domingo, 7 de febrero de 2016

Gluconeogénesis

La principal ruta de biosínteiss de los azúcares es la gluconeogénesis a través de la cual se genera glucosa a partir de una serie de precursores que no son hidratos de carbono.
También resulta muy importante la glucogenoneogénesis o almacenamiento de glucosa en forma de glucógeno.
No olvidar que una ruta anabólica no consiste en la mera inversión de su correspondiente ruta catabólica.
Aquellos pasos que en un sentido metabólico resultan fuertemente exergónicos y que otorgan direccionalidad neta a la ruta, son evitados en la ruta inversa empleando un juego distinto  de enzimas. El reto de pasos comparten enzimas y se corresponden con aquellas reacciones que actúan próximas al equilibrio y cuya direccionalidad dependerá de las concentraciones de reactivos y productos. Las enzimas que participan en los pasos clave se regulan de manera inversa. Ciclo inútil-­‐ciclo de sustrato.

Gluconeogénesis


La inmensa mayoría de los tejidos son capaces de metabolizar diversas fuentes de C para obtener la energía que requieren. Sin embargo, existen un número de tejidos que tan solo pueden emplear la glucosa como fuente de energía (cerebro, sistema nervioso, médula renal, testículos y eritrocitos…). Estos segundos tejidos han de ser capaces de sintetizar glucosa a partir de una serie de precursores o de revivirla de la sintetizada en otros órganos.
Por ejemplo, el cerebro requiere 120 gr de los 160 gr que requiere todo el cuerpo al día. El cuerpo posee unas reservas de 190gr de glucógeno. Así pues, las reservas de glucosa en un cuerpo humano ascienden a la cantidad necesaria para un día completo. En un periodo de inanición estas reservas duran tan solo un día. En caso de ayuno prolongado, la glucosa ha de formarse a partir de otros precursores.
Los principales sustratos de la gluconeogénesis son el propio piruvato, el lactato, aminoácidos (con la Ala constituyendo un caso especial), el propionato y el glicerol.

Las reacciones irreversibles de la glucólisis eran las catalizadas por la hexosa, la fosfofructoquinasa y piruvato quinasa.
La  gluconeogénesis ha  de  evitar  estos  pasos,  el  resto  serán  iguales  en  ambas  rutas (gluconeogénesis y glucólisis).
 

La hidrólisis de la fructosa 1 6 bisfosfato no libera más de 30kj/mol no se puede incorporar en la síntesis de ATP. Enzima: fructosa-1,6-bisfosfatasa. En el caso de que el hígado fabrique él la glucosa-6-fosfato para enviarla, hay que quitarle el fosfato a través de una hidrólisis sin generar ATP porque la glucosa-6-P no es de alta energía (aunque es de mayor energía que la de glucosa y necesitas ATP para formarla, no es lo suficientemente alta para formar ATP).

Reacciones

1) Conversión del piruvato a fosfoenolpiruvato:

La  conversión  tiene   lugar  en  2  pasos  catalizados  por  la  piruvato  carboxilasa  y  la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa.

La piruvato carboxilasa cataliza la conversión de piruvato a oxalacetato. Es la misma reacción que interviene en las reacciones anapleróticas.

Se consume una molécula de ATP y se fija un C.

El oxalacetato se genera en la matriz mitocondrial. Una vez generado puede participar en el ciclo de Krebs o puede ser transportado al exterior de la mitocondria (hacia el citosol) y participar en la gluconeogénesis.

El oxalacetato que participará en la gluconeogénesis se extrae de la mitocondria reduciéndose, en primer lugar, a malato por la malato deshidrogenasa mitocondrial. El malato transportado se reoxida a oxalacetato por medio de la malato deshidrogenasa citosólica.
El oxalacetato citosólico se transforma en fosfoenolpiruvato por medio de la acción de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa.



En este segundo paso, se emplea GDP (no ATP) y se pierde el C fijado en el anterior paso.

El rendimiento global de los dos pasos que evitan a la piruvato quinasa es:


La suma de los dos pasos es muy exergónica en condiciones intracelulares.

2) Conversión de la fructosa-­‐1,6-­‐bisfosfato en fructosa-­‐6-­‐fosfato: El paso está catalizado por la fructosa-­‐1,6-­‐bisfosfatasa.



Reacción considerablemente exergónica en condiciones intracelulares.


3) Conversión de la glucosa-­‐6-­‐fosfato en glucosa: Este paso lo cataliza la glucosa-­‐6-­‐fosfatasa.
Constituye un paso esencial en el caso de que la glucosa deba de ser secretada al torrente sanguíneo para trasladarse a otros tejidos.


La glucosa-­‐6-­‐fosfatasa se localiza en la cara externa (citosólica) del reticulo endoplasmático. Si la glucosa va a ser almacenada en forma de glucógeno, la glucosa-­‐6-­‐fosfato es transformada en glucosa-­‐1-­‐fosfato y no requiere la acción de la fosfatasa. Por tanto, la acción de la glucosa-­‐6-­‐fosfatasa  es característica  de, básicamente, el hígado, pues este órgano ha de encargarse de enviar glucosa a otros tejidos.


Otros sustratos de la gluconeogénesis

Los  principales  sustratos  para  la  gluconeogénesis  son  el  propio  piruvato,  el  lactato, aminoácidos (con la Ala constituyendo un caso especial), el propionato y el glicerol.

Lactato


Bajo condiciones de ejercicio físico intenso, el aporte de O2 no es suficiente para metabolizar todo el piruvato en condiciones aeróbicas, por lo que se da la fermentación láctica.


El lactato generado en las células musculares se secreta al torrente sanguíneo y desde allí viaja al hígado, órgano más aeróbico que el músculo esquelético.
El lactato se reoxida allí a piruvato por la lactato deshidrogenasa y se transforma en glucosa por medio de la gluconeogénesis.
La glucosa se secreta de nuevo al torrente sanguíneo y vuelve a las células musculares donde generará de nuevo lactato.

El anterior proceso recibe el nombre de ciclo de Cori.
El aminoácido lo primero que hace para degradarse es quitarse el grupo amonio.

Aminoácidos


La mayoría de los aminoácidos, al degradarse, generarán intermediarios del ciclo de Krebs que, en última instancia, pueden transformarse en oxalacetato (el aspártico en cuanto se desamina).

Estos aminoácidos reciben el nombre de gluconeogénicos.
Tan sólo la Lys y la Leu, al degradarse, no generan precursores gluconeogénicos.
La Ala sigue una ruta diferenciada del resto denominada ciclo glucosa-alanina. En los tejidos periféricos, el piruvato sufre una reacción de transaminación para pasar a Ala. Allí la Ala participar en la gluconeogénesis.
En condiciones de inanición (ayuno prologando), la principal fuente de mantenimiento de la glucosa en sangre proviene de la degradación de las proteínas y aminoácidos. Pero esta situación hay que fabricar glucosa para enviarla al cerebro. Por eso en ayuno prolongado adelgazas porque gastas proteínas y aminoácidos.
*Forma de transporte: se coge piruvato en los tejidos periféricos y se incorpora un amonio formando alanina que viaja al hígado y cede el grupo amonio y vuelve a pasar a piruvato que es sustrato de la gluconeogénesis. El esqueleto de amonio se puede utilizar como precursor en el ciclo ce Krebs.

Glicerol


Los lípidos no son buenos precursores gluconeogénicos. Por ejemplo, los ácidos grasos se oxidan a Acetil-CoA  pero éste no puede originar piruvato (La reacción de descarboxilación llevada a cabo por la piruvato deshidrogenasa es irreversible).
La degradación de triacilgliceroles origina ácidos grasos y glicerol.
El glicerol se fosforila por la glicerol quinasa a glicerol-­‐3-­‐fosfato y se oxida a dihidroxiacetona fosfato por la acción de la glicerol fosfato deshidrogenasa.
  

Propionato



El propionato se genera en forma de propionil-­‐CoA
1) a partir de la degradación de algunos aminoácidos
2) a partir de la oxidación de los ácidos grasos que tienen un número impar de átomos de carbono.

El propionil-­‐CoA se transforma en metilmalonil-­‐CoA y de ahí a succinil-­‐CoA.
  
El succinil-­‐CoA se transforma en oxalacetato vía ciclo de Krebs.

Regulación de la gluconeogénesis

La regulación de la gluconeogénesis es esencial para el mantenimiento y correcto funcionamiento del tejido nervioso.
También es esencial en condiciones de ejercicio muscular intenso y en situaciones de ayuno. Existe una interrelación entre los azúcares ingeridos a través de la dieta y las reservas intracelulares de   glucógeno,   lactato generado en el músculo y otros precursores gluconeogénicos.
La glucólisis y la gluconeogénesis se controlan de manera recíproca.
Dietas ricas en hidratos de carbono generan tasas bajas de gluconeogénesis. Dietas pobres en hidratos de carbono elevan el flujo a través de la ruta.
Existe un control hormonal (a través de la acción del par de hormonas insulina/glucagón) que actúa por medio del cAMP y un control alostérico.
Al igual que sucede en la glucólisis, la gluconeogénesis se encuentra controlada en los pasos irreversibles de la ruta. Se trata de los pasos catalizados por la combinación de la piruvato carboxilasa  y  la  fosfoenolpiruvato  carboxiquinasa,  la  fructosa-­‐1,6-­‐bisfosfatasa   y  por  la glucosa-­‐6-­‐fosfatasa.


·       La glucosa –6–fosfatasa no posee control alostérico aunque se controla a nivel de sustrato (KM superior a las concentraciones intracelulares de glucosa–6–fosfato.
La interconversión entre fructosa–6–fosfato y la fructosa–1,6–bisfosfato está regulada por la carga energética.

·       La fosfofructoquinasa se regula alostéricamente de tal manera que se activa por niveles elevados de AMP y se inhibe por niveles elevados de ATP. La fructosa–1,6–bisfosfatasa se regula también alostéricamente de manera opuesta.
Sin embargo, el regulador más importante de la actividad del par fosfofructoquinasa y fructosa–1,6–bisfosfatasa es la fructosa–2,6–bisfosfato. Constituye el regulador más importante  de  las  2  rutas  pues  actúa  a  niveles  de  concentración  muy  bajos  (Para  la fructosa–1,6–bisfosfatasa tenemos que Ki fructosa–2,6–bisfosfato  2,5µM y Ki AMP 25µM).

Activa la glucólisis mientras que inhibe la gluconeogénesis.

Los niveles de este regulador vienen controlados por el cAMP, a través de la acción de la proteína quinasa dependiente de cAMP.
La fosfofructoquinasa–2 o PFK–2 (Distinta a la fosfofructoquinasa–1, que es la que participa en la glucólisis), genera fructosa–2,6–bisfosfato. Su actividad queda controlada, a su vez, por el cAMP. La proteína quinasa dependiente de cAMP, en presencia de niveles elevados de cAMP, fosforila a PFK–2, reduciendo su actividad pues eleva la KM para la fructosa–6–fosfato.
Al descender las concentraciones de fructosa–2,6–bisfosfato, ésta se libera de la PFK–1 y provoca en esta enzima una sensibilización a los inhibidores alostéricos citrato, ATP y fosfoenolpiruvato.
Una fructosa–2,6–bisfosfatasa hidroliza la fructosa–2,6–bisfosfato para originar de nuevo fructosa–6–fosfato.
La fructosa–2,6–bisfosfatasa se inhibe, además, por su propio producto, la fructosa–6–fosfato. En realidad, la PFK–2 y la fructosa–2,6–bisfosfatasa constituyen la misma enzima. La enzima desfosforilada  presenta  actividad   PFK–2   y  sintetiza   fructosa–2,6–bisfosfato.   La  enzima fosforilada presenta actividad fructosa–2,6–bisfosfatasa y degrada la fructosa–2,6–bisfosfato. El paso de una actividad a otra está mediado por el cAMP y la proteína quinasa dependiente de cAMP.

*Recuerdo: regulación de la glucólisis:
2 Experimentos:
Análisis intermediarios (se inhibe/activa según la cantidad de ATP) y efecto pasteur
La hexoquinasa no puede ser el regulador más importante porque no se regula por ATP, por lo que tiene que ser fosfofructoquinasa o piruvato quinasa. Es la primera.


      nivel: Fructosa–1,6–bisfosfato más agua es fructosa–6–fosfato, que vuelve a la primera con ATP, catalizado por PFK–1 (enzima glucolítica).
      nivel regulador: la fructosa–2,6–bisfosfato activa glucólisis/inhibe gluconeogénesis.
      nivel: degradación y generación del regulador: se genera por una enzima, la PFK-2 (enzima reguladora de la glucólisis, genera el regulador), que coge fructosa 6 fosfato y la transforma con ATP fructosa–2,6–bisfosfato. Cuando la PFK2 está activa se genera mucho regulador y la glucólisis está muy activa y se genera mucho ATP.


De esta manera, el cAMP tiene un efecto doble sobre las concentraciones de fructosa–2,6–bisfosfato:
1)       Inactiva la actividad PFK–2
2)       Estimula la actividad fructosa–2,6–bisfosfatasa. Ambos efectos reducen la concentración de fructosa–2,6–bisfosfato. Así, se reduce el flujo a través de la glucólisis y se estimula la gluconeogénesis.
En el hígado, es el glucagón la hormona encargada de incrementar los niveles de cAMP estimulando la acción de la adenilato ciclasa. El efecto de esta hormona es provocar un aumento en los niveles sanguíneos de glucosa mediante:
1)       la estimulación producida por el cAMP en la cascada que regula la degradación del glucógeno
2)       provocar un descenso en la concentración de fructosa–2,6–bisfosfato, que, a su vez, provoca una estimulación de la gluconeogénesis.
El glucagón, adicionalmente, controla las concentraciones de:
1)       fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, mediante la activación de la transcripción del gen correspondiente.
2)       piruvato quinasa, mediante la inhibición de la transcripción del gen correspondiente. También se ve inhibida por la carga energética de manera tejido-­‐dependiente.

Existen 2 isoformas de la piruvato quinasa:
·       la isoforma M, abundante en el músculo.
·       la isoforma L, abundante en el hígado.
La isoforma L se inhibe por el ATP y por aminoácidos como la Ala (precursor gluconeogénico). Esta regulación específica de los tejidos gluconeogénicos, permite la síntesis de glucosa en condiciones energéticas  y de sustratos favorables.

El acetil–CoA puede actuar también como regulador recíproco de la glucólisis y la gluconegénesis. Actúa activando la piruvato carboxilasa e inhibiendo a la piruvato quinasa y a la piruvato descarboxilasa.

En caso de no comer, se genera glucólisis para enviarla al cerebro pero en el músculo no se hace gluconeogénesis y no va a enviar glucosa.
La alanina cuando llega al hígado transporta amonio para degradar urea. Queda piruvato que se utiliza para fabricar glucosa y enviarla al cerebro. La alanina lo que hace es inhibir la piruvato quinasa.

Almacenamiento de la glucosa en glucógeno

El almacenamiento de glucosa en forma de glucógeno se produce, sobretodo, en el hígado (principal reserva de glucógeno) y en el músculo.

Al igual que sucede con la síntesis de la glucosa y su degradación, la síntesis del glucógeno no consiste en la mera inversión de los procesos que implican su degradación.

La generación de nuevo glucógeno implica la acción de la Glucógeno Sintasa que añade moléculas de UDP–Glucosa a las cadenas nacientes de glucógeno.

La glucosa en el caso de entrar en la célula procedente del torrente sanguíneo pasa a glucosa–6–fosfato por la hexoquinasa.


·       La glucosa–6–fosfato se transforma en glucosa–1–fosfato por medio de la fosfoglucomutasa.
·       La glucosa–1–fosfato  se transforma en UDP–glucosa por medio de la UDP–Glucosa pirofosforilasa.  El proceso es conducido por la liberación de pirofosfato que es posteriormente hidrolizado por la pirofosfatasa.

La UDP–Glucosa es añadida a un extremo no reductor de una cadena de glucógeno formando un enlace glucosídico α(1-­‐4) a través de la acción de la glucógeno sintasa.



El cebador de la glucógeno sintasa es una cadena corta de residuos de glucosa unidos a una proteína, la glucogenina; concretamente a residuos de Tyr. Una vez que el cebador alcanza la longitud de 8 residuos es liberado de la proteína.

La glucógeno sintasa es incapaz de introducir las ramificaciones α(1-­‐6). La encargada de hacerlo es la amilo– (1,4–1,6) –transglucosilasa.
Cuando la cadena ha alcanzado los, al menos, 11 residuos de longitud, se transfiere un fragmento de 6–7 residuos a una glucosa interior del polímero.



Al igual que sucede con la regulación de la glucólisis y de la gluconeogénesis, existe una interrelación entre la degradación y la síntesis de glucógeno.
La síntesis de glucógeno se controla, al igual que sucedía con la degradación, por medio de una cascada de señales con un origen hormonal (en este caso, el glucagón). Se trata de la misma cascada de señales que controla la degradación del glucógeno. La activación de la cascada activará la degradación del glucógeno mientras que inhibirá su síntesis.
La glucógeno sintasa es un homotetrámero de 350 kDa que también transita entre un estado de fosforilación y de desfosforilación. En su estado desfosforilado (Glucógeno sintasa I) permanece activa mientras que en su estado fosforilado (Glucógeno sintasa D) permanece inactiva.
La misma fosforilasa b quinasa que fosforilaba a la glucógeno fosforilasa (fosforilasa b) se encarga de fosforilar a la glucógeno sintasa. En realidad, recibe el nombre más completo de sintasa-­‐fosforilasa quinasa (SPK).
En presencia de glucosa‐6‐fosfato, la glucógeno sintasa D no es tan inactiva. Se trata de un efector alostérico, de un activador y a concentraciones elevadas del azúcar-­‐6-­‐fosfato, la KM de la glucógeno sintasa D por la UDP-Glucosa no se ve aumentada. La glucógeno sintasa I es independiente de las concentraciones de glucosa‐6‐fosfato.
Así, cuando se han generado concentraciones elevada de la glucosa-­‐6-­‐fosfato, antes de que se desactive completamente la cascada que inhibe la síntesis de glucógeno, ya puede comenzar a almacenarse parte del exceso de glucosa liberado en forma de glucógeno.

La  proteína  quinasa  dependiente  del  cAMP  es  capaz  de  fosforilar  directamente  a  la glucógeno sintasa I sin tener que pasar por la SPK. Sin embargo, la fosforilación de la fosforilasa b si pasa, necesariamente, por SPK.
La implicación del anterior hecho es que la degradación del glucógeno es más sensible a señales hormonales que su síntesis. Este hecho es reflejo de la necesidad biológica de ser capaces de obtener energía de manera rápida frente a una situación de peligro. La síntesis de glucógeno, en cambio, no requiere de una “urgencia” biológica determinada.
La reversión de la cascada de señalización hormonal se logra por medio de una fosfoproteína fosfatasa-­‐1  (PP-­‐1).  Su acción revierte los procesos desencadenados por el glucagón y, por tanto, conduciría a la inactivación  de la degradación del glucógeno y a la activación  de su síntesis.
La actividad de PP-­‐1 está controlada por una proteína denominada Inhibidor de la fosfoproteína fosfatasa-­‐1 (PI-­‐1). Esta PI-­‐1 requiere ser fosforilada para que pueda actuar como inhibidor de PP-­‐1. Su fosforilación la lleva a cabo la proteína quinasa dependiente de cAMP.
La proteína quinasa dependiente de cAMP ejerce 2 mecanismos distintos de inhibición de la síntesis del glucógeno: 1) fosforila a la glucógeno sintasa, inactivándola, y 2) inhibe, indirectamente, a la PP-­‐1  (activando  PI-­‐1),  cuya actividad  activaría  a su vez a la glucógeno sintasa.
En la glucogenólisis, la PP-­‐1  tiene  el efecto contrario que en la glucogenoneogénesis pues desactivaría a la SPK y a la fosforilasa a, que pasaría a fosforilasa b (inactiva).
La insulina actúa como antagonista de la adrenalina y el glucagón y promueve el almacenamiento de la glucosa en forma de glucógeno. Uno de sus principales efectos consiste, precisamente, en la activación de la PP-­‐1.


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