9. METABOLISME GLUCÍDIC - TEORIA TEMA 9 PDF

Preview

Summary

9. METABOLISME GLUCÍDIC1. CATABOLISME DELS GLÚCIDSEl metabolisme de la glucosa és una ruta de generació d’energia i també serveix com a font d’intermediaris biosintètics.Els polisacàrids i disacàrids poden ser degradats pels organismes donant lloc als monosacàrids. El monosacàrid més abundant és la ...

Description

Bioquímica i Biologia Molecular

Bioquímica

9. META METABOLISME BOLISME GLUCÍDIC 1. CATABOLISME DELS GLÚCIDS El metabolisme de la glucosa és una ruta de generació d’energia i també serveix com a font d’intermediaris biosintètics. Els polisacàrids i disacàrids poden ser degradats pels organismes donant lloc als monosacàrids. El monosacàrid més abundant és la glucosa. La glucosa és pot obtenir d’una font exògena (dieta) o una font endògena (mobilització de reserves – glicogen, i síntesis de glucosa – condicions anaeròbiques). Destí de la glucosa: a) Oxidació via glicòlisi per obtenir piruvat (cicle de Krebs) b) Oxidació via de les pentoses fosfat per obtenir ribosa5-fosfat (síntesi d’àcids nucleics) c) Emmagatzemament en forma de glicogen, sucrosa...

2. GLUCÒLISI (metabolisme de la glc) És la ruta on els sucres de 6 C (hexoses) es trenquen per donar lloc a 2 molècules de 3C, el piruvat. Es tracta d'una ruta universal on es produeix síntesi d’ATP a partir d’ADP, de fet, la glucosa és el combustible universal. La glucòlisi pot realitzar-se en condicions aeròbies i anaeròbies (sense l'oxidació neta dels sucres) i és la part anaeròbia inicial d’una ruta de degradació global que comporta l'oxidació de glúcids a CO2 i H2O (cicle de Krebs). El més important de la ruta universal de la glucòlisi o ruta Embden-Meyerhof-Parnas és que la glucosa (6C) es transforma en 2 piruvat (3C). Aquest procés permet obtenir energia tant en condicions aeròbies com anaeròbies, la qual s’utilitza per sintetitzar ATP a partir d’ADP + Pi. La glucòlisi consisteix en una seqüència de 10 reaccions consecutives que es donen en el citosol. Es poden considerar 2 fases: 1. Inversió d’energia (5 primeres reaccions): fase preparativa on la glc (6C) es fosforilada i trencada en 2 molècules de 3C (gliceraldehid-3-fosfat), gast de 2 ATP. 2. Obtenció d’energia (5 últimes reaccions) : les 2 molècules de 3C de gliceraldehid3-fosfat s’interconverteixen en 2 molècules de piruvat, procés on s’obtenen 4 ATP, 2 H2O i es redueixen 2NAD+ a 2NADH.

1

Bioquímica i Biologia Molecular

El guany net per la glicòlisi és: 4 ATP (fase 2) – 2 ATP (fase 1) = 2ATP

Reacció global:

glc + 2 NAD+ + 2 (ADP +Pi) → 2 piruvat + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O ENZIMS I REACCIONS DE LA GLUCÒLISI 1. HEXOQUINASA: es comença amb la fosforilació de la glucosa on es consumeixen el 1r ATP. Aquesta reacció és el suficientment exergònica per ser pràcticament irreversible in vivo. Una hexocinasa transfereix un grup fosforil d’1 ATP a la glucosa per produir una glucosa-6-fosfat.

2. FOSFOGLUCOISOMERASA: isomerització de l’aldosa a la cetosa corresponent. En transferir el grup carbonil del C1 al C2 es facilita la fosforilació del grup hidroxil generat en C1 en la reacció següent. La fosfoglucoisomerasa converteix l’aldosa glucosa-6-fosfat a la seva cetosa, la fructosa-6-fosfat.

3. FOSFOFRUCTOQUINASA: 2ona fosforilació depenent d’ATP. Es produeix una hexosa fosforilada en El C1 i C6. Com en l’etapa 1, aquesta reacció és pràcticament irreversible in vivo. PFK (fosfofructoquinasa) suposa el principal punt de regulació de la glucòlisi. La fosfofructoquinasa consumeix 1 ATP per fosforilar la fructosa-6-fosfat a fructosa-1,6bisfosfat. Es diu fructosa-1,6-bifosfat per indicar que els 2 fosfats estan separats i no units com en l’ADP.

2

Bioquímica i Biologia Molecular

Bioquímica

4. ALDOLASA: el compost de 6C es trenca per donar 2 intermediaris de 3C (fragmentació en 2 trioses fosfat). L’aldolasa escindeix la fructosa-1,6-bisfosfat en dues trioses: el gliceraldehid-3- fosfat i la dihidroxiacetona fosfat. Tot i que en condicions estàndard el ∆G és positiu, en les condicions cel·lulars és negatiu, per això, in vivo, la reacció es produeix cap a la dreta.

5. TRIOSA FOSFAT ISOMERASA: converteix la dihidroxiacetona fosfat en gliceraldehid-3fosfat, que és el substrat de la següent reacció glucolítica. La

Fins aquí s’han gastat 2 ATP i s’ha trencat una hexosa ( glc) en 2 molècules de gliceraldehid-3-fosfat. Cadascuna d’aquestes 2 molècules es metabolitzarà a continuació per a produir compostos d’alta energia que impulsaran la síntesi d’ATP. 6. GLICERALDEHID-3-FOSFAT DESHIDROGENASA: síntesi del primer intermediari d’alta energia i de NADH (oxidació i fosforilació). La gliceraldehid-3-fosfat deshidrogenasa aprofita l’energia alliberada en oxidar el gliceraldehid-3-fosfat (mitjançant NAD + que accepta els e- del substrat que s’oxida) per sintetitzar un compost fosforilat d’alta energia, l’1,3-bisfosfoglicerat.

3

Bioquímica i Biologia Molecular

Bioquímica

7. FOSFOGLICERAT QUINASA: primera fosforilació a nivells de substrat. El 1,3BPG té un potencial de transferència de grup fosfat molt alt. Aquest grup fosfat el transfereix a l’ADP el que comporta la formació d’ATP. Es genera 1 ATP per triosa fosfat, 2 ATP/glc. La fosfoglicerat quinasa converteix l’1,3-bisfosfoglicerat en 3-fosfoglicerat, alliberant 1 ATP.

La gliceraldehid-3-fosfat deshidrogenasa i la fosfoglicerat quinasa estan acoblades termodinàmicament. Així, amb dues reaccions consecutives, l'energia de l'oxidació d'un aldehid a un àcid carboxílic es conserva en forma d'ATP. En aquest punt, el rendiment net d'ATP en la ruta glucolítica és zero (2-2= 0). Cal recordar que s'han invertit dos mols d'ATP per mol de glucosa per generar dos mols de triosa fosfat. 8. FOSFOGLICERAT MUTASA: un grup fosfat es transfereix de la posició 3 a la posició 2 del substrat. Aquesta etapa és de preparació per a la síntesi del següent compost d’alta energia. La fosfoglicerat mutasa converteix el 3-fosfoglicerat a 2-fosfoglicerat, desplaçant el grup fosfat dins de la molècula.

9. ENOLASA: síntesi del 2n intermediari d’alta energia. L’enolasa deshidrata el 2fosfoglicerat a fosfoenolpiruvat.

4

Bioquímica i Biologia Molecular

Bioquímica

10. PIRUVAT QUINASA: 2na fosforilació a nivell de substrat. El PEP (fosfoenolpiruvat) té un potencial de transferència de grup fosfat molt alt. Aquest grup fosfat es transfereix al ADP qui es transforma en ATP. La reacció és molt exergònica i irreversible in vivo. La piruvat cinasa transforma el fosfoenolpiruvat en piruvat, produint 1 ATP.

Els productes obtinguts poden seguir diferents rutes metabòliques: NADH: en condicions aeròbiques s’usa el poder reductor del NADH per sintetitzar ATP. En condicions anaeròbiques el NADH ha de ser reoxidat per altres vies per tal de mantenir el subministrament de NAD+ per la glucòlisi. PIRUVAT: les 2 molècules de piruvat són susceptibles de patir més oxidacions i donar més energia. Destins del piruvat: a) Condicions aeròbiques: el piruvat es transforma en acetil-CoA i entra en el cicle de Krebs (produeix CO2 i H2O). Animals, plantes i procariotes aeròbiques. Oxidació completa del piruvat a CO2 = 32 ATP b) Condicions anaeròbiques: fermentació alcohòlica (produeix etanol i CO2). Oxidació parcial = 2 ATP (sols glucòlisi) c) Condicions anaeròbiques: fermentació làctica (produeix lactat). Cèl·lules musculars i procariotes. Oxidació parcial = 2 ATP (sols glucòlisi) FERMENTACIÓ LÁCTICA: procés que permet reoxidar el NADH i produeix lactat. El piruvat ha de reduir-se a lactat quan els tx presenten condicions aeròbies insuficients per reoxidar tot el NADH que es forma durant la glucòlisi. El lactat produït és transportat al fetge o les cèl·lules musculars on es converteix a glc per mitjà del cicle de Cori. FERMENTACIÓ ALCOHÒLICA: la fan llevats com el Saccharomices cerevisiae. 2 ATP

2 ATP

Bioquímica i Biologia Molecular

Bioquímica

REGULACIÓ DE LA GLUCÒLISI Només tres reaccions de la glicòlisi, les catalitzades per l’hexocinasa, fosfofructocinasa i la piruvat cinasa, són molt exergòniques per lo que constitueixen punts de regulació de la ruta. La hexoquinasa es regula pel producte mentre que la fosfofructoquinasa (també producte i substrat) i la piruvat quinasa estan regulades al·lostèricament per ATP.

UTILITZACIÓ D’ALTRES SUBSTRATS DIFERENTS A LA GLC GALACTOSA La galactosa es pot obtenir de la hidròlisi de la lactosa. La galactosa i la glucosa són epímers que difereixen només per la seva configuració en el C4. Es per això que l’hexoquinasa no reconeix la galactosa com a substrat. Per mitjà de la galactoquinasa i la fosfoglucomutasa s’aconsegueix passar de la galactosa a la glucosa-6-fosfat que entra en la glucòlisi. FRUCTOSA (fetge) La glucoquinasa hepàtica només fosforila glucosa. Aquesta ruta d'utilització de la fructosa evita la regulació de la PFK, el que explica la facilitat amb la que la sacarosa es converteix en greix.

VIA DE LES PENTOSES FOSFAT La ruta de les pentoses fosfat genera poder reductor en forma de NADPH i pentoses (ribosa) per a la síntesi de nucleòtids i àcids nucleics. Les pentoses que es metabolitzaran, provenen de la digestió d’àcids nucleics. El NADPH és generat mitjançant l’oxidació de glucosa-6-fosfat en una ruta alternativa a la glicòlisi, la via de les pentoses fosfat. Perquè poder reductor en forma de NADPH i no de NADH? Estructuralment, el NADP+ és idèntic al NAD + excepte per un fosfat 2’ addicional. Però, malgrat la seva similitud química, existeixen diferències metabòliques entre ells.  

Els enzims lligats al nucleòtid de nicotinamida, on la funció principal és oxidar substrats, utilitzen el parell NAD+/NADH. Els enzims que actuen fonamentalment en una direcció reductora empren el NADP+ y el NADPH, donat que el NADPH s’utilitza per la biosíntesis dels àcids grassos i els esteroides.

6

Bioquímica i Biologia Molecular

Bioquímica

Distingim 2 fases en la via de les pentoses fosfat: 1. Fase oxidativa (generació de NADPH): la glucosa-6-fosfat és oxidada successivament fins a obtenir 1 pentosa fosfat (ribulosa-5- fosfat), produint 2 NADPH i 1 CO2. 2. Fase no oxidativa (interconversió de sucres): 2 grups d’interconversions no oxidatives fan possible la formació de 5 sucres de 6C a partir de 6 sucres de 5C. Les pentoses fosfat obtingudes poden seguir altres vies com la síntesi de nucleòtids i àcids nucleics, la síntesi de poder reductor, o la síntesi d’intermediaris metabòlics. Reacció global:

6NADP+ + 3 glc-6-p + 3H2O → 6 (NADPH + H+) + 3 CO2 + 2 frc-6-p + ga-3-p 3.GLUCONEOGÈNESI Quan no hi ha font de glc ni sucres per mitjà de la dieta i el fetge ha esgotat també la reserva de glicogen, la glucosa és sintetitzada a partir de precursors no glucídics mitjançant el procés de gluconeogènesi. La funció de la gluconeogènesi és mantenir els nivells de glc en sang quan no hi ha entrada de sucres en la dieta. Síntesi de glc a partir de precursors de 3-4C no glucídics. Té lloc principalment al fetge i als ronyons. La síntesi de glc a partir de piruvat utilitza molts dels mateixos enzims que la glicòlisi però alguns són diferents.

Com pot fer-se que la conversió de piruvat a glucosa sigui exergònica? Recordem que una ruta metabòlica només es pot dur a terme sense dificultat si el seu ∆G global és molt negatiu en la direcció que es descriu. En aquest cas, la glicòlisi (de glc a piruvat) és un procés molt exergònic (∆G = -103 KJ/mol). Tenint en compte que la majoria de les reaccions de la gluconeogènesi són reaccions de la glicòlisi però en sentit invers, com podem fer que el procés global sigui exergònic? Doncs, evitant i substituint 3 reaccions de la glicòlisi que tenen un ∆G molt gran i negatiu i, per tant, són irreversibles per afavorir termodinàmicament la gluconeogènesi. Aquestes reaccions són les catalitzades per l’hexoquinasa (R1 – R11), la fosfofructoquinasa (R3-R9) i la piruvat quinasa (R10-R1,2).

7

Bioquímica i Biologia Molecular

Bioquímica

BYPASS DELS ENZIMS I REACCIONS EN LA GLUCONEOGÈNESI 1. Bypass de la PIRUVAT QUINASA: per obviar la piruvat quinasa calen 2 reaccions: A) La PIRUVAT CARBOXILASA catalitza la formació d’oxalacetat a partir de piruvat i HCO3–, consumint 1 ATP. Es dona al mitocondri. B) La FOSFOENOLPIRUVAT (PEP) CARBOXIQUINASA converteix l’oxalacetat en fosfoenolpiruvat, consumint 1 GTP i alliberant CO2. Es dona al citosol.

*El transport d’oxalacetat del mitocondri al citosol té lloc per transportadors com la llançadora malat-aspartat (fetge, cor, ronyó). També existeixen altres transportadors com la llançadora de glicerofosfat (cervell, múscul). 2. Bypass de la FOSFOFRUCTOQUINASA: en la gluconeogènesi, és la FRUCTOSA-1,6FOSFATASA qui catalitza la hidratació (H2O) de fructosa-1,6-bifosfat a fructosa-6-fosfat + Pi.

3. Bypass de la HEXOQUINASA: la reacció de la glicòlisi s’obvia per una reacció d’hidròlisi on la GLUCOSA-6-FOSFATASA catalitza el pas de glucosa-6-fosfat + H2O → glucosa + Pi. Té lloc al reticle endoplasmàtic.

8

Bioquímica i Biologia Molecular

Bioquímica

La síntesi de glc és costosa en sentit energètic. Es consumeixen 6 grups fosfats d’alta energia. Balanç energètic de la gluconeogènesi:

2 piruvat + 2GTP+ 2 (NADH + H+) + 4ATP + 6H2O→ 1 glc + 2NAD+ + 4 (ADP + Pi) + 2 (GDP + Pi) ENTRADA DE PRECURSORS A LA GLUCONEOGENÈSI Qualsevol metabòlit que pugui ser transformat a piruvat o oxalacetat pot ser un precursor de la glc.

Glicerol procedent del catabolisme de greixos, cicle glc-alanina entre múscul i fetge, degradació d’àcids grassos, degradació de proteïnes, glicòlisi al múscul...

LACTAT: la gluconeogènesi a partir de lactat s’anomena cicle de Cori. En el cicle treballen el fetge (fa la gluconeogènesi) i el múscul (fa la glucòlisi). A la glucòlisi s’obtenen 2 ATP i a la gluconeogènesi del fetge se’n gasten 6. Aquest balanç és negatiu, però part de la glucosa obtinguda torna al múscul, on s’oxida aeròbiament obtenint-se més de 30 ATP. Es necessiten 6 ATP per obtenir 1 glc a partir de lactat. AMINOÀCIDS: alguns aa es catalitzen a piruvat, oxalacetat o altres precursors d’aquests com el propionil-CoA. La font de piruvat i oxalacetat per la gluconeogènesi, durant el dejuni, és principalment el catabolisme d’aa. Les proteïnes musculars poden hidrolitzar-se per subministrar aa que són desaminats i catabolitzats per formar precursors per la gluconeogènesi. També es pot donar el cicle glucosaalanina al fetge i al múscul, on s’acaba alliberant nitrogen cap al fetge, on es produeix urea. 9

Bioquímica i Biologia Molecular

Bioquímica

GLICEROL: procedent del catabolisme de triacilglicèrids. En trencar-se, els triacilglicèrids es transformen en àcids grassos + glicerol. Aquest glicerol pot ser un dels precursors de la glc en la gluconeogènesi. També, en l’oxidació dels àcids grassos es produeix propionil-CoA, precursor d’oxalacetat. El cicle del glioxilat, en plantes i bacteris, permet que l’acetil-CoA derivi en oxalacetat i aquest en glc.

REGULACIÓ DE LA GLICONEOGÈNESI Hi ha un control recíproc de la glucòlisi i de la gluconeogènesi. Tos dos estan regulats a nivell de càrrega energètica i els punts que difereixen en ambdues rutes són els principals punts de regulació recíproca. Ex. La fructosa-2,6-bisfosfat activa la fosfofructoquinasa (de la glicòlisi) i inhibeix la fructosa-1,6-bisfosfatasa (de la gliconeogènesi).

4.METABOLISME DEL GLICOGEN El glicogen és un polímer de D-glucoses unides per enllaços α(1→4) amb ramificacions en posició α(1→6) cada 8-14 residus. Aquest polímer constitueix una important reserva d’energia (múscul) i de glucosa (fetge) per a les cèl·lules animals.

GLUCOGENÒLISI El procés de degradació del glucogen o glucogenòlisi requereix tres enzims: Reacció de fosforòlisi

Reaccions d’hidròlisi

1. La GLICOGEN FOSFORILASA catalitza la fosforòlisi del glicogen (trencament d’un enllaç per substitució d’un grup fosfat) per alliberar glucosa-1-fosfat. 2. GLUCANTRANSFERASA (α1,4 → α1,4) és un enzim desramificant que s’encarrega d’eliminar els enllaços 1-4 del glicogen, possibilitant que més residus de glucosa siguin alliberats per la fosforilasa. 3. α1,6-GLUCOSIDASA: també és un enzim desramificant, aquest trenca les ramificacions 1-6.

BIOSÍNTESI DEL GLICOGEN La conversió directa de glucosa-1-fosfat a glicogen està termodinàmicament desafavorida. Per això, la síntesi de glicogen requereix una etapa exergònica, la qual s’aconsegueix unint la glucosa-1-fosfat a un UDP (difosfat d’uridina), aconseguint un UDP-glc. Aquesta unitat glucosil (glc) del UDP és transferida a la cadena de glicogen creixen gràcies a l’enzim GLICOGEN SINTASA. 10

Bioquímica i Biologia Molecular

Bioquímica

L’encebador de la glicogen sintasa és una cadena curta de residus de glc que esta unida a la glicogenina. Les ramificacions del glucogen són importants perquè augmenten la solubilitat del polímer i el nº d’extrems no reductors que poden ser trencats durant la mobilització del glicogen, aquestes ramificacions són afegides per un enzim ramificant.

REGULACIÓ DEL METABOLISME DEL GLICOGEN La regulació de la glucogenòlisi provoca l’activació de la glucogen fosforilasa mentre que la regulació de la síntesi de glucogen condueix a la inhibició de la glucogen sintasa. ▪

Regulació HORMONAL de la GLUCOGENÒLISI: en el múscul esta regulada per l’adrenalina i en el fetge tant per l’adrenalina com el glucagó, qui augmenten els nivells de glc en sang (insulina redueix).

▪

Regulació NO HORMONAL de la GLUCOGENÒLISI: la regulació es fa mitjançant metabòlits. Regulació al·lostèrica per 5’AMP que activa la glicogen fosforilasa.

▪

Regulació NO HORMONAL de la SÍNTESIS DE GLUCOGEN: regulació al·lostèrica per glucosa-6-fosfat que activa la glicogen sintasa.

5.CICLE DE CALVIN La seva funció és fixar el CO2 atm en els hidrats de carboni utilitzant l’energia de l’ATP i el poder reductor dels coenzims reduïts (NADPH, FADH2) generats en les fases lluminoses de la fotosíntesi. El cicle de Calvin o fase fosca té lloc a l’estroma dels cloroplasts. Es sintetitza gliceraldehid-3-fosfat (sucre 3C) a partir dels C del CO2 fixat, dels e- i H+ del NADPH i de l’energia del ATP. Després aquest sucre es pot convertir en glc. Per produir 1 molècula de glc calen 2 gliceraldehid-3-P i per aconseguir 2 G3P es necessiten 6 CO2. El cicle de Calvin té 2 fases:

11

Bioquímica i Biologia Molecular

Bioquímica

1. Fase de producció A) Fixació del CO2. El CO2 atm entra a l’estroma del cloroplast i s’uneix a un sucre de 5C, la ribulosa-1,5-bisfosfat (RuBP), gràcies a l’enzim rubisco (ribulosa-1,5bifosfat-carboxilasa), formant així un compost inestable de 6C que es dissocia en 2 molècules de 3-fosfoglicerat (3C). B) Reducció del CO2 fixat. Mitjançant el consum d’ATP i NADPH obtinguts en la fase lluminosa, cada 3-fosfoglicerat és reduït a gliceraldehid-3-fosfat. Aquest pot seguir diferents vies: ▪ Síntesi de midó, àcids grassos i aminoàcids als cloroplasts. ▪ Síntesi de glucosa i fructosa fora del cloroplast, al citosol mitjançant gluconeogènesi. 2. Fase de regeneració. Per cada 3 molècules de CO2 que s’incorporen es produeixen 6 de gliceraldehid-3-fosfat. 1 G3P s’usa per la producció de glc i els 5 restants s’utilitzen en la regeneració de l’acceptor de CO2 (RuBP). Les 5 G3P són reordenades per a formar les 3 molècules de ribulosa-1,5-bisfosfat (RuBP). El cicle ha de gastar 3 molècules més d’ATP (1 per RuBP) per completar el cicle i preparar el següent.

12...