BLOQUE III.- Metabolismo Tema 13.- Glucolisis y destino del piruvato 1. Papel central de la glucosa en el metabolismo. Degradación n de glucosa por GLUCOLISIS: Características y reacciones Balance químico y energético ATP Regulación n de la glucolisis Degradación n del piruvato en diferentes condiciones Descarboxilación oxidativa Fermentaciones láctica l y etanólica Lanzaderas para equilibrar el poder reductor generado en el citoplasma PAPEL CENTRAL DE LA GLUCOSA EN EL METABOLISMO: - La glucosa es el principal combustible para la mayoría de organismos, ocupando una posición central en el metabolismo. - Su oxidación completa a CO2 y H2O produce gran cantidad de energía (2.840 kj/mol). Se almacena en forma de polímeros (glucógeno, almidón, ) - Es un precursor extremadamente versatil, capaz de suministrar una gran cantidad de intermedios metabólicos, que son material de partida de muchos procesos biosintéticos
DIGESTIÓN DE GLÚCIDOS Desde los ALIMENTOS Tanto el almidón ( mecla de amilosa y de amilopectina.) como el glucógeno son hidrolizados por las enzimas α-amilasa (1 4) y glucosidasas (1 6). La α-amilasa (salivar y pancreática) y la glucosidasa (intestinal) Los monosacáridos son los únicos glúcidos que se absorben a través de la mucosa intestinal con transporte activo intracelu
ESQUEMA QUE RELACIONA TODAS LAS VÍAS METABÓLICAS Glucógeno Glucogenogénesis Glucogenolisis Pentosas y Otros azúcares Ruta pentosas-p Gluconeogénesis Glucosa Piruvato Glucolisis Cierto s amino ácidos Lactato LAS VÍAS METABÓLICAS PARA LOS GLÚCIDOS O CARBOHIDRATOS Degradación piruvato Ciclo ácido cítrico Transporte Electrónico mitocondrial Ácidos grasos
GLUCOLISIS: Ruta CATABÓLICA para la degradación de la glucosa a 2 piruvatos - Características generales: GLUCOSA Glucolisis o glicolisis es una ruta catabólica de 10 reacciones enzimáticas: TRES IRREVERSIBLES Su función es la degradación de glucosa para la obtención de energía: 2 ATP y 2 NADH Se degrada una molécula de glucosa (C 6 ) hasta dos moléculas de piruvato (C 3 ). Es una ruta metabólica universalmente distribuida en todas las células. 2 PIRUVATOS
GLUCOLISIS 2 Fases y 10 Reacciones Sustratos : Hexosas-P y triosas-p Enzimas: deshidrogenasas kinasas, isomerasas y mutasas Cofactores: NAD+ / NADH ATP / ADP Las moléculas con carga no atraviesan la membrana plasmática El producto de una reacción es el sustrato de la siguiente EL ATP es el cofactor DADOR de GRUPOS FOSFATO Y el ADP es el RECEPTOR de GRUPOS FOSFATO EL NAD + acepta electrones procedentes de los sustratos que se oxidan y él se reduce a NADH
GLUCOLISIS: reacciones FASE 1: fase de inversión de energía hexoquinasa 1.-Fosforilación de la glucosa El ATP transfiere un Pi al OH del C 6. de la glucosa.. Las moléculas con carga no atraviesan las membranas. La G6P no sale de las células. Glucosa (G) Glucosa 6-P (G6P) 2.-Isomerización de la G-6-P Fosfoglucosa isomerasa La aldosa (C1=O) se transforma en cetosa (C2 =O ) Glucosa 6-P (G6P) Fructosa 6-P (F6P)
GLUCOLISIS: reacciones Fosfofructoquinasa 1 3.-Fosforilación de la F-6-P El nuevo OH del C 1 es fosforilado por ATP. Fructosa 6-P (F6P) Fructosa 1, 6-P (FBP) 4.-Ruptura aldólica de la F-B-P Se forman dos triosas, isómeros: Aldolasa -gliceraldehido3-fosfato (G3P) y -dihidroxiacetona-fosfato (DHAP). Fructosa 1, 6-P (FBP) Dihidroxi Acetona Fosfato (DHAP) Gliceraldehido 3-fosfato (G3P)
GLUCOLISIS: reacciones La segunda fase de la glucolisis parte desde el Gal-3-P Triosa fosfato isomerasa 5.-Isomerización del DHAP a G3P La dihidroxiacetona-fosfato (DHAP) se isomeriza a gliceraldehido3-fosfato (G-3P). Solo el G-3P sigue la glicolisis. Dihidroxiacetona -fosfato (DHAP) Gliceraldehido 3-fosfato (G3P) FASE 2: fase de obtención de beneficios Gliceraldehido 3-P deshidrogenasa 6.-Oxidación y fosforilación Se genera NADH y un enlace fosfato de alta energía Gliceraldehido 3-fosfato (G3P) 1,3-bisfosfo glicerato (BPG) El aldehido se oxida y se fija el grupo fosfato, formando un enlace de alta energía: enlace ACIL-FOSFATO
GLUCOLISIS: reacciones para recoger energía El enlace ACIL-FOSFATO es de alta energía y ésta se conserva en forma de ATP 7.-Fosforilación a nivel de sustrato Fosfoglicerato quinasa Se transfiere un Pi desde el 1,3- BPG, con un enlace de alta energía, al ADP. 1,3-bisfosfo glicerato (BPG) 3-fosfoglicerato (BPG) 1ª reacción de conservación de la energía 8.-Isomerización El Pi del C 3, de no muy alta energía, se traslada al C 2, a través de un intermedio bisfosforilado (2,3-BPG) 3-fosfoglicerato (3PG) Fosfoglicerato mutasa 2-fosfoglicerato (2PG)
GLUCOLISIS: reacciones para recoger energía 9.-Deshidratación Enolasa Se separa una mol. de H 2 O y se genera un enlace enol-fosfato de alta energía 2-fosfoglicerato (2PG) Fosfoenol piruvato (PEP) El enlace ENOL-FOSFATO es de alta energía 10.-Fosforilación a nivel de sustrato Se transfiere un Pi desde el PEP, con un enlace de alta energía, al ADP. Fosfoenol piruvato (PEP) 2ª reacción de conservación de la energía en forma de ATP Piruvato quinasa DG = -31.4kJ/mol piruvato (PIR)
GLUCOLISIS: balance de la ruta RESULTADO DE LA GLUCOLISIS glucosa Además se forman 2 moléculas de ATP y 2 moléculas de NADH 2 moléculas de piruvato BALANCE químico y energético de la glucolisis: Glucosa + 2 ADP + 2Pi + 2 NAD+ ------> 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2H+ La glucolisis se produce en el citoplasma y los NADH formados no pueden descargar sus e- en el T.E.M. que actúa en el interior mitocondrial. LANZADERAS o FERMENTACIÓN
REGULACIÓN de la GLUCOLISIS La regulación de la ruta recae sobre las tres enzimas que catalizan las tres reacciones irreversibles. Son tres kinasas: Son moduladas por el nivel de ciertos metabolitos y por modificación covalente (fosforilación) hexokinasa Fosfofructo kinasa 1 piruvatokinasa
REGULACIÓN GLUCOLISIS: (1) Hexokinasa y características de la glucokinasa Activa inhibe G-6-P Producto de la reacción Glucosa hexokinasa glucokinasa glucosa-6-p GLUCOKINASA Isoenzima en hígado, + Específica para glucosa K M mayor para la glucosa y No inhibida por G6P glucosa Su existencia permite al hígado retirar glucosa de la sangre cuando su concentración es muy alta
La PFK-1 se activa conf-2,6-bp,el producto de lapfk-2 ENZIMA BIFUNCIONAL PFK-2 F2,6-BP Fructosa-6- fosfato Fructosa-2,6-bisfosfato (F-2,6-BP) Fructosa-2,6- bisfosfato La actividad de la enzima bifuncional PFK-2/F2,6-BF está controlada por la acción hormonal, que desencadena la fosforilación y la defosforilación de la enzima, alterando la actividad de la enzima con ello. Fructosa-1,6- bisfosfato
Resumen de la degradación del Pivuvato T 13.- METABOLISMO DEL PIRUVATO Glucosa Glucolisis 10 reacciones consecutivas Condiciones anaeróbicas 2 piruvato Condiciones anaeróbicas 2 etanol + 2 CO2 Fermentación a alcohol en levaduras 2 Actil-CoA Condiciones aeróbicas Ciclo del ácido cítrico 2 lactato Fermentación a lactato en músculo en contracción vigorosa, eritrocitos, otras células y en algunos microorganismos En células tumorales: http://sebbm.es/biorom/cont enido/ucm/sit_fisiopat/glucol isis-cancer/index.htm 4 CO2 + H2O Animales, plantas, y muchas células microbianas bajo condiciones aeróbicas
El piruvato formado en la GLUCOLISIS se degrada en función de las condiciones: ANAEROBIAS: Fermentaciones (1,2) AEROBICAS: Descarboxilación oxidativa (3) piruvato 2 O 2 1 Piruvato O2 3 O 2 Acetaldehido Lactato Acetil-CoA O 2 Etanol Posterior Oxidación en el C.A.T.
Las 2 reacciones de reducción del Piruvato en losprocesos fermentativos FERMENTACIÓN LÁCTICA Lactato deshidrogenasa FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA Piruvato Lactato Piruvato Piruvato descarboxilasa Alcohol deshidrogenasa Acetaldehido Etanol
1.-FERMENTACIÓN LACTICA en condiciones anaeróbicas (músculo y microorganismos). glucosa Acoplamiento de la oxidación del NADH hasta NAD+ con la reducción del Piruvato a lactato; la glicolisis necesita NAD+ disponible para la Gal-3-P deshidrogenasa glicolisis 2 piruvato Regeneracion NAD+ regeneración NAD + 2 lactato lactato Resumen de la fermentación láctica Lactato deshidrogenasa El ácido láctico es producido en los músculos con el ejercicio y por bacterias Piruvato + NADH Lactato + NAD +
2.-FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA microorganismos fermentativos en condiciones anaeróbicas Acoplamiento de la oxidación del NADH a NAD+ con la reducción del acetaldehido a etanol; la glicolisis necesita NAD+ Disponible para la Gal-3-P deshidrogenasa glucosa 2 piruvato Regeneracion NAD+ acetaldehido etanol
3.- Descarboxilación oxidativa del Piruvato en condiciones aerobias ------- Acetil-CoA Glucosa Piruvato REACCIÓN COMPLEJA: Descarboxilación oxidativa del piruvato Enzima: PIRUVATO DESHIDROGENASA Coenzimas solubles: NAD+ se reduce a NADH CoA-SH se lleva el acetilo Complejo Piruvato deshidrogenasa Acetil-CoA Lípidos
PIRUVATO DESHIDROGENASA Componentes del complejo: 3 enzimas y 5 coenzimas E1- piruvato deshidrogenasa - E2- Lipoil-transacetilasa - E3- Dihidrolipoamida deshidrogenasa - -TPP -Lipoamida - FAD Descarboxilación oxidativa Trans-acetilación Oxidación H 2 -lipoamida Coenzimas unidos a Enzimas (GRUPOS PROSTÉTICOS) E1- TPP E2- Lipoamida E3 - FAD Coenzimas solubles CoA-SH NAD+ Modelo de la estructura del complejo PDH, donde se recogen los 3 tipos de subunidades, cada una con su coenzima Cristales de PDH La E1-TPP cataliza la descarboxilación del piruvato y el OH-etil queda unido a la TPP Microfotografía al M.E. del complejo PDH procedente de músculo
PIRUVATO DESHIDROGENASA: mecanismo de actuación Toda la reacción se produce en el entorno del complejo PDH, actuando en cada paso una de las enzimas Hidroxi-etil-TPP Lipoamida piruvato Dihidrolipoamida Acetil-CoA E1 = Piruvato deshidrogenasa E2 = Dihidrolipoil transacetilasa E3 = Dihidrolipoil deshidrogenasa Acetil hidro lipoamida - TPP - Lipoamida - FAD CoE. solubles CoA-SH NAD+
Descripción del mecanismo de acción de la PIRUVATO DH 1º.- Actuación de la E1-TPP (La E1 es Piruvato deshidrogenasa) El piruvato se descarboxila y el fragmento de 2 carbonos (carbanión) se transfiere al anillo de tiofeno (TPP), formándose el hidroxi-etil-tpp. 2º.- Transferencia del hidroxietilo de la E1-TPP a la E2-Lipoamida La E2 es Dihidrolipoil-transacetilasa y tiene unida la Lipoamida En la transferencia desde E1 a E2, el hidroxi-etilo se oxida a acetilo, a la par que el puente disulfuro de la lipoamida se reduce a dihidro-lipoamida, aunque como ésta resulta acetilada, el producto es acetil-hidro-lipoamida 3º.- Transferencia del acetilo desde la E2-hidro-Lipoamida a la CoA-SH El grupo acetilo de la acetil-lipoamida (enlace tio-acilo) se transfiere a la CoA-SH, para formar Acetil-S-CoA (enlace tio-acilo). La Lipoamida queda reducida como Dihidro-lipoamida. 4º.- Oxidación de la H2-lipoamida por E3-FAD ( Coenzima de la E3) La E3 (Dihidrolipoil-deshidrogenasa) es una flavoenzima, cuyo FADH2 se oxidará después por el NAD+ (coenzima soluble) que se reduce a NADH + H+
Nombre de la VITAMINA COMPUESTO QUÍMICO Forma de COENZIMA PATOLOGÍA (por carencia) B1 Tiamina Tiamina-PP Beriberi (cascara arroz) B2 Riboflavina FMN, FAD Glositis, Queilitis angular y Dermatitis seborreica B3 Niacina o Ac. Nicotínico NADH, NADPH Pelagra (3D) B5 Pantotenato Coenzima A Neurodegeneración (pantotenato kinasa) B6 Piridoxina Piridoxal-P Anemia (Isoniacina) B7 o H Biotina Biotina B12 Cobalamina Cianocobalamina Anemia perniciosa C Ascorbato Escorbuto B9 Folato THF Espina bífida
PIRUVATO DESHIDROGENASA Regulación alostérica y por fosforilación/defosforilación PDH El complejo está regulado de dos maneras: inhibición alostérica por metabolitos: Inhibido por ATP, Acetil- CoA y NADH y Activado por AMP, CoA y NAD+, cuando las necesidades energéticas son elevadas Piruvato Acetil-CoA Citrato Oxalacetato Isocitrato Modificación covalente: Inhibido por fosforilación en E1 y activado por defosforilación. Malato Succinil- Cetoglutarato
PIRUVATO DESHIDROGENASA Regulación covalente por fosforilación/defosforilación, en mamíferos La PDH fosforilada (PDH-P) es inactiva y la defosforilación la activa de nuevo. La PDH es estimulada (PDH a) por la insulina, piruvato y AMP/ADP, que inhiben a la PDHkinasa, pero es inhibida (no se forma PDH b) por el ATP, NADH y acetil-coa, que activan a la PDHkinasa.
Lanzadera del glicerol-p Glicerol-3-fosfato Deshidrogenasa citoplasmática Dihidroxiacetona fosfato Citoplasma Glicerol 3-fosfato Glicerol-3-fosfato Deshidrogenasa mitocondrial Matriz Por cada NADH citoplásm. que se oxida por esta vía se obtienen 1,5 ATP.
Lanzadera del malato-aspartato Por cada NADH citoplásm. que se oxida por esta vía se obtienen 2,5 ATP. Malato Oxalacetato Malato deshidorgenasa α-cetoglutarato Glutamato transaminasa Aspartato Citoplasma Matriz Malato α-cetoglutarato Malato deshidorgenasa Oxalacetato Aspartato transaminasa Glutamato