Tema 21.-Degradación de carbohidratos. Introducción al metabolismo. Digestión de carbohidratos. Transporte celular de glucosa. Glucolisis.

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1 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.

2 Glucolisis. Uso de la Glucosa por las Células Glucosa Principal Nutriente: Energia libre de combustión completa Kj/mol semiacetal Destinos de la glucosa en la célula Lehninger 4th ed Ch 7

3 Glucolisis 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 Fermentacion en extractos celulares. Harden/Young Fosfato estimula la fermentacion de glucosa. Las reacciones individuales de la glucolisis se descubrieron en , por Embden, Meyerhof y Otto Warburg. Se llama también: ruta de Embden-Meyerhof. Louis Pasteur Eduard Buchner

4 Las reacciones individuales de la glucolisis se descubrieron en , por Embden, Meyerhof y Otto Warburg. Se llama también: ruta de Embden-Meyerhof. Otto Warburg La glucolisis transcurre en el citosol.

5 La glucolisis tiene dos fases: Fase de gasto de ATP: 2 ATP por glucosa Productos finales: 2 triosas-p Fase de formación de ATP y NADH: 4ATP y 2NADH por glucosa Productos finales: 2 piruvato Mathews3eCh13

6 HK Fase de gasto de ATP ΔG= -33kj Fosfoglucosa isomerasa/ fosfohexosa isomerasa ΔG= -2.3kj PFK (PFK1) ΔG= -22kj Aldolasa ΔG= -1.3kj Mathews3eCh13

7 Triosa fosfato isomerasa Mathews3eCh13 ΔG = 2.5kj/mol A partir de aquí 3C = 4C 2C = 5C 1C = 6C

8 Fase de generación de ATP y NADH ΔGº = 6,3kj/mol ΔG = -3kj/mol Oxidación del carbonilo en 1C a carboxilo: transferencia 2H a NAD + acoplada a la incorporación de Pi: endoergónico en condiciones standard pero no en la célula

9 Mecanismo de la Gliceraldehido-3-fosfato Deshidrogenasa (GAPDH) 2 Union del tiol y aldehído: tiohemiacetal Oxidación del tiohemiacetal al tioester La energía de hidrólisis del tioéster se mantiene en el acil-fosfato 1 SH Mathews3eCh13 GAPDH tiene un tiol de una cisteina en su centro activo Inhibición de glucolísis por iodoacetato: se debe a alquilación de GAPDH. Inactivación de GAPDH inhibe la glucolisis: GAPDH-SH + ICH 2 -COOH GAPDH-S-CH 2 -COOH + HI

10 Gliceraldehido-3P-DH Lehninger 4th ed Ch14-7, p530

11 Fase de Generación de ATP y NADH 3fosfoglicerato quinasa: fosforilación a nivel de sustrato ΔG = 2,6kj/mol Fosfoglicerato Mutasa Fosfoglicerato mutasa: ΔG = 1,6kj/mol 3-PG [2,3PG] 2PG 2,3bisPG (2,3BPG) es in intermediario de la reacción, presente en cantidades muy pequeñas Mathews3eCh13

12 Fase de generación de ATP y NADH 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 Mathews3eCh13

13 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)

14 Entrada de otros monosacáridos a la glucolisis: fructosa y galactosa HK es inespecífica de sustrato Stryer5eCh16

15 Entrada de la Fructosa en hígado

16 Entrada de la galactosa en la glucolisis Gal-1-P uridil transferasa Gal-1-P + UDP-gluc UDP-gal + gluc-1-p UDP-gal 4 epimerasa UDP-gal UDP-glucosa Gal-1-P uridil transferasa UDP-gluc + Gal-1-P UDP-gal + gluc-1-p Fosfoglucomutasa Gluc-1-P Gluc-6-P

17 Entrada de disacáridos: se hidrolizan en la pared intestinal Maltasa maltosa Lactasa lactosa 2glucosa 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.

18 Destinos del piruvato: Aerobio: acetil-coa y ciclo de Krebs Anaerobio: Fermentaciones: Necesidad de recuperación del NAD Stryer5eCh16

19 Destino del piruvato en anaerobiosis Fermentación láctica (Lactobacillus youghourt, músculo) Glucosa + 2ADP + 2Pi 2lactato + 2ATP Fermentación alcohólica Glucosa + 2ADP + 2Pi 2etanol + 2CO 2 + 2ATP Lehninger 4th ed Ch14

20 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) Deuda de oxígeno 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.

21 Piruvato descarboxilasa. Coenzima: Tiamina pirofosfato como coenzima de alfa-descarboxilaciones tiazol CH3-CO-COOH CH3-CHO +CO 2 Piruvato descarboxilasa R1-CO-COOH R1-CO-CoA + CO 2 Piruvato deshidrogenasa, αkgdg R3-CO-CHOH-R4 R3-CO-CHOH-R5 Transcetolasa Lehninger 4th ed Ch14 Stryer5e

22 La reacción de la piruvato decarboxilasa tiene al acetaldehido activo unido a TPP (hidroxietil TPP) como producto intermedio Piruvato CO 2 CH3-CHO TPP Lehninger 4th ed Ch14

23 Piruvato descarboxilasa Liberación del acetaldehido y regeneración del TPP Producto de la adición del TPP carbanion al piruvato Descarboxilación Protonación para formar hidroxietil- TPP La descarboxilación da un carbanión estabilizado por resonancia, gracias a que el tiazolio actúa como sumidero de electrones Lehninger 4th ed Ch14

24 Problema: 1 Suministras glucosa marcada en su 4C con 14 C a unas levaduras y estudias la aparición de lactato radioactivo. Qué carbono del lactato estará marcado? El COOH El CHOH El CH 3 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

25 Regulación de la glucolisis Efecto 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 PK Mecanismos de Regulación: ΔGº = -17kj/mol ΔG = -25 kj/mol ΔGº = kj/mol ΔG = -33 kj/mol Control alostérico por metabolitos de la vía inhibición feed-back, activación feed-forward Modificación Covalente (interconversión enzimática) Variación de niveles: Síntesis/Degradación

26 Regulación Fosfofructoquinasa PFK (PFK1) y PK Moduladores Inhibición por ATP feed-back Activación por F-1,6-BP es feed-forward Mathews3eCh13 Stryer5eCh16

27 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.

28 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)

29 La entrada de glucosa en las células por difusión facilitada por los GLUT es una etapa reguladora adicional de la glucolisis Ext Citosol Stryer5eCh16 Lehninger 4th ed 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.

30 La glucolisis se estimula y la actividad mitocondrial disminuye en tumores (Otto Warburg) Las células cancerosas crecen más deprisa que los vasos: hipoxia VEGF=vascular endotelial GF Stryer5eCh16

31 Destino del piruvato en aerobiosis: piruvato deshidrogenasa Entrada a la mitocondria con un protón (electroneutro) Piruvato + NAD + + CoA CO 2 + acetil-coa + NADH + H + CH3 C=O HOC=O Piruvato CO 2 Descarbo -xilación TPP CH3 H - C - OH Oxidación Hidroxi etil-tpp Lipoamida CH3 C= O Acetillipoamida Transferencia a CoA CoA CH3 C= O Acetil-CoA PDH. Resumen de los pasos entre Piruvato y Acetil-CoA

32 Coenzimas que participan en el complejo piruvato deshidrogenasa (PDH) Se une a la proteina por un enlace amida: lipoamida Coenzima A Stryer5eCh14

33 E1 Complejo piruvato deshidrogenasa Piruvato deshidrogenasa Reacciones 1 y 2 CH 3 -CO-COOH CO 2 TPP E TPP CHOH CH 3 E3 CH 3 CO HS S S S Dihidrolipoil deshidrogenasa, reacciones 4 y 5 CoA-SH Lys FADH 2 E2 4 NAD + 3 E3 5 E2 HS SH H 3 C-CO-SCoA FAD Dihidrolipoil transacetilasa Reacción 3 NADH + H +

34 Destino del piruvato en aerobiosis: piruvato deshidrogenasa Piruvato + NAD + + CoA CO 2 + acetil-coa + NADH + H + 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 lipoico E2 une ac lipoico /lipoamida E3 une FAD

35 PDH: estructura. La cadena lateral de la lipoamida permite su movimiento de una a otra subunidad E2 (dihidrolipoil transacetilasa) tiene dominios de union de lipoamida (1-3, dependiendo de las especies), acetiltransferasa y de interaccion con E1 y E3 12 E3, (6x2) en los centros de las caras 24 E1 (3x8) en los vértices PDH de E.coli 8x3 =24 Stryer5eCh17

36 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 (AsO 3 3- ) se debe a la unión del mismo a los grupos tiol próximos del ac lipoico. Los síntomas son parecidos al beriberi

37 Balance energético desde glucosa a acetil-coa Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NADcit 2 piruvato + 2ATP + 2(NADH + H)cit transporte de pir 2piruvato(cit) 2piruvato(mit) PDH 2 piruvato + 2NADmit + 2CoA 2Acetil-CoA + 2CO2 + 2(NADH + H)mit 1 NADH mit da 2,5ATP. Por tanto, Glucosa Glucosa 2AcetilCoA + 2NADH(cit) + 2ATP (cit) + 5ATP(mit) 2AcetilCoA + 2NADH (cit) + 7ATP

38 Regeneración del NAD citosólico: Oxidación del NADH citosólico mediante las lanzaderas Lanzadera del 3-gliceroP: el NADH citosólico entra en la mitocondria como FADH 2, al mismo nivel que el complejoii. Se forman 1,5 ATP/NADH Espacio interm Complex IV Complex III 1/2O 2 H 2 O Stryer5e

39 Lanzadera Aspartato-malato: genera~ 2,5ATP/NADH Necesita energía NADH/NAD mit > NADH/NAD cit OGC H + Ca 2+ + AGC Lehninger 4th ed Ch19 Modificada para 2009

40 Citosol Lanzadera Aspartato-malato: genera~ 2,5ATP/NADH Necesita energía NADH/NAD mit > NADH/NAD cit Glutamato COOH-CH-CH 2 -CH 2 -COOH Lanzadera de NADH Aspartato-Malato H + Ca 2+ Matriz Mitocondrial Glutamato COOH-CH-CH 2 -CH 2 -COOH AAT NH 2 COOH-CH-CH 2 -COOH NH 2 Aspartato COOH-CO-CH 2 -CH 2 -COOH α-kg COOH-CO-CH 2 -COOH NADH OAA Oxalacetato MDH NAD COOH-CHOH-CH 2 -COOH Malato AGC NH 2 COOH-CH-CH 2 -COOH NH 2 Aspartato Oxalacetato (OAA) COOH-CO-CH 2 -COOH OGC NADH NAD MDH COOH-CHOH-CH 2 -COOH Malato AAT COOH-CO-CH 2 -CH 2 -COOH α-cetoglutarato (oxoglutarato, α-kg)

41 Balance energético desde glucosa a acetilcoa Glucosa 2acetilCoA y se producen 7ATP + 2NADH (cit) Regeneración de 1NADHcit da 1,5ATP (lanz glicerop) da 2,5ATP (lanz asp-mal) Por tanto: Glucosa 2acetilCoA y se producen 10ATP (lanz glicerop) y se producen 12ATP(lanz asp-mal)

42 Ciclo de las pentosas fosfato Objetivos: 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

43 3 3x 3 Fase no oxidativa Partiendo de 3 Glucosa-6-P que dan 3 Ribulosa-5-P se forman 2 Frucosa-6-P y 1 gliceraldehído-3p Stryer5eCh20

44 Fase oxidativa: dos reacciones de formación de NADPH Stryer5eCh20

45 Fase no oxidativa: Transformaciones de pentosas entre sí: Ribulosa -5-P epimerasa y Ribulosa-5-P isomerasa Isomerasa Epimerasa Stryer5eCh20

46 Fase no oxidativa: Transcetolasa transfiere 2 carbonos Transcetolasa usa TPP como coenzima Stryer5eCh20

47 Transaldolasa: transfiere 3 carbonos Stryer5eCh20

48 Transcetolasa: transfiere 2 Carbonos Stryer5eCh20

49 Fase no oxidativa: Partiendo de 3 Ribulosa-5-P 3 3 Isomerasa Epimerasa x3 x3 Transcetolasa Transaldolasa se forman 2 Frucosa-6-P y 1 gliceraldehído-3p Transcetolasa Stryer5eCh20

50 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 gamaglutamil-cisteinil-glicina. GSH se requiere para eliminar H 2 O 2 glutation peroxidasa H 2 O 2 + 2GSH 2H 2 O + GSSG glutation reductasa GSSG + NADPH + H + 2GSH + NADP + G6P DH G-6-P + NADP + NADPH + H + + 6PGluconolact GSH Prevalencia de deficiencia en G6PDH en lugares con malaria.

51 Regulación de la PK 2.Modificación covalente en hígado ProteinaKdependiente de camp, PKA PKA Regulación PFK1 y PK 1.Efectos alostéricos Activación por F-1,6-BP es feed-forward Stryer5eCh16

52 Formación de F-2,6-BP Fructosa-6-P + ATP PFK2 + ADP FBPasa2 F-2,6-BP + H 2 O F-6-P + Pi 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 fosfatasa de forma regulada por fosforilación. Stryer5eCh16&Mathews3eCh13

53 Hígado, regulación hormonal de la glucolisis Abundancia de glucosa promueve estimulación de la glucolisis Ayuno: falta de glucosa promueve secreción de glucagon y esto inhibe la glucolisis: a nivel de PFK1 y PiruvK Inactiva a PiruvatoK PKA Stryer5eCh16 Disminuye F2,6bisP