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.
1º
nivel: Fructosa–1,6–bisfosfato
más agua es fructosa–6–fosfato, que vuelve a la primera con ATP, catalizado por
PFK–1 (enzima glucolítica).
2º
nivel
regulador: la fructosa–2,6–bisfosfato activa glucólisis/inhibe gluconeogénesis.
3º
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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