glucógeno
• Continuar con la glucolisis

glucosa Ruta de las pentosas fosfato GÓP Sintesis de glucógeno FOP Continua alucólisis Glucose is kept in the cell by phosphorylation to G6P. which cannot easily cross the plasma membrane H H H

Isomerización de la Glucosa-6-P a Fructosa-6-P: Fosglucoisomerasa

Es una reacción reversible. La enzima fosfoglucoisomerasa transforma la glucosa-6-P en fructosa-6-P (más inestable porque tiene un doble enlace más fácil de oxidar). Se necesita Mg2+ por la repulsión de cargas.

O 6 0-P-O-CH2 O O 5 0 0-P-O-CH2 O 1 CH2OH H H Mg2+ 0 5 H HO >2 OH HO OH phosphohexose isomerase H 3 2 4 H OH OH H Glucose 6-phosphate Fructose 6-phosphate

Fosforilación de la Fructosa-6-P a Fructosa-1,6-bifosfato: Fosfofructoquinasa 1

Es una reacción irreversible y es un punto de regulación. La fosfofructoquinasa 1 hidroliza el segundo ATP (reacción exergónica) para transferir el grupo fosfato al C1 de la fructosa y formar fructosa-1,6-bifosfato. También se necesita Mg2+.

0 O O O-P-O-CH2 0 CH2-OH ATP ADP 0-P-O-CH2 O O >2 Mg2 5 H HO 2 OH phosphofructokinase-1 OH 4 3 OH H Fructose 6-phosphate OH H Fructose 1,6-bisphosphate -3,4 Kcal/mol AG" = CH2-O-P-O O 0 H HO 1 OH H 4 H 6

La fosfofructoquinasa es muy sensible a la situación energética de la célula y a las concentraciones de otros intermediarios, en especial al citrato y a los ácidos grasos.

Escisión de la Fructosa-2,6-bifosfato en Dihidroxiacetona-P y Gliceraldehído-3-P: Aldolasa

Se escinde la fructosa-1,6-bifosfato en dos moléculas de 3 átomos de C:

• Dihidroxiacetona-P
• D-gliceraldehído-3-P

El gliceraldehído-3-P es el único que puede seguir la ruta, por lo que la dihidroxiacetona-P deberá transformarse cambiando ese fosfato de posición 1 a la 3 para obtener gliceraldehído- 3-P Esta escisión de la fructosa es reversible por la enzima aldolasa.

O O H 6 O-P-O-CH2 O O 5 2 H HO aldolase CH2-0-P-O O C=0 CH2OH + HCOH 0 CH2-0-P-O" 4 13 OH H Fructose 1,6-bisphosphate Dihydroxyacetone phosphate Glyceraldehyde 3-phosphate

Interconversion de triosas fosfato: Triosa fosfato isomerasa

La dihidroxiacetona-P se transforma en gliceraldehído-3-P. La molécula adquiere una nueva numeración, y así hay 2 moléculas de gliceraldehído-3-P en la glucolisis, y por ello debemos multiplicarlo todo por 2. Es una reacción débilmente endergónica (desfavorable), ya que rápidamente se metaboliza en el laboratorio (baja concentración de productos).

O H CH2OH HCOH 0 C=0 O triose phosphate isomerase CH2-0-P-O CH2-0-P-0 0- O Dihydroxyacetone phosphate Glyceraldehyde 3-phosphate O CH2-0-P-O- C O H O

ETAPA II: Etapa de generación de energía

Son una serie de reacciones a partir de las cuales los intermediarios glucolíticos se oxidan para obtener piruvato. En estas reacciones:

• Se produce energía, ya que los grupos fosfato se transfieren al ADP para formar ATP
• Se genera poder reductor en forma de NADH + H+ en un proceso llamado fosforilación a nivel de sustrato

Oxidación del Gliceraldehído-3-P a 1,3-bifosfoglicerato: Gliceraldehído-3-P DH

El gliceraldehído-3-P se oxida y se le une un fosfato inorgánico= 1,3-bifosfoglicerato. Obtendremos poder reductor, ya que el NAD+ se reduce a NADH + H+ La enzima gliceraldehído-3-P -deshidrogenasa no utiliza ATP, sino fosfato inorgánico, por lo que no consume energía. Sin embargo, se obtiene una molécula que almacena mucha energía gracias a sus grupos fosfato: 1,3-bifosfoglicerato.

0 H 0 O-P-O C 0 NAD NADH + H U C HCOH + HO-P-O HCOH CH„OPO" CH_OPO 0 glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase 1.3-Bisphosphoglycerate Glyceraldehyde 3-phosphate Inorganic phosphate

Transferencia del fosfato desde el 1,3-bifosfoglicerato al ADP: Fosfoglicerato quinasa

Un grupo fosfato del 1,3-bifosfoglicerato se transfiere al ADP para formar ATP: fosforilación a nivel de sustrato (como tenemos 2 gliceraldehídos, realmente se forman 2). Esta reacción está desplazada hacia la formación de ATP, pero es reversible. Todas las reacciones están desplazadas hacia donde disminuye la variación de energía libre del sistema.

Esta reacción está catalizada por la enzima fosfoglicerato quinasa que, junto con Mg2+ da lugar al 3-fosfoglicerato y ATP, tras haber transferido un grupo fosfato al ADP.

PRIMERA Fosforilación a nivel de sustrato carboxilo 0 O P 0-P=0 0 e e 0 O HOOH HCOH Rib Adenine CH,OPO O CH,OPO" Rib Adenine 1,3-Bisphosphoglycerate ADP 3-Phosphoglycerate ATP

Conversión del 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato: Fosfoglicerato mutasa

Es una reacción reversible, se transfiere el grupo fosfato desde el carbono 3 al 2. Así, el 3- fosfoglicerato se transforma en 2-fosfoglicerato gracias a la enzima fosfoglicerato mutasa. Es una molécula muy inestable al estar muy cerca las cargas.

O O O C Mg2+ HC-OH O CH2-0-P-O- phosphoglycerate mutase HC-0 -P-0 CH2-OH 0 0 3-Phosphoglycerate 2-Phosphoglycerate

Deshidratación del 2-fosfoglicerato a PEP: Enolasa

El 2-fosfoglicerato se transforma en fosfoenolpiruvato gracias a la enzima enolasa, liberando una molécula de agua. Es una reacción reversible en la que se desprende una molécula de H2O y se forma un doble enlace entre el C2 y el C3, por lo que sigue siendo inestable. Esta inestabilidad provoca que haya más energía interna, por lo que la molécula tiene más posibilidades de reaccionar y se desprenderá más energía cuando reaccione, asegurándonos energía suficiente para sintetizar ATP.

O O a 0 O C O C O 1 H-C-O-P-O C-O-P-0 enolase HO-CH2 Ò CH2 O 2-Phosphoglycerate Phosphoenolpyruvate Molécula muy inestable.

Transferencia del grupo fosfato desde el PEP al ADP: Piruvato quinasa

La última enzima es alostérica, llamada piruvato quinasa. Se trata de una reacción irreversible (punto de regulación), donde se desprende un total de 14,8 kcal de las que 7,3 kcal se utilizan para guardar energía en forma de ATP (sobrando otros 7,5 kcal). La ruta está totalmente desplazada hacia la formación de PIRUVATO.

H2O