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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SINALOA
Facultad de Medicina
Licenciatura en medicina general
Asignatura: Bioquímica
Prof. Med. Tit. Josué Camberos Barraza
Curso académico: 2016-2017 (ciclo I)
Ensayo de la unidad III
Carbohidratos.
Alumno: Medina Ochoa Juan Alberto
Grado de licenciatura en medicina general
1er grado, grupo XI
05/01/2017
Email:
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Introducción
Los carbohidratos no solo son fuente de energía rápida en la célula, también son estructuras fundamentales de la célula y componententes de numerosas rutas metabólicas. Son las biomoléculas con más abundancia en la naturaleza, más de la mitad de todo el carbono "orgánico" se encuentra en los carbohidratos, estos también son la fuente de carbono para la síntesis de la mayoría de otros compuestos. La glucosa es el precursor para la síntesis de una gran variedad de otros azucares que se requieren para la producción de otros compuestos especializados tales como la lactosa, antígenos de superficie, nucleótidos o glucosaaminoglucanos.
Los aminoácidos son de suma importancia en el organismo por que como ya se menciono es la principal forma de obtener energía de manera rápida y que puede ser utilizada en el mismo momento para satisfacer las necesidades del cuerpo humano.
Todas las células son provistas continuamente de glucosa en circunstancias normales, el cuerpo mantiene un intervalo relativamente estrecho en concentración de glucosa en sangre de 60 a 99 mg/dl. A pesar de los cambios en el aporte de la dieta y la demande de tejidos cuando dormimos y nos ejercitamos, este proceso se llama homeostasis de la glucosa. La insulina y el glucagón, sin embargo, son dos importantes hormonas que regulan el almacenamiento y movilización de combustible, la insulina es la hormona anabólica más importante en el cuerpo, promueve el almacenamiento de combustibles y el uso de estos para el crecimiento, el glucagón es la hormona más importante en la movilización de combustible, estas hormonas fluctúan continuamente respuestas a nuestros patrones diarios de alimentación.
Estas dos hormonas participan en mantener estable a la célula y que sus concentraciones sean las debidas es de suma importancia ya que cualquier anormalidad en los que la concentración de glucosa en el cuerpo causa enfermedades graves incluso la muerte. Claro es que estas hormonas no pueden actuar de una manera descontrolada, sino que tiene que estar regulada para que su uso sea en el momento adecuando en el que sean necesarios.
La regulación hormonal cumple con la función de regular a la insulina y al glucagón. Un aumento excesivo de glucosa en sangre estimula la producción de insulina en el páncreas, la insulina provoca que la glucosa entre dentro de las células.
Carbohidratos.
Los carbohidratos, también llamados glúcidos o hidratos de carbono, se pueden encontrar casi de manera exclusiva en alimentos de origen vegetal. Constituyen uno de los tres principales grupos químicos que forman la materia orgánica junto con las grasas y las proteínas.
Los carbohidratos son los compuestos orgánicos más abundantes de la biosfera y a su vez los más diversos. Normalmente se los encuentra en las partes estructurales de los vegetales y también en los tejidos animales, como glucosa o glucógeno. Estos sirven como fuente de energía para todas las actividades celulares vitales. Aportan 4 kcal/gramo al igual que las proteínas y son considerados macro nutrientes energéticos al igual que las grasas. Los podemos encontrar en una innumerable cantidad y variedad de alimentos y cumplen un rol muy importante en el metabolismo. Por eso deben tener una muy importante presencia de nuestra alimentación diaria. En una alimentación variada y equilibrada aproximadamente unos 300gr./día de hidratos de carbono deben provenir de frutas y verduras, las cuales no solo nos brindan carbohidratos, sino que también nos aportan vitaminas, minerales y abundante cantidad de fibras vegetales.
Otros 50 a 100 gr. diarios deben ser complejos, es decir, cereales y sus derivados. Siempre preferir a todos aquellos cereales que conservan su corteza, los integrales. Los mismos son ricos en vitaminas del complejo B, minerales, proteínas de origen vegetal y obviamente fibra. La fibra debe estar siempre presente, en una cantidad de 30 gr. diarios, para así prevenir enfermedades y trastornos de peso como la obesidad. En todas las dietas hipocalóricas las frutas y verduras son de gran ayuda, ya que aportan abundante cantidad de nutrientes sin demasiadas calorías.
Funciones en el organismo
Las funciones que los glúcidos cumplen en el organismo son, energéticas, de ahorro de proteínas, regulan el metabolismo de las grasas y estructural.
Energéticamente los carbohidratos aportan 4 Kcal (kilocalorías) por gramo de peso seco. Esto es, sin considerar el contenido de agua que pueda tener el alimento en el cual se encuentra el carbohidrato. Cubiertas las necesidades energéticas, una pequeña parte se almacena en el hígado y músculos como glucógeno (normalmente no más de 0,5% del peso del individuo), el resto se transforma en grasas y se acumula en el organismo como tejido adiposo. Se suele recomendar que mínimamente se efectúe una ingesta diaria de 100 gramos de hidratos de carbono para mantener los procesos metabólicos.
Ahorro de proteínas: Si el aporte de carbohidratos es insuficiente, se utilizarán las proteínas para fines energéticos, relegando su función plástica.
Regulación del metabolismo de las grasas: En caso de ingestión deficiente de carbohidratos, las grasas se metabolizan anormalmente acumulándose en el organismo cuerpos cetónicos, que son productos intermedios de este metabolismo provocando así problemas (cetosis).
Estructuralmente, los carbohidratos constituyen una porción pequeña del peso y estructura del organismo, pero, de cualquier manera, no debe excluirse esta función de la lista, por mínimo que sea su indispensable aporte.
Clasificación de los hidratos de carbono:
Carbohidratos simples:
Los hidratos de carbono simples son los monosacáridos, entre los cuales podemos mencionar a la glucosa y la fructosa que son los responsables del sabor dulce de muchos frutos. Con estos azúcares sencillos se debe tener cuidado ya que tienen atractivo sabor y el organismo los absorbe rápidamente. Su absorción induce a que nuestro organismo secrete la hormona insulina que estimula el apetito y favorece los depósitos de grasa. El azúcar, la miel, el jarabe de maple, mermeladas, jaleas y golosinas son hidratos de carbono simples y de fácil absorción. Otros alimentos como la leche, frutas y hortalizas, los contienen, aunque distribuidos en una mayor cantidad de agua. Algo para tener en cuenta es que los productos industriales elaborados a base de azucares refinados es que tienen un alto aporte calórico y bajo valor nutritivo, por lo que su consumo debe ser moderado.
Carbohidratos complejos:
Los hidratos de carbono complejos son los polisacáridos; formas complejas de múltiples moléculas. Entre ellos se encuentran la celulosa que forma la pared y el sostén de los vegetales; el almidón presente en tubérculos como la patata y el glucógeno en los músculos e hígado de animales. El organismo utiliza la energía proveniente de los carbohidratos complejos de a poco, por eso son de lenta absorción. Se los encuentra en los panes, pastas, cereales, arroz, legumbres, maíz, cebada, centeno, avena, etc.
Digestión de carbohidratos
La mayoría de los carbohidratos en los mamíferos se obtienen de la dieta, entre estos se encuentran polisacáridos como el almidón, la celulosa y dextrinas (productos de la hidrólisis incompleta del almidón que con yodo se tiñen rojo, el almidón, por el contrario, azul) y disacáridos como la sacarosa (fructofuranósido de glucopiranósido o simplemente azúcar de mesa) que está formada por una molécula de glucosa (una piranosa) y otra de fructosa (una furanosa).
La función más importante de la saliva es humedecer y lubricar el bolo alimenticio, desde el punto de vista digestivo es importante por contener a la amilasa salival o ptialina, enzima que hidroliza diversos tipos de polisacáridos. El pH de la saliva es cercano a la neutralidad, por lo que en el estómago esta enzima se inactiva totalmente, de tal suerte que los carbohidratos no sufren modificaciones de importancia en este órgano. Es hasta el intestino donde los disacáridos y los polisacáridos deben ser hidrolizados en sus unidades monoméricas para poder atravesar la pared intestinal y tomar así el torrente sanguíneo para llegar a las células e ingresar al interior para ser utilizados en cualquiera de las funciones en que participan (energética, de reconocimiento, estructural o como precursor de otras moléculas). En el duodeno se vierte el jugo pancreático que contiene entre otros muchos elementos, amilasa pancreática (Su pH óptimo es de 7.1 y rompe al azar los enlaces alfa,1-4 del almidón), diastasa o amilopsina, esta última muy parecida a la enzima salival. En la digestión de los carbohidratos intervienen diferentes enzimas que desempeñan cada una funciones diferentes y que, por tanto, tienen especificidades diferentes. Para romper las ramificaciones se necesita a la amilo-1-6-glucosidasa.
La reacción de hidrólisis, consiste en el rompimiento de uniones covalentes por medio de una molécula de agua. La hidrólisis de un enlace glucosídico se lleva a cabo mediante la disociación de una molécula de agua. El hidrógeno del agua se une al oxígeno del extremo de una de las moléculas de azúcar; el OH se une al carbono libre del otro residuo de azúcar. El resultado de esta reacción, es la liberación de un monosacárido, dos si la molécula hidrolizada fue un disacárido o bien el polisacáridon-1, dependiendo de la molécula original.
rutas metabólicas de la glucosa 6-fosfato
La glucosa 6-fosfasto puede tener distintas rutas metabólicas, entre las que están la gluconeogénesis, glucogénesis, glucogenolisis, glucolisis, vía de las pentosas fosfato, vía de los polioles, ciclo de cori y ciclo de la alanina, las cuales explicare a detalle.
Gluconeogénesis.
La gluconeogénesis es la síntesis de glucosa nueva (i.e. glucosa que no viene del glicógeno). La producción de glucosa a partir de otros metabolitos es necesaria para el uso como fuente de energía por el cerebro, testículos, eritrocitos, y medula renal debido a que la glucosa es la única fuente de energía para estos órganos. Durante la inanición, sin embargo, el cerebro puede obtener energía a partir cuerpos cetónicos que se convierten en acetil-CoA y desvía hasta el ciclo TCA. Los esqueletos de carbono primarios utilizados para la gluconeogénesis se derivan de piruvato, lactato, glicerol y la alanina amino ácidos y la glutamina. El hígado es el sitio principal de la gluconeogénesis, sin embargo, como se discute más adelante, el riñón y el intestino delgado también tienen papeles importantes que desempeñar en esta vía.
La síntesis de glucosa a partir de precursores de tres o cuatro carbonos es esencialmente el reverso de la glucólisis. Las características más importantes de la vía de la gluconeogénesis se diagraman a continuación.
Reacciones de la gluconeogénesis: Gluconeogénesis de dos moles de piruvato a dos moles de 1,3-difosfoglicerato consume seis moles de ATP. Esto hace que el proceso de la gluconeogénesis muy costoso desde un punto de vista energético teniendo en cuenta que la oxidación de la glucosa a dos moles de piruvato produce dos moles de ATP. Los principales sustratos para la gluconeogénesis hepáticas (glicerol, lactato, alanina y piruvato) están encerrados en cajas de color rojo para destacar. Las reacciones que tienen lugar en las mitocondrias son piruvato a OAA y OAA a malato. Transporte de piruvato a través de la membrana plasmática es catalizada por la proteína SLC16A1 (también llamado el transportador de ácido monocarboxílico 1, MCT1) y transporte a través de la membrana mitocondrial externa implica una porina transportador dependiente de la tensión. El transporte a través de la membrana mitocondrial interna requiere un complejo de transporte heterotetrameric (portador mitocondrial piruvato) que consiste en el gen MPC1 y proteínas génico codificado MPC2. Siguiente reducción de OAA a malato el malato es transportador al citosol por el malato transportador (SLC25A11). En el citosol el malato es oxidado a OAA y el OOA a continuación, se alimenta en la vía de la gluconeogénesis a través de la conversión a PEP a través de PEPCK. La reacción PEPCK es otro sitio para el consumo de ATP (GTP como en la reacción de PEPCK). La inversión de la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) de reacción requiere un suministro de NADH. Cuando lactato es el sustrato de la gluconeogénesis el NADH se suministra por el lactato deshidrogenasa (LDH) reacción (indicado por las líneas de guiones), y es suministrada por la reacción de la malato deshidrogenasa cuando el piruvato es el sustrato. En segundo lugar, 1 mol de gliceraldehido-3-fosfato debe ser isomerica a DHAP y luego un mol de DHAP se puede condensar a un mol de gliceraldehido-3-fosfato para formar 1 mol de fructosa-1,6-bisfosfato en una inversión de la reacción de la aldolasa. En hepatocitos la reacción de la glucosa-6-fosfatasa (G6Pasa) permite que el hígado suministrar la sangre con glucosa libre. Recuerde que, debido a la alta Km de glucoquinasa hepática mayor parte de la glucosa se no ser fosforilada y fluirá hacia abajo de su gradiente de concentración de hepatocitos y en la sangre. ALT: alanina transaminasa. PGAM1: fosfoglicerato mutasa 1. PGK1: fosfoglicerato quinasa 1. TMI: isomerasa de triosa. IGP: isomerasa de glucosa-6-fosfato. GPD: glicerol-3-fosfato deshidrogenasa. F1,6BPase: Fructosa-1,6-bisfosfatasa.
Las tres reacciones de la glucólisis que proceden con una gran carga de energía libre negativa son evitadas en la gluconeogénesis utilizando diferentes enzimas. Estas son las reacciones de la piruvato cinasa, fosfofructocinasa-1 (PFK1) y hexocinasa/glucocinasa. En el hígado, el intestino, o de la corteza renal, la glucosa-6-fosfato (G6P) producido por la gluconeogénesis se pueden incorporar en glucógeno. En este caso el tercer "bypass" a la altura de la reacción catalizada por la glicógeno fosforilasa. Debido a que el músculo esquelético no tiene glucosa-6-fosfatasa este no puede secretar glucosa a la sangre por lo que la gluconeogénesis en este tejido es un mecanismo para generar glucosa para almacenamiento en forma de glicógeno.
De Piruvato a Fosfoenolpiruvato (PEP).
La conversión de piruvato a PEP requiere la acción de dos enzimas mitocondriales. La primera reacción requiere de ATP y es catalizada por la piruvato carboxilasa (PC). Como implica el nombre de la enzima, el piruvato es carboxilado para formar oxaloacetato (OAA). El CO2 de esta reacción está en la forma de bicarbonato (HCO3-). Esta es una reacción anapletórica ya que puede ser utilizada para llenar el ciclo tricarboxílico o ciclo de Krebs. La segunda enzima en la conversión de piruvato a PEP es la PEP carboxicinasa (PEPCK). La PEPCK requiere de GTP en la descarboxilación de OAA para formar PEP. Debido a que la PC incorpora CO2 al piruvato y subsecuentemente este es liberado en la reacción de la PEPCK, no existe una fijación neta de carbono. Las células humanas contienen cantidades similares de la enzima PEPCK en la mitocondria y en el citosol (designado PEPCK-m y PEPCK-C, respectivamente) por lo que esta segunda reacción de la gluconeogénesis puede realizarse en cualquiera de estos compartimientos celulares.
Para que la gluconeogénesis prosiga, el OAA producido por la PC necesita ser transportado desde la mitocondria al citosol. Sin embargo, no existe un mecanismo de transporte para su transferencia directa y el OAA no se difunde libremente. El OAA mitocondrial puede llegar al citosol por tres vías, conversión en PEP (como se indicó anteriormente por acción de la PEPCK mitocondrial), trasnominación a aspartato o reducción a malato, todos estos pueden transportarse al citosol.
Si el OAA es convertido a PEP por la PEPCK mitocondrial, este es transportado al citosol en donde es un sustrato directo para la gluconeogénesis y no se requiere nada más. La transaminación del OAA a aspartato permite que el aspartato se transporte al citosol en donde existe una transaminación reversa dando lugar a la formación de OAA citosólico. Esta reacción de transaminación requiere un transporte continuo de glutamato dentro y α-cetoglutarato fuera de la mitocondria. Por tanto, este proceso está limitado por la disponibilidad de estos otros sustratos. Cualquiera de estas dos últimas reacciones predominará cuando el sustrato de la gluconeogénesis es el lactato. Si ocurre decarboxilación o transaminación mitocondrial dependerá de la disponibilidad de PEPCK o de los intermediarios de la transaminación.
El OAA mitocondrial puede también ser reducido a malato por una reacción reversa a la que se sucede en el ciclo de Krebs que es catalizada por la enzima malato deshidrogenasa (MDH). La reducción del OAA a malato requiere de NADH, que se acumulará en la mitocondria cuando la carga energética aumenta. Este incremento en energía permitirá a la célula llevar a cabo el proceso de gluconeogénesis que es costoso en ATP. El malato resultante es transportado al citosol en donde es oxidado a OAA por la enzima citosólica MDH que requiere NAD+ y produce NADH. El NADH producido durante la oxidación citosólica del malato a OAA es utilizado durante la reacción catalizada por la gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa de la glucólisis. El acoplamiento de estas dos reacciones de oxidación-reducción es necesario para mantener la gluconeogénesis funcionando cuando el piruvato es la principal fuente de átomos de carbono. La conversión de OAA a malato predomina cuando el piruvato (derivado de la glucólisis o del metabolismo de los amino ácidos) es la fuente de los átomos de carbono para la gluconeogénesis. Cuando está en el citoplasma el OAA, este es convertido a PEP por la enzima PEPCK citoplasmática. Señales hormonales controlan el nivel de la enzima PEPCK para regular el flujo de la gluconeogénesis.
Fructosa-1,6-bifosfato a Fructosa-6-bifosfato
La conversión de fructosa-1,6-bifosfato (F1,6BP) a fructosa-6-bifosfato (F6P) es el reverso de la reacción limitante de la glucólisis. Esta reacción, una simple hidrólisis, es catalizada por la enzima fructosa-1,6-bifosfatasa (F1,6BFasa). Similar a lo que ocurre en la regulación de la glucólisis en la enzima PFK1, en la gluconeogénesis la reacción de la F1,6BPasa es el principal punto de control de esta vía.
Glucosa-6-Fosfato (G6P) a glucosa.
La glucosa-6-fosfato es convertida a glucosa por acción de la glucosa-6-fosfatasa (G6Pasa). Esta también es una reacción de hidrólisis simple similar a la de la F1,6BPasa. Debido a que el cerebro, el músculo esquelético, así como también otros tejidos no hepáticos, carecen de G6Pasa, cualquier gluconeogénesis que ocurra en estos tejidos no se utiliza para dar glucosa a la sangre. En el hígado, músculo y especialmente el hígado, la G6 P es dirigida a glicógeno si los niveles de azúcar en la sangre son adecuados. La fosforólisis del glicógeno se lleva a cabo por la glicógeno fosforilasa, mientras que, la síntesis de glicógeno es catalizada por la glicógeno sintasa. La G6P producida en la gluconeogénesis puede ser convertida a glucosa-1-fosfato (G1P) por la fosfoglucosa mutasa (PGM). Luego la G1P es convertida a UDP-glucosa (el sustrato para la síntesis de glicógeno) por la UDP-glucosa fosforilasa, una reacción que requiere la hidrólisis de UTP.
Metabolismo de glucógeno
Existe almacenamiento de glucosa disponible en el hígado en forma de glucógeno que puede ser liberada por este órgano para que otros tejidos la puedan utilizar como fuente de energía. El glucógeno es un polímetro de residuos de glucosa unidos por uniones α-(1,4)- y α-(1,6). La segunda fuente importante de almacenamiento de glucosa es el glucógeno del músculo esquelético. Sin embargo, el glucógeno del músculo no está disponible para otros tejidos, debido a que el músculo carece de la enzima glucosa-6-fosfatasa.
El sitio principal del consumo diario de glucosa (75%) es el cerebro por la vía aerobia. La glucosa restante es utilizada por los eritrocitos, músculo esquelético, y músculo cardiaco. El cuerpo obtiene glucosa directamente a partir de la dieta o a partir de aminoácidos o lactato por la gluconeogénesis. La glucosa que se obtiene de estas dos fuentes primarias permanece en forma soluble en los fluidos corporales o es almacenada en forma de polímetro, el glicógeno. El glucógeno es considerado como la forma principal de almacenamiento de glucosa y se encuentra principalmente en el hígado y el músculo, siendo los riñones y el intestino sitios menores de almacenamiento. El glucógeno del hígado puede pesar hasta el 10% del peso de este órgano y por esto tiene el contenido específico más alto que cualquier tejido del cuerpo. El músculo tiene una cantidad más baja de glucógeno por unidad de tejido, pero debido a que la masa muscular total es mucho más grande que la del hígado, el glucógeno almacenado en el músculo es aproximadamente el doble del que se almacena en el hígado. El glucógeno almacenado en el hígado es considerado como el principal amortiguador "buffer" de los niveles de glucosa de la sangre.
Glucogenólisis
La degradación del glucógeno almacenado, llamada glucogenolisis, se produce por acción de la enzima glucógeno-fosforilasa. La acción de la fosforilasa es remover por fosforilación residuos de glucosa unidas por uniones α-(1,4) de las moléculas glicógeno. El producto de esta reacción es la glucosa-1-fosfato. La ventaja de la reacción que se lleva a cabo por fosforilación es que:
1. la glucosa removida del glucógeno está en un estado activado, i.e. esta fosforilada y esto ocurre sin la hidrólisis de ATP.
2. la concentración de Pi en la célula es lo suficientemente alta para dirigir el equilibrio de la reacción en dirección favorable ya que la carga de energía libre del estado estándar de la reacción es positiva.
La glucosa-1-fosfato producida por acción de la fosforilasa es convertida a glucosa-6-fosfato por la enzima fosfoglucomutasa: esta enzima, como la fosfoglicerato mutasa (de la glicólisis), contiene un aminoácido fosforilado en su sitio activo (en el caso de la fosfoglucomutasa es un residuo de Ser). El fosfato de la enzima es transferido al C-6 de la glucosa-1-fosfato dando lugar a la formación de glucosa-1,6-fosfato como intermediario. El fosfato en el C-1 es entonces transferido a la enzima regenerándola y el producto liberado es la glucosa-6-fosfato.
Como se indicó anteriormente la liberación de glucosa mediada por la fosforilasa a partir del glucógeno produce un residuo de glucosa cargado sin la necesidad de la hidrólisis de ATP. Otra necesidad de generar una glucosa fosforilasa a partir del glucógeno es para que estos residuos de glucosa no se difundan libremente desde la célula. En el caso de las células musculares esto es muy aparente ya que el propósito de la glucogenolisis en las células musculares es general sustrato para la glicólisis.
La conversión de glucosa-6-fosfato a glucosa, que ocurre en el hígado, riñones e intestino, por acción de la glucosa-6-fosfatasa, pero no sucede en el músculo esquelético porque estas células no tienen esta enzima. Por tanto, la glucosa liberada del glucógeno muscular será oxidada en la vía glucolítica. En el hígado la acción de la glucosa-6-fosfatasa permite que la glucogenolisis genere glucosa libre para mantener los niveles de glucosa en sangre.
El glucógeno fosforilasa no puede remover los residuos de glucosa a partir de los puntos de ramificación (uniones α-1,6) en el glicógeno. La remoción de los residuos de glucosa desde los puntos de ramificación del glucógeno requiere de la acción de la enzima des-ramificadora (también llamada glucan transferasa) que tiene dos actividades: glucotransferasa y glucosidasa. La actividad de transferasa remueve los 3 residuos de glucosa terminales de una rama y los une al C-4 libre de una segunda rama. Entonces, la glucosa unida en la forma α-(1,6) es removida por acción de la glucosidasa. El residuo de glucosa no tiene carga ya que la reacción catalizada por la glucosidasa no es por fosforilación. Esto significa que en teoría la lisis de glucógeno que ocurre en el músculo esquelético podría generar glucosa libre que podría entrar en el torrente circulatorio. Sin embargo, la actividad de la hexocinasa en el músculo es tan alta que cualquier glucosa libre es inmediatamente fosforilada e ingresa en la vía de la glicólisis. En verdad, la razón para el aparecimiento temporal de glucosa libre a partir del glucógeno es la necesidad del músculo esquelético para generar energía a partir de la oxidación de la glucosa, y de esta manera no es posible que la glucosa entre a la sangre.
Regulación de la Glucogenólisis
La glucógenofosforilasa es una enzima homodimérica que se encuentra en dos estados de conformación distintos: en el estado T (por tenso, menos activa) y R (por relajado, más activa). La fosforilasa es capaz de unirse al glucógeno cuando la enzima se encuentra en el estado R. Esta conformación esta incrementada al unirse al AMP y esta inhibida al unirse al ATP o la glucosa-6-fosfato. La enzima también está sujeta a modificaciones covalentes por fosforilación como un medio de regular su actividad. La actividad relativa de la enzima fosforilasa no-modificada (que recibe el nombre de fosforilasa-b) es suficiente para generar una cantidad adecuada de glucosa-1-fosfato para que entre en la glicólisis para la producción de ATP para mantener la actividad normal de la célula en reposo. Esto es verdad tanto en el hígado como en las células musculares.
Las células α del páncreas producen glucagón en respuesta a una caída de glucosa sanguínea, el mismo que se une a su receptor en la superficie de las células hepáticas y de otros tejidos. Las células del hígado son las células blanco más importantes para esta hormona peptídico. La respuesta de las células a la unión del glucagón a su receptor es la activación de la enzima adenilciclasa que está asociada con el receptor. La activación de la adenilciclasa lleva a un gran incremento en la formación de cAMP. El cAMP se une a una enzima llamada proteína cinasa A dependiente de cAMP (PKA; ver la figura que sigue). La unión del cAMP a las subunidades regulatorias de la PKA lleva a la liberación y subsecuente activación de las subunidades catalíticas. Las subunidades catalíticas entonces fosforilan un numero de proteínas en sus residuos de serina y treonina.
Es de importancia para esta discusión la fosforilación de la fosforilasa cinasa por la PKA como se indica en la figura anterior. La fosforilasa cinasa es una enzima compuesta de las subunidades α, β, γ y δ. Las subunidades α y β son las subunidades regulatorias que son fosforiladas. La subunidad γ es la subunidad catalítica y la subunidad δ es la calmodulina (como se describe posteriormente). La fosforilación de la fosforilasa cinasa activa a la enzima que a su vez fosforila la forma b de la fosforilasa. La fosforilación de la fosforilasa-b incrementa importantemente su actividad para la ruptura del glicógeno. La enzima modificada se denomina fosforilasa-a. El resultado neto es la inducción de la ruptura del glucógeno en respuesta a la unión del glucagón a su receptor en la superficie celular.
Una cascada de eventos idéntica ocurre también en las células del músculo esquelético. Sin embargo, en estas células la inducción de la cascada es el resultado de la unión de la epinefrina a receptores en la superficie de las células musculares. La epinefrina es liberada de la glándula adrenal en respuesta a señales neuronales que indican una necesidad inmediata de utilización de glucosa en el músculo, la denominada respuesta de huir o pelear. Las células musculares no tienen receptores para el glucagón. La presencia de receptores de glucagón en las células musculares seria fútil debido a que el objetivo de la liberación de glucagón es incrementar las concentraciones de glucosa en sangre y las reservas de glucógeno en el músculo no pueden contribuir a incrementar los niveles de glucosa en la sangre.
La regulación de la actividad de la fosforilasa cinasa también es afectada por dos mecanismos distintos que envuelven iones de Ca2+. La habilidad del Ca2+ para regular la fosforilasa cinasa es a través de la función de una de las subunidades de esta enzima. La unión del Ca2+ induce un cambio conformacional en la cadmodulina que a su vez incrementa la actividad catalítica de la fosforilasa cinasa hacia su sustrato, la fosforilasa-b. Esta actividad es crucial para el incremento de la lisis del glucógeno en las células musculares en donde la contracción muscular es inducida por la estimulación de la acetilcolina en la unión neuromuscular. El efecto de la liberación de la acetilcolina en los terminales nerviosos en la unión neuromuscular es la desmoralización de la célula muscular que lleva a un incremento en la liberación de Ca2+ de su sitio de almacenamiento en el retículo sarcoplasmático, y por tanto activando a la fosforilasa cinasa. Así, el aumento de calcio intracelular no solamente incrementa la contracción muscular también aumenta la ruptura del glucógeno que provee a la célula muscular con más ATP que también es necesario para la contracción. La segunda vía mediada por el Ca2+ para la activación de la fosforilasa cinasa es por medio de la activación de receptores α1-adrenérgicos por la epinefrina.
A diferencia de los receptores adrenérgicos-β que están unidos a la activación de la adenilciclasa, los receptores α1-adrenérgicos están acoplados a las proteínas-G que activan a la fosfolipasa C-β (PLC-β). La activación de la PLC-β lleva a un incremento de la hidrólisis del fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (PIP2) de la membrana celular, productos de lo cual son el inositol trifosfato (IP3) y el diacilglicerol (DAG). El DAG se une y activa a la proteincinasa C (PKC) una enzima que fosforila numerosos sustratos, uno de los cuales es la sintasa de glucógeno (ver posteriormente). El IP3 se unes a receptores en la superficie del retículo endoplásmico lo que lleva a la liberación de iones de Ca2+. Los iones de Ca2+ entonces interactúan con la subunidad de la fosforilasa cinasa, la cadmodulina lo que resulta en su activación. Además, los iones de Ca2+ activan a la PKC conjuntamente con el DAG.
Para terminar la actividad de las enzimas involucradas en la activación de la cascada de estimulación de la glucógenofosforilasa, una vez que las necesidades del organismo han sido cumplidas, las enzimas que han sido modificadas necesitan regresar a su estado original. En el caso de la activación inducida por el Ca2+, el nivel del Ca2+ liberado de sus reservas en el músculo terminara cuando los impulsos nerviosos se detengan. La remoción de los fosfatos de la fosforilasa cinasa y de la fosforilasa-a se lleva a cabo por la acción de la enzima fosfoprotein fosfatasa-1 (PP-1). Para que los residuos de fosfato colocados en estas enzimas por la PKA y la fosforilasa cinasa no sean inmediatamente removidos, la actividad de la PP-1 también debe ser regulada. Esto se logra por la unión de la PP-1 al inhibidor fosfoprotein fosfatasa (PPI-1). Esta proteína es también fosforilada por la PKA y es defosforilada por la PP-1 (ver la figura anterior). La fosforilación del PPI-1 permite que este se una a la PP-1, esto no es posible cuando el inhibidor no está fosforilado. Cuando el PPI-1 se une a la PP-1 sus fosforilaciones son removidas por la PP-1 pero a una velocidad mucho más reducida que cuando se une al PP-1 libre y de esa manera atrapa temporalmente a la PP-1 de otros sustratos. Los efectos de la activación de esta cascada de regulación de fosforilación en la síntesis de glucógeno se describen posteriormente.
Síntesis de Glucógeno
La síntesis de glucógeno a partir de la glucosa se la hace por acción de la enzima glucógenosintasa. Esta enzima utiliza a la UDP-glucosa como un sustrato y al extremo no reductor del glucógeno como un segundo sustrato. La activación de la glucosa para que sea utilizada para la síntesis de glucógeno se lleva a cabo por acción de la enzima UDP-glucosa pirofosforilasa. Esta enzima intercambia el fosfato del C-1 de la glucosa-1-fosfato por UDP. La energía de la unión fosfo-glucosídica de la UDP-glucosa es utilizada por la glucógenosintasa para catalizar la incorporación de la glucosa al glicógeno. El UDP es subsecuentemente liberado de la enzima. Las ramificaciones α-1,6 en la glucosa se producen por acción de la enzima amilo-(1,4-1,6)-transglucosilasa, también llamada enzima ramificadora. Esta enzima transfiere un fragmento de 6-7 residuos de glucosa (a partir de un polímero de al menos 11 residuos de glucosa de largo) a un residuo de glucosa terminal en la posición hidroxilo C-6.
Adición de glucosa al glucógeno
Para que la síntesis de glucógeno continúe, el primer residuo de glucosa se une a una proteína llamada glucogenina. La glucogenina tiene la propiedad inusual de catalizar su propia glicosilación, uniendo el C-1 de una UDP-glucosa a una tirosina de la enzima. La glucosa así unida sirve como el inicio que requiere la sintasa de glucógeno para unir moléculas de glucosa adicionales por el mecanismo descrito anteriormente.
Regulación de la Síntesis de Glucógeno
La glucógenosintasa es una enzima tetraédrica que consta de 4 subunidades idénticas. El hígado y las proteínas musculares de glucógenosintasa se derivan de genes diferentes y compartir sólo el 46% de identidad de aminoácidos. El gen de la sintasa glucógeno hepático es localizado en el cromosoma 12p12.2 y se identifica por el GYS2 gen. El músculo (cardíaco y esquelético) gen glucógenosintasa (símbolo = gen GYS1) es localizado en el cromosoma 19q13.3 y codifica una proteína de 737 aminoácidos.
La actividad de la glucógenosintasa está regulada por la fosforilación de la serina residuos en las proteínas de la subunidad. La fosforilación de la glucógenosintasa reduce su actividad hacia la UDP-glucosa. Cuando en el estado no fosforilada, el glucógenosintasa no requiere de glucosa-6-fosfato como un activador alostérico, cuando fosforilada lo hace. Las dos formas de la glucógenosintasa se identifican por la misma nomenclatura que se utiliza para la glucógenofosforilasa. El no fosforilada y forma más activa es una sintasa-y es la forma fosforilada de glucosa-6-fosfato sintasa-dependiente-b.
Numerosas quinasas se ha demostrado que fosforilar y regular, tanto hepática y las formas musculares de glucógenosintasa. La mayoría de los análisis detallados se han llevado a cabo mediante la sintetasa de glucógeno en los hepatocitos aislados. Al menos cinco sitios de fosforilación se han identificado en la glucógenosintasa hepática que son los objetivos de al menos siete quinasas. Reglamento de la glucógenosintasa por fosforilación se produce a través de la enseñanza primaria y secundaria eventos de fosforilación. Los siete quinasas que regulan la actividad glucógenosintasa son la PKA, PKC, glucógenosintasa quinasa-3 (GSK-3), el glucógenosintasa quinasa-fosforilasa (comúnmente llamado simplemente fosforilasa quinasa, PhK), proteína calmodulina-dependiente cinasa II (CaMPK-II), la caseína quinasa I (CK I-), y la caseína quinasa II (CK-II). eventos primarios son iniciadas por la fosforilación de la fosforilasa quinasa, PKA, PKC, CaMPK-II, y CK-II. Los eventos secundarios son el resultado de fosforilación de GSK-3 y CK-I. Cuando glucagón se une a su receptor en hepatocitos el aumento resultante en actividad de PKA conduce a la fosforilación de la glucógenosintasa aumento directamente por PKA, así como a través de la activación mediada por PKA de la fosforilasa quinasa (PhK). Además, los efectos glucagón un aumento en la actividad de la caseína quinasa II (CK-II). Por lo tanto, el efecto neto de la acción de glucagón en hepatocitos es la activación de tres quinasas que fosforilan diferentes e inhibir la glucógenosintasa.
Como la insulina y el glucagón son hormonas de contrarregulación debe quedar claro que van a ejercer efectos opuestos sobre el tipo y el nivel de glucógenosintasa fosforilación. Como se describió anteriormente, cuando el glucagón se une a su receptor en hepatocitos se produce un aumento resultante en el campamento y un aumento concomitante en la actividad de PKA. PKA ha demostrado que la fosforilación de la glucógenosintasa en el por lo menos cuatro lugares diferentes. Además, la PKA resultados de la actividad en un aumento de la actividad de la fosforilasa quinasa que a su vez fosforila glucógenosintasa en uno de los mismos lugares que la PKA. La insulina también ejerce un efecto negativo sobre la actividad de GSK-3 tal que hay una reducción del nivel de fosforilación de la glucógenosintasa quinasa por el presente. Para ver más sobre la acción de la insulina en el nivel de GSK-3, visite la página de Insulina de Acción.
Las hormonas y los neurotransmisores que dan lugar a la liberación de los datos almacenados intracelular Ca2+ reglamento también efecto negativo de la actividad de la glucógenosintasa. Como se describió anteriormente se unen los iones Ca2+ a la subunidad calmodulina de PhK y dar lugar a su activación conduce a la fosforilación de la glucógenosintasa mayor. La activación de los receptores α1-adrenérgicos en los resultados de músculo esquelético en la activación de PLC-β que conduce a mayores niveles de IP3 y DAG. La acción de IP3 en resultados aumento de la liberación de Ca2+ almacenados con el mismo efecto neto en el nivel de glucógenosintasa. Los iones Ca2+ en libertad, en relación con el DAG, a su vez activar la PKC que fosforila la glucógenosintasa en el mismo dominio de la enzima que es un objetivo para PKA y el sitio para CaMPK-II y CK-I fosforilación.
La actividad de la glucógenosintasa puede también ser afectada por la unión de epinefrina a los receptores α1-adrenérgicos a través de una vía como la rescrita anteriormente para la glucógenofosforilasa.
Cuando los receptores α1-adrenérgicos son estimulados existe un incremento en la actividad de la PLC-β con el incremento resultante de la hidrólisis del PIP2. Los productos de la hidrólisis del PIP2 son el DAG y el IP3. Como se describió anteriormente para la glucógenofosforilasa, el DAG y el Ca2+ liberado por el IP3 activan la PKC que fosforila e inactiva a la glucógenosintasa. Respuestas adicionales al calcio son la activación de la proteína cinasa dependiente de calmodulina (la calmodulina es un componente de muchas enzimas que responden al Ca2+) que también fosforila a la glucógenosintasa.
Los efectos de estas fosforilaciones llevan a:
1. Disminución de la afinidad de la sintasa por la UDP-glucosa.
2. Disminución de la afinidad de la sintasa por la glucosa-6-fosfato.
3. Incremento en la afinidad de la sintasa por el ATP y Pi.
Reconversión de la sintasa-b a-sintasa requiere una desfosforilación. Esto se lleva a cabo principalmente por la serina/treonina fosfatasa identificado como la proteína fosfatasa-1 (PP-1) la fosfatasa mismo que participan en la desfosforilación de la fosforilasa ha descrito anteriormente. Ciertamente, otra serina/treonina fosfatasa, a saber, la proteína fosfatasa-2A (PP-2A), se ha demostrado que glucógeno sintasa defosforilar in vitro, su papel en vivo es significativamente menor que la del PP-1. La actividad de la PP-1 también es afectada por la insulina. La hormona pancreática tiene una acción opuesta a la del glucagón y epinefrina. Esto debe ser obvio debido a que el papel de la insulina es incrementar el ingreso de la glucosa desde la sangre.
Glucolisis
Los carbohidratos de la dieta de los que los humanos tomamos energía entran en el organismo en una forma compleja, en forma de monosacáridos, disacáridos, polímetros de almidón (amilasa y amilopectina) y glucógeno. El polímero celulosa (también formado por glucosas) también es consumido pero no digerido. El primer paso en el metabolismo de los carbohidratos que se pueden digerir es la conversión de grandes polímetros a estructuras más simples, formas solubles que puedan ser transportados a través del epitelio intestinal para ser distribuidos a los tejidos. La digestión de los polímetros de carbohidratos se inicia en la boca. La saliva tiene un pH un poco acídico 6.8 y contiene a la amilasa lingual que inicia la degradación de los carbohidratos. La acción de la amilasa lingual está limitada a la boca y esófago; es virtualmente inactivada por el pH más fuerte del estómago. Una vez que la comida ha llegado al estómago, la hidrólisis ácida contribuye a la degradación: proteasas y lipasas gástricas ayudan a la digestión de la comida. La mezcla de las secreciones gástricas, saliva, y comida se llama colectivamente quimo, y se mueve hacia el intestino delgado.
La enzima más importante para degradar los polímetros de carbohidratos en el intestino delgado es la α-amilasa. Esta enzima es secretada por el páncreas y tiene la misma actividad que la amilasa de la saliva, produciendo disacáridos y trisacáridos. Estos últimos son convertidos a monosacáridos por sacaridasas intestinales, incluyendo maltasas, que hidrolizan di- y tri-sacáridos, y las enzimas más especificas las disacaridasas, sucrasa, lactasa, y trealasa. El resultado neto es la conversión casi completa de los carbohidratos digeribles a sus componentes monosacáridos. La glucosa resultante y otros carbohidratos simples son transportados a través del epitelio intestinal a la vena portal hepática y luego a las células hepáticas y a otros tejidos. Allí, estos azucares simples son convertidos a ácidos grasos, aminoácidos, y glucógeno, o sino oxidados por varias vías metabólicas celulares. La oxidación de la glucosa se conoce como glucólisis. La glucosa es oxidada a lactato o piruvato. Bajo condiciones aeróbicas, el producto dominante en la mayoría de tejidos es el piruvato y la vía metabólica se conoce como glucólisis aeróbica. Cuando el oxígeno esta disminuido, como por ejemplo durante el ejercicio prolongado y vigoroso, el producto glucolítico dominante en muchos tejidos es el lactato y el proceso se conoce con el nombre de glucólisis anaerobia.
La Energía que se Deriva de la Oxidación de la Glucosa
La glucólisis aerobia de glucosa a piruvato, requiere dos equivalentes de ATP para activar el proceso, con la subsiguiente generación de cuatro equivalentes de ATP y dos equivalentes de NADH. Así, la conversión de un mol de glucosa a dos moles de piruvato se acompaña de la producción neta de dos moles de ATP y NADH.
El NADH generado durante la glucólisis se utiliza para combustible a través de la síntesis de ATP mitocondrial oxidativo fosforilación, la producción de dos o tres equivalentes en función de la ATP a si la lanzadera glicerol fosfato o la lanzadera malato-aspartato se utiliza para el transporte de los electrones de NADH en el citoplasma mitocondria. Por tanto, la producción neta de la oxidación de un mol de glucosa a dos moles de piruvato puede ser seis u ocho moles de ATP. La oxidación completa de dos moles de piruvato, a través del ciclo tricarboxílico, rinde 30 moles adicionales de ATP; la producción total de la oxidación de una mol de glucosa a CO2 y H2O por tanto es de 36 o 38 moles de ATP.
Las Reacciones Individuales de la Glucólisis
La vía de la glucólisis puede verse como que está formada de dos fases separadas. La primera es la fase de activación que requiere energía en la forma de ATP, y la segunda es considerada la fase de producción. En la primera fase, se utilizan dos equivalentes de ATP para convertir la glucosa en fructosa 1,6-bifosfato (F1,6BP). En la segunda fase la F1,6BP se degrada a piruvato, con la producción de 4 equivalentes de ATP y dos equivalentes de NADH.
La reacción de la Hexocinasa
La fosforilación de la glucosa dependiente de ATP para formar glucosa 6-fosfato (G6P) es la primera reacción de la glucólisis, y es catalizada por isoenzimas que son específicas de los tejidos que se conocen con el nombre de hexocinasas. La fosforilación logra dos objetivos: Primero, la reacción de la hexocinasa convierte la glucosa no iónica en un anión que es atrapado en la célula, ya que las células carecen de sistemas de transporte para azucares fosforilados. Segundo, la glucosa inerte se activa a una forma capaz de ser metabolizada. Se conocen cuatro isoenzimas de mamíferos para la hexocinasa que se conocen como (Tipos I-IV), la isoenzima tipo IV se conoce como glucocinasa. La glucocinasa es la forma de la enzima que se encuentra en los hepatocitos y en las células beta del páncreas. El alto Km de la glucocinasa para la glucosa indica que esta enzima se satura solamente a muy altas concentraciones de substrato.
Esta característica de la glucocinasa hepática permite al hígado amortiguar "buffer" la glucosa sanguínea. Después de las comidas, cuando los niveles postprandiales de la glucosa son altos, la glucocinasa hepática está significativamente activa, lo que hace que el hígado preferentemente atrape y almacene la glucosa circulante. Cuando la glucosa sanguínea cae a niveles muy bajos, los tejidos como en el hígado y riñones, que contienen glucocinasa pero que no son altamente dependientes de glucosa, no continúan utilizando la glucosa que está disponible. Al mismo tiempo, tejidos como en el cerebro, que son críticamente dependientes de glucosa, continúan extrayendo la glucosa sanguínea utilizando sus hexocinasas con bajo Km, y en consecuencia su viabilidad está protegida. Bajo varias condiciones de deficiencia de glucosa, tales como periodos largos entre las comidas, el hígado se estimula para liberar glucosa a la sangre por medio de la vía de gluconeogénesis. Los niveles de glucosa producidos durante la gluconeogénesis son insuficientes para activar la glucocinasa, permitiendo que la glucosa salga de los hepatocitos a la sangre.
La regulación de las actividades de la hexocinasa y de la glucocinasa también es diferente. Las hexocinasas I, II, y III son inhibidas alostéricamente por la acumulación del producto (G6P), mientras que la glucocinasa no lo es. Esto último favorece la acumulación de reservas de glucosa en el hígado durante periodos de exceso de glucosa, mientras se favorece la utilización de glucosa en la periferia cuando se requiera glucosa como energía por otros tejidos.
Fosfohexosa isomerasa:
La segunda reacción de la glucólisis es una isomerización en la que, la G6P se convierte en fructosa 6-fosfato (F6P). La enzima que cataliza esta reacción es la fosfohexosa isomerasa (también conocida como fosfoglucosa isomerasa). La reacción es reversible a las concentraciones celulares normales de las dos hexosa fosfato y por tanto su actividad está presente tanto en la glucólisis como en la gluconeogénesis.
Esta reacción es catalizada por la 6-fosfofructo-1-cinasa, mejor conocida como Fosfofructo-cinasa-1 o PFK-1. Esta reacción no es rápidamente reversible debido a su gran energía libre positiva (ΔG0' = +5.4 kcal/mol) en su dirección reversa. De todas maneras las unidades de fructosa fluyen fácilmente en dirección reversa (gluconeogénesis) debido a la presencia en todas las células de la enzima hidrolítica fructosa-1,6-bisfosfatasa (F-1,6-BFasa).
La presencia de estas dos enzimas en el mismo compartimiento celular provee un ejemplo de un ciclo metabólico fútil, que si no es regulado rápidamente podría vaciar el almacenamiento de energía de la célula. Sin embargo, la actividad de estas dos enzimas es tan altamente regulada que la PFK-1 es considerada como la enzima limitante de la glucólisis y la F-1,6-BFasa es considerada la enzima limitante de la gluconeogénesis.
Aldolasa:
La aldolasa cataliza la hidrólisis de la F1,6BP en dos productos de tres carbonos: la dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y el gliceraldehido 3-fosfato (G3P). La reacción de la aldolasa es reversible y se utiliza tanto en la glucólisis como en la gluconeogénesis.
Triosa fosfato isomerasa:
Los dos productos de la reacción de la aldolasa se equilibran fácilmente en una reacción catalizada por la triosa fosfato isomerasa. Las reacciones subsecuentes de la glucólisis utilizan el G3P como sustrato; la reacción de la aldolasa se dirige en la dirección de la glucólisis por principios de acción de masa.Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa:
La segunda fase del catabolismo de la glucosa está dada por reacciones que producen energía como ATP y NADH. En la primera de estas reacciones, la gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) cataliza la oxidación de G3P a 1,3-bifosfoglicerato (1,3BPG) que es NAD+ dependiente. La reacción de la GAPDH es reversible, y la misma enzima cataliza la reacción reversa durante la gluconeogénesis.
Fosfoglicerato cinasa:
El fosfato de alta energía 1,3BPG es utilizado para formar ATP y 3-fosfoglicerato (3PG) por acción de la enzima fosfoglicerato cinasa. Note que esta es la única reacción de la glucólisis o gluconeogénesis que involucra ATP y aun así es reversible bajo condiciones normales. Asociada con la reacción de la fosfoglicerato cinasa esta una reacción importante en los eritrocitos, la formación del 2,3-bifosfoglicerato, 2,3BPG (ver la figura que sigue) por acción de la enzima 2,3-bifosfoglicerato mutasa. El 2,3BPG es un regulador importante de la afinidad de la hemoglobina para el oxígeno. Note también que la 2,3-bifosfoglicerato fosfatasa degrada al 2,3BPG a 3-fosfoglicerato, un intermediario normal de la glucólisis. El cortocircuito del 2,3BPG por tanto opera con el gasto de 1 equivalente de ATP por triosa que pasa por él. El proceso no es reversible bajo condiciones fisiológicas.
Fosfoglicerato mutasa y Enolasa:
Las reacciones restantes de la glucólisis están dirigidas a convertir el fosfoacil-ester de 3PG de baja energía a una forma de alta-energía y obtener el fosfato como ATP. El 3PG es primero cambiado a 2PG por la fosfoglicerato mutasa y la conversión del 2PG a fosfoenolpiruvato (siglas en Inglós: PEP) es catalizada por la enolasa.
Piruvato Cinasa:
La reacción final de la glucólisis aerobia es catalizada por la enzima altamente regulada piruvato cinasa (siglas en Inglós: PK). En esta reacción fuertemente exergónicas, el fosfato de alta-energía del PEP se conserva como ATP. La pérdida del fosfato por el PEP da lugar a la formación de piruvato en una forma enol que es inestable que espontáneamente se tautomeriza a la forma más estable, ceto del piruvato. Esta reacción contribuye a la gran proporción de energía libre por la hidrólisis del PEP.
Hay dos genes distintos de codificación actividad PK. Uno se encuentra en el cromosoma 1 y codifica las proteínas del hígado y PK eritrocitaria (identificados como el gen PKLR) y el otro está situado en el cromosoma 15 y codifica el músculo Proteínas PK (identificado como el gen PKM). El gen PKM músculo dirige el síntesis de las dos isoformas de músculo denominado PK PK-M1 y PK-M2. Las deficiencias en la el gen de la PKLR son la causa de la forma más común de heredado no sperocytic anemia.
Glucólisis Anaerobia
Bajo condiciones aeróbicas, en la mayoría de células, el piruvato es posteriormente metabolizado vía del ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo de Krebs. Bajo condiciones anaerobias y en los eritrocitos bajo condiciones aeróbicas, el piruvato es convertido a lactato por la enzima lactato deshidrogenasa (LDH), y el lactato es entonces transportado fuera de la célula a la circulación. La conversión de piruvato a lactato, bajo condiciones anaerobias, da a la célula un mecanismo para la oxidación del NADH (generado durante la reacción de la GAPDH) a NAD+ que ocurre durante la reacción catalizada por la LDH. Esta reducción se requiere ya que el NAD+ es un sustrato necesario para la GAPDH, sin la cual la glucólisis se detendría. Normalmente, durante la glucólisis aerobia los electrones del NADH citoplasmático son transferidos a transportadores mitocondriales de la vía de la fosforilación oxidativa generando así una reserva continua de NAD+ citoplasmático.
La glucólisis aerobia genera más ATP por mole de glucosa oxidada que la glucólisis anaerobia. La utilidad de la glucólisis anaerobia, para una célula muscular cuando esta necesita grandes cantidades de energía, se logra por el hecho de que la velocidad de la producción de ATP por la glucólisis es aproximadamente 100 veces más rápida que la fosforilación oxidativa. Durante el ejercicio las células musculares no necesitan dar energía para vías de reacción anabólicas. El requerimiento es generar la cantidad máxima de ATP, para la contracción muscular, en el periodo más corto de tiempo. Es por esto que las células musculares obtienen la mayoría del ATP consumido de la glucólisis anaerobia.
ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs, o ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, toma su nombre de su descubridor, Hans Adolf Krebs, un bioquímico alemán premiado con el Nobel en el 1953.
Esta ruta metabólica es la tercera etapa de la respiración celular, el proceso de producción de energía en las células. Forma parte de la respiración aerobia, es decir, se realiza en presencia de oxígeno y se desarrolla entre los procesos de glicolisis y cadena respiratoria. Su fin es la obtención de NADH, una molécula con poder reductor, que se utiliza para la producción de ATP mediante la cadena respiratoria.
La Transformación del Piruvato en Acetil-CoA mediante descarboxilación Oxidativa.
La descarboxilación oxidativa del piruvato es un paso anterior al propio ciclo de Krebs. Durante la glicolisis en el citoplasma se produce el piruvato, que pasa por una etapa de transición para convertirse en acetil-CoA para que pueda entrar en el ciclo de Krebs El piruvato pasa del citoplasma en las mitocondrias donde el complejo enzimático piruvato-deshidrogenasa lo convierte en acetil-CoA. Esto ocurre mediante la eliminación de una molécula de CO2 (descarboxilación) y la unión del resto acílico obtenido a la coenzima A por oxidación.
La transformación del piruvato en acetil-CoA es de gran importancia ya que une la glicolisis y el ciclo de Krebs. Hay que mencionar que los acetil-CoA que participan en él, no proceden solamente de la glicólisis, sino también de la oxidación de los ácidos grasos y del catabolismo de los aminoácidos. Resulta que el ciclo del ácido cítrico une todas las rutas catabólicas de las sustancias que aportan energía para nuestro cuerpo.
En general, el ciclo consiste en la formación de citrato, una molécula de 6 átomos de carbono, mediante la reacción del acetil-CoA (2 carbonos) con oxalacetato (4 carbonos). A continuación, el citrato sufre algunas transformaciones químicas hasta llegar a formar otra vez oxalacetato (4 carbonos). La reducción del número de átomos de carbono a lo largo del ciclo ocurre porque el compuesto pierde dos grupos carboxílicos como CO2, respectivamente en el paso 4 y 5. Todos los pasos son catalizados por enzimas. En total, en el ciclo de Krebs entran 1 molécula de acetil-CoA y 3 moléculas de H2O. Después de su transcurso obtenemos:
1 molécula de Coenzima A
3 NADH/H+ a partir NAD+
1 molécula de GTP (guanosina trofosfato) a partir de GDP + Pi
1 molécula de Coenzima Q reducida (ubiquinol)
Los NADH/H+ y el ubiquinol tienen un papel importante en la cadena respiratoria para la producción de ATP, producto final de la respiración celular.
Etapas.
Las enzimas que juegan un papel en el ciclo de Krebs y las reacciones que catalizan son las siguientes:
1 - La citrato sintetasa facilita la unión del oxalacetato con el resto acílico que lleva la coenzima A. Para ello se necesita adicionalmente un H2O y al final la coenzima A queda libre.
2 y 3 – La aconitasa cataliza la producción de cis-aconitato quitándo un H2O del citrato. Después incorpora un H2O al cis-aconitato para formar isocitrato.
4 – La isocitrato deshidrogenasa oxida el isocitrato (y reduce al mismo tiempo NAD+, produciendo NADH/H+). Como producto intermedio de este paso resulta oxalosuccinato (no aparece en el esquema) que se convierte en alfa-cetoglutarato mediante la descarboxilación. Resulta que el producto de este paso contiene 5 átomos de carbono en vez de 6. El grupo carboxílico se libera en forma de dióxido de carbono (CO2).
5 – El alfa-cetoglutarato se une con una coenzima A con la ayuda de la alfa-cetoglutarato-deshidrogenasa para formar succinil-CoA. En este paso se libera otro CO2, lo que deja el producto con 4 átomos de carbono. Además se genera un NADH/H+.
6 - Durante la reacción 6 que es catalizada por la succinil-CoA-sintetasa, se genera el succinato y una molécula de GTP (un compuesto rico en energía). La coenzima A queda libre otra vez para reacciones siguientes.
7 – La succinato-deshidrogenasa procede a la oxidación del succinato formando el fumarato. En la misma reacción se obtiene un FADH2, que a continuación reduce a la coenzima Q (ubiquinona), generando QH2 (ubiquinol).
8 – Sigue la hidratación del fumarato por la fumarasa y se obtiene el malato.
9 – Finalmente, la malato-deshidrogenasa permite la oxidación del malato, generando oxalacetato y otro NADH/H+. Regenerado, el oxalacetato puede aceptar de nuevo un acetil-CoA y recorrer el ciclo, ganando más "energía" en forma de NADH/H+ y QH2 que puede ser utilizada en la cadena respiratoria.
El ciclo de Krebs no es solamente una ruta catabólica sino que también juega un papel importante en varios procesos anabólicos (por eso se llama una vía anfibólica). Por ejemplo, el oxalacetato y el alfa-cetoglutarato sirven como precursores en la biosíntesis de algunos aminoácidos. Otros de los metabolitos del ciclo participan en la gluconeogénesis y en la síntesis de los ácidos grasos.
Vía de las pentosas fosfatos.
La vía de la pentosa fosfato (siglas en Inglés: PPP) es principalmente una vía anabólica que utiliza 6 carbonos de glucosa para generar azucares de 5 carbonos y equivalentes reducidos. Sin embargo, esta vía sí oxida la glucosa y bajo ciertas condiciones puede oxidar a la glucosa completamente a CO2 y agua. Las funciones más importantes de esta vía metabólica son:
1. Generar equivalentes reducidos, en la forma de NADPH, para reacciones de biosíntesis de reducción en las células.
2. Proveer a la célula con ribosa-5-fosfato (R5F) para la síntesis de Nucleósidos y ácidos nucleicos.
3. Aunque no es una función significativa de la PPP, esta puede operar para metabolizar azucares de pentosa de la dieta que se derivan de la digestión de los ácidos nucleicos así como también para arreglar los esqueletos de carbonos de carbohidratos de la dieta en intermediarios glucolíticos/gluconeogénicos.
Enzimas, que funcionan principalmente en el reductor la dirección de utilizar el NADP+/NADPH par cofactor como co-factores como frente a las enzimas oxidativas que utilizan el NAD+/NADH cofactor par. Las reacciones de la biosíntesis de ácidos grasos y la biosíntesis de esteroides utilizar de grandes cantidades de NADPH. Como consecuencia, las células del hígado, el tejido adiposo, suprarrenales corteza, testículos y glándula mamaria en lactancia tienen altos los niveles de las enzimas de PPP. De hecho, el 30% de la oxidación de la glucosa en el hígado se produce a través de la PPP. Además, los eritrocitos utilizar las reacciones de la PPP para generar grandes cantidades de NADPH utilizado en la reducción de glutatión (véase más abajo). La conversión de ribonucleótidos a desoxirribonucleótidos (a través de la acción de la ribonucleótido reductasa) requiere NADPH como la fuente de electrones, Por lo tanto, cualquier célula necesita de rápida proliferación de grandes cantidades de NADPH.
Aunque el PPP opera en todas las células, con altos niveles de expresión en el por encima de los tejidos indicados, los más altos niveles de enzimas PPP (en particular, glucosa 6-fosfato deshidrogenasa) se encuentran en los neutrófilos y macrófagos. Estos leucocitos son las células fagocíticas del sistema inmunológico y que utilizan NADPH para generar radicales superóxido de oxígeno molecular en una reacción de catalizada por la NADPH oxidasa. El anión superóxido, a su vez, sirve para generar otros especies reactivas de oxígeno (ROS), el matar a los microorganismos fagocitados. Tras la exposición a bacterias y otros extranjeros sustancias hay un incremento dramático en O2 consumo por los fagocitos. Esto fenómeno se conoce como la ráfaga de oxígeno.
Reacciones de la vía de la Pentosa Fosfato
Las reacciones de la PPP operan exclusivamente en el citoplasma. Desde esta perspectiva, es comprensible que la síntesis de ácidos grasos (como contraposición a la oxidación) tiene lugar en el citoplasma. El fosfato de pentosa vía tiene tanto un oxidante y un no oxidativo brazo. Las etapas de oxidación, la utilización de la glucosa-6-fosfato (G6P) como el sustrato, se producen al comienzo de la vía y son las reacciones que generan NADPH. Las reacciones catalizadas por la deshidrogenasa de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PDH) y 6-fosfogluconato deshidrogenasa (PGD) generan cada uno un mol de NADPH cada uno por cada mol de la glucosa-6-fosfato (G6P) que entra en el PPP. El rendimiento neto de ambos estas reacciones oxidativas es 2 moles de NADPH por mol de G6P. La conversión de 6-fosfogluconolactona a 6-fosfogluconato es catalizada por 6-fosfogluconolactonasa (PGLS). RPE: ribulosa-5-fosfato de 3-epimerasa. RPIA: ribosa-5-fosfato isomerasa.
Las reacciones no oxidativas de la PPP están principalmente diseñadas para generar R5P. Igual de importantes son reacciones de la PPP para convertir azucares de 5 carbonos de la dieta en azucares tanto de 6 (fructosa-6-fosfato) y de 3 (gliceraldehido-3-fosfato) carbonos que pueden ser utilizados en las vías de la glucólisis. Las principales enzimas involucradas en los pasos no oxidativos de la PPP son la transaldolasa y la transcetolasa:
La transcetolasa transfiere grupos de 2 carbonos desde los sustratos de la PPP, así se re-arregla los átomos de carbono que entran en esta vía. Como otras enzimas que transfieren grupos de 2 carbonos, la transcetolasa requiere pirofosfato de tiamina (PPT) como co-factor en la reacción de transferencia.
Transaldolasa transfiere 3 grupos de carbón y así también está implicada en un cambio de los esqueletos de carbón de los substratos de la PPP. La reacción de la transaldolasa implica la formación de bases Schiff entre el substrato y un residuo de la lisina en la enzima.
El beneficio neto de la PPP, si no se usa solamente para la producción de R5P, es la oxidación de la G6P, un azúcar de 6 carbones, en un azúcar de 5 carbones. A su vez, 3 moles de azúcar de 5 carbones se convierten, vía las enzimas de la PPP, nuevamente a dos moles de azúcares de 6 carbonos y de un mol de azúcar de 3 carbonos. Los azúcares de 6 carbonos se pueden reciclar en la vía bajo la forma de G6P, generando más NADPH. El azúcar de 3 carbonos generado es el gliceraldehído-3-fosfato que se puede desviar a la glicólisis y ser oxidado a piruvato. Alternativamente, puede ser utilizado por las enzimas de la gluconeogénesis para generar más azúcares de 6 carbonos (fructosa-6-fosfato o glucosa-6- fosfato).
Trastornos Metabólicos Asociados con el PPP
El estrés oxidativo dentro de las células es controlado principalmente por acción del péptido, glutatión, GSH. Ver los productos especializados de los aminoácidos para la síntesis de GSH. El GSH es un tripéptido integrado por el γ-glutamato, la cisteína y la glicina. Las cadenas laterales sulfidrilo de los residuos de la cisteína de dos moléculas del glutatión forman un enlace disulfuro (GSSG) durante el curso de ser oxidados en reacciones con varios óxidos y peróxidos en las células. La reducción de GSSG a dos moles de GSH es la función de la reductasa del glutatión, una enzima que requiera la oxidación conjunta de NADPH. El tiol de cisteína de GSH juega un papel en la reducción de oxidación tioles en otras proteínas. De oxidación de 2 tioles cisteína forma un disulfuro de bonos. Aunque este vínculo juega un papel muy importante en la estructura de la proteína y la función, disulfuros introducido incorrectamente puede ser perjudicial. Glutatión puede reducir disulfuros nonenzymatically. El estrés oxidativo también genera peróxidos que a su vez puede ser reducido por el glutatión para generar agua y un el alcohol, o de 2 aguas, si el peróxido se peróxido de hidrógeno. Regeneración de glutatión reducido se lleva a cabo por la enzima glutatión reductasa. Esta enzima requiere la co-factor de NADPH cuando se opera en la dirección de la reducción del glutatión, que es la dirección termodinámicamente favorable de la reacción. Hay al menos tres errores innatos en la vía pentosa fosfato que han sido identificados. La más común es el resultado de mutaciones en glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PDH). Muy raros casos de ribosa-5-fosfato isomerasa y la transaldolasa La deficiencia también se han documentado. En la deficiencia de la transaldolasa individuos problemas de hígado fueron el síntoma principal en los recién nacidos. Debe quedar claro que cualquier interrupción en el nivel de NADPH puede tener un profundo efecto sobre una capacidad de las células para hacer frente a oxidativo estrés. Ninguna otra célula que el eritrocito es expuesto a una mayor oxidación condiciones. Después de todo, es el portador de oxígeno en el cuerpo.
Referencias.
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