Núcleo 1: Metabolismo de Hidratos de Carbono (Resumen) PDF

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Metabolismo de Hidratos deCarbonoCiclo de CoriIngreso de glucosa en las célulasAl considerar la absorción intestinal de glucosa se mencionó la existencia en la membrana apical de enterocitos de un sistema de cotransporte Na+/glucosa (SGLT 1) que introduce glucosa en la célula aprovechando el gradien...

Description

ARTI II

Metabolismo de Hidratos de Carbono

Ciclo de Cori

Ingreso de glucosa en las células Al considerar la absorción intestinal de glucosa se mencionó la existencia en la membrana apical de enterocitos de un sistema de cotransporte Na+/glucosa (SGLT 1) que introduce glucosa en la célula aprovechando el gradiente creado por la bomba de Na+ (Na+, K+-ATPasa). Este proceso activo secundario permite acumular glucosa en el citosol. Desde aquí la hexosa pasa a la circulación portal por difusión facilitada.

ARTI II Una vez en la sangre, la glucosa llega a las células penetra en ellas también por difusión facilitada, es decir, mediante transportadores que permiten el paso a favor del gradiente. Por esta razón la concentración de glucosa en el citosol, con excepción de células de mucosa intestinal y túbulos renales que disponen de sistemas de transporte activo, no puede ser mayor que la existente en sangre y líquido intersticial. Los transportadores de glucosa por difusión facilitada forman una familia de proteínas integrales de membrana (se designan con las siglas GLUT), constituidas por una cadena polipeptídica de unos 500 aminoácidos, con doce segmentos transmembrana que forman el canal por donde la glucosa ingresa en la célula.

Transporte de glucosa Los cotransportadores activos Na+/glucosa SGLT solo se encuentran en membrana apical de células epiteliales polarizadas de intestino delgado y túbulos renales. En intestino, SGLT introduce en los enterocitos (aun contra gradiente), glucosa libre generada por la digestión de alimentos en el lumen; en túbulos renales, reabsorbe glucosa del líquido filtrado en los glomérulos. El resto del transporte de glucosa se realiza por difusión facilitada mediada por uniporters. Se han identificado varios miembros de la familia de estos transportadores y cuatro tienen preferencia por Dglucosa. GLUT1: se expresa en todas las células del feto; en adultos predomina en glóbulos rojos, fibroblastos y células endoteliales de capilares sanguíneos. GLUT2: está presente en membrana basolateral de epitelio intestinal y túbulos renales, en hepatocitos y células ß de islotes de Langerhans del páncreas. GLUT3: es el principal transportador de glucosa en cerebro y nervios periféricos. GLUT4: es expresado en tejido adiposo y músculos esquelético y cardíaco. GLUT5: es un transportador de fructosa, presente en membrana apical y basolateral de enterocitos.

ARTI II Los portadores difieren en propiedades cinéticas. Según su afinidad por glucosa se ordenan del siguiente modo: GLUT4>GLUT3>GLUT1>GLUT2. El de mayor afinidad, GLUT4, tiene una Km para glucosa de ~2,0mM. GLUT4 funciona siempre casi a velocidad máxima pues se encuentra próximo a saturación, aun cuando la glucemia esté en niveles bajos. GLUT3 también tiene alta afinidad y asegura provisión constante de glucosa al tejido

Concentración normal de glucosa en sangra: varía de 4,0 a 6,0mM

nervioso, no afectada por las fluctuaciones normales de glucemia. GLUT2 es el portador de menor afinidad (Km ~20mM); su velocidad de transporte está directamente relacionada con el nivel de glucosa. En hígado (abundante GLUT2), cuando el nivel de glucosa es elevado (por ej. en el período posprandial) hay flujo neto de glucosa hacia el interior de las células. Si la glucemia es baja (por ej. en ayunas) se activan los procesos de glucogenólisis y gluconeogénesis, la glucosa intracelular aumenta y el flujo se invierte; sale glucosa al espacio intersticial y de allí a la sangre. También deja pasar galactosa y fructosa. Las células ß del páncreas también son ricas en GLUT2; el ingreso de glucosa a esas células en proporción directa con los niveles de sangre juega un papel importante en el estímulo de la secreción de insulina. La actividad de GLUT4, presente en músculos esquelético y cardíaco y en tejido adiposo, es regulada por insulina. Esta hormona aumenta notablemente el transporte de glucosa hacia el citosol en esos tejidos. Cuando la glucemia es baja, la mayoría de los transportadores GLUT4 en tejido adiposo y músculo se encuentran insertos en membranas de vesículas intracelulares: Si el nivel de glucosa aumenta, se estimula la secreción de insulina, que promueve el “reclutamiento” de GLUT4 desde el interior de la célula hacia la membrana plasmática (las vesículas que contiene los portadores se fusionan con la membrana externa). El incremento de GLUT4 accesibles desde el exterior, se activa el ingreso de glucosa. GLUT6, GLUT8, GLUT11 (homologías de GLUT5). GLUT6: se encontraría en cerebro, bazo, leucocitos y tejido adiposo. GLUT11: solo en músculo cardíaco y esquelético.

Fosforilación de glucosa La primera transformación es su esterificación con ortofosfato para formar glucosa-6-fosfato (G-6-P). Esta reacción es catalizada por hexoquinasa, enzima presente en todas las células. Existen cuatro isozimas de hexoquinasa. Las isozimas I, II y III se encuentran en variadas proporciones en distintos tejidos.

ARTI II 

Son un tanto inespecíficas; fosforilan en carbono 6 a otras hexosas además de glucosa.



Sus Km para glucosa oscilan entre 0,01 y 0,1mM, valores muy inferiores a la concentración habitual de glucosa en líquidos y células del organismo (término medio 5,0 mM). En consecuencia, a los niveles de hexosa existentes en tejidos, estas enzimas trabajan a su máxima velocidad y su actividad no se modifica por los cambios que experimenta la glucemia.

Las

hexoquinasas

I

a

III

son

inhibidas

alostéricamente por G-6-P, producto de la reacción. La

isozima

IV

(glucoquinasa)

se

encuentra

exclusivamente en hígado y en células ß de islotes de Langerhans en páncreas. Esta enzima es altamente específica; solo utiliza D-glucosa como sustrato: su afinidad por la hexosa es mucho menor que la de las

Como los niveles fisiológicos de glucosa se encuentran en la zona en la cual la actividad es directamente proporcional a la concentración de sustrato (reacción de primer orden con relación al sustrato), la actividad de la enzima depende de la cantidad de glucosa disponible; es pobre a los valores de glucemia normal en ayunas. A diferencia de las hexoquinasas I a III, la glucoquinasa no es inhibida por G-6-P.

otras isozimas (KM mayor de 10 mM), por encima de las concentraciones normales existentes en tejidos. Las isozimas I a III gracias a su muy baja Km, se aseguran continua utilización de glucosa por las células y provisión permanente de energía aun cuando la glucemia experimente oscilaciones. La glucoquinasa o isozima IV, en cambio solo permite captar glucosa a los hepatocitos y células ß del páncreas cuando los niveles en sangre aumentan significativamente, por

Todas las hexoquinasas requieren ATP, como donante de fosfato y energía, y también actúa como sustrato.

ejemplo, después de una comida. Las hexoquinasas I a III se expresan constitutivamente en las células, en cambio, la síntesis de glucoquinasa es inducida por insulina. La reacción catalizada por hexoquinasa comprende dos reacciones acopladas, la síntesis del éster glucosa-6-fosfato, endergónica, y la hidrólisis exergónicas de ATP. La reacción marcha en el sentido de fosforilación de glucosa y es prácticamente irreversible. La formación de glucosa-6-fosfato:  Convierte la glucosa en un compuesto más reactivo, apto para futuras transformaciones.  Las membranas celulares son impermeables a G-6-P y esta no puede difundir hacia el exterior; una vez fosforilada, la glucosa queda atrapada dentro de la célula, obligada a seguir las alternativas metabólicas que allí se le ofrecen.  La rápida conversión de glucosa en G-6-P mantiene baja la concentración intracelular de glucosa y el gradiente favorable para el ingreso de más glucosa.  La glucosa-6-fosfato es un metabolito muy importante. Constituye una encrucijada metabólica, de la cual parten y a la cual llegan distintos vías: glucogenogénesis, glucogenólisis, glucólisis, gluconeogénesis, de pentosas fosfato.

ARTI II

Vías metabólicas de la glucosa Consideraremos los siguientes procesos: 1. Glucogenogénesis. Conversión de glucosa en glucógeno. 2. Glucogenólisis. Liberación de glucosa a partir de glucógeno. 3. Glucolisis o vía de Embden-Meyerhof. Degradación de glucosa a piruvato y lactato. 4. Descarboxilación oxidativa de piruvato. El piruvato formado en la glucólisis es convertido en un resto de dos carbonos (acetato). 5. Ciclo del ácido cítrico, de Krebs, o de ácidos tricarboxílicos. Los restos acetato son finalmente oxidados a CO2 y H2O. 6. Vía de pentosa fosfato o hexosa monofosfato. Vía alternativa de oxidación de glucosa. 7. Gluconeogénesis. Formación de glucosa o glucógeno a partir de fuentes no glucídicas. Los principales sustratos para gluconeogénesis son aminoácidos glucogénicos, lactato y glicerol.

ARTI II GLUCOGENOGENESIS La síntesis de glucógeno a partir de la glucosa, por su magnitud

y significación funcional, es realmente

importante en hígado y músculo. En el ser humanos, el hígado alcanza a contener hasta 6% de su peso en glucógeno especialmente después de una alimentación rica en carbohidratos. Esa proporción se reduce considerablemente después del ayuno prolongado. En músculo esquelético, el glucógeno representa aproximadamente 1% de su peso. La glucogenogénesis es un proceso anabólico que requiere energía.

Las etapas de esta síntesis son las siguientes: 1. Fosforilación

de

glucosa.

Es

la

conversión de glucosa en glucosa-6fosfato. Es catalizada por hexoquinasas (glucoquinasa entre ellas). 2. Formación de glucosa-1-fosfato. En esta etapa, la fosfoglucomutasa cataliza la transferencia intramolecular del grupo fosfato desde carbono 6 a carbono 1. La glucosa-6-fosfato

se

convierte

en

glucosa-1-fosfato. La reacción es reversible. 3. “Activación” de glucosa. La glucosa-1-fosfato reacciona con el nucleótido de alta energía uridinatrifosfato (UTP) para dar uridina-difosfasto-glucosa (UPDG) y pirofosfato (PP). La reacción es catalizada

por

uridina-difosfato-glucosa

pirofosforilasa o glucosa-1-P-uridiltransferasa. El piruvato inorgánico es rápidamente hidrolizado por

acción

de

pirofosfatasa.

La

inmediata

desaparición del pirofosfato hace la reacción prácticamente irreversible.

ARTI II Su inclusión en el nucleótido-azúcar (UPDG) dota a la glucosa de la reactividad necesaria para participar en la sínteis de glucógeno. La glucosa se “activa” por su unión a UDP. 4. Adición

de

glucosas a

la

estructura

polimérica. La glucosa “activada” del UPDG es transferida a glucógeno preexistente. Se establece una unión glucosídica con el carbono 4 de una glucosa terminal en las cadenas del glucógeno. Esta reacción es catalizada por glucógeno sintasa, glucosil transferasa que requiere la presencia de una estructura polimérica. La reacción es prácticamente irreversible. Como la glucógeno sintasa solo puede formar uniones α1→4, su acción determina alargamiento lineal de ramas preexistentes por adición sucesiva de glucosas. 5. Formación de ramificaciones. Cuando la acción de la glucógeno sintasa ha alargado una cadena hasta diez o más residuos de glucosa, internviene otra enzima que secciona un segmento terminal de no menos de seis glucosas para insertarlo, mediante unión glucosídica α1→6, sobre otra cadena vecina. La enzima es la amilo-α(1,4)→α(1,6)-glucantransferasa o enzima ramificante. Glucogenina. La síntesis en ausencia total de glucógeno es posible; requiere una proteína iniciadora llamada glucogenina, que actúa como aceptadora de la primera glucosa, en unión glucosídica con un resto tirosina de la proteína. El proceso es autocatalítico, utiliza UDPG como donante de glucosa. La glucogenina cataliza también la adición sucesiva de unidades hasta formar una cadena lineal de seis a siete gluciosas en enlaces α(1→4). Cada molécula de glucógeno está covalentemente ligada a una proteína iniciadora, razón por la cual el número de partículas de glucógeno en la célula depende de la disponibilidad de glucogenina.

GLUCOGENOLISIS La glucogenólisis no es simplemente el proceso inverso de la glucogenogénesis. (Se utilizan enzimas distintas a las de la vía anabólica). Las etapas de glucogenólisis son las siguientes:

ARTI II 1. Fosforólisis de glucógeno. La degradación de glucógeno es iniciada por la acción de fosforilasa, que cataliza la ruptura de uniones glucosídicas α (1→4) por inserción de fosfato en el carbono 1. El ortofosfato utilizado en esta reacción proviene del medio (P1); no es necesario gasto de ATP. La fosforilasa actúa a partir del extremo no reductor de las ramificaciones y libera glucosa-1-fosfato. Aquí interviene

otra

enzima,

oligo-α(1,4)→α(1,4)-

glucantransferasa, que desprende el trisacárido terminal de la ramificación y lo transfiere al extremo de una rama vecina, al cual lo une por enlace α1→6. 2. Hidrólisis de uniones glucosídicas α1→6. La ruptura de este enlace se realiza por hidrólisis, catalizada por α(1→6)-glucosidasa o enzima desramificante, que deja glucosa en libertad. Después de esta intervención, la cadena es de nuevo atacada por la fosforilasa, que continúa liberando glucosa-1-P hasta que la próxima unión α(1→6) se encuentre a una distancia de cuatro restos glucosa.

Se produce una glucosa libre por cada nueve glucosas-1-P. Solo unidades glucosas en la posición de ramificación son liberadas como glucosa libre. Todas las otras aparecen como G-1-P.

3. Formación de glucosa-6-fosfato. La glucosa-1-fosfato es convertida en glucosa-6-fosfato por la fosfoglucomutasa. Es la misma reacción de la glucogenogénesis, en sentido inverso. 4. Formación de glucosa libre. La hidrólisis de glucosa-6-fosfato a glucosa y fosfato inorgánico, catalizada por glucosa-6fosfatasa. La reacción de glucosa a G-6-P catalizada por glucoquinasa es esencialmente irreversible. Por esta razón, el proceso inverso es cumplido por otra enzima. La glucosa-6-fosfatasa se encuentra en membranas de retículo endoplásmico (RE) de hígado, riñón e intestino, pero no en músculo. Esto explica porqué el hígado, riñon e intestino pueden ceder glucosa a la circulación y el músculo no. En músculo…(veáse pág.225, Blanco, A., & Blanco, G. Química biológica. (10° ed.))

ARTI II Papel funcional del glucógeno. Representa una reserva a la cual se recurre para obtener glucosa durante períodos de hipoglucemia o hipoxia. Sin embargo, el papel del glucógeno no es el mismo en todos los órganos. Es el caso del hígado y músculo, ambos muy ricos en glucógeno, que presentan diferencias notables. El hígado cumple un rol muy importante como regulador de la glucemia, asegurando la provisión constante de glucosa a todos los tejidos. Inmediatamente después de una comida aumenta transitoriamente la glucemia. En estos periodos de exceso de oferta, el hígado sustrae glucosa de la circulación y la almacena como glucógeno. En los intervalos entre comidas, el hígado degrada su glucógeno y libera glucosa a la sangre. En músculo el glucógeno actúa como reserva rápidamente movilizable que provee combustible para la contracción. El músculo no puede liberar glucosa, sus depósitos de glucógeno son utilizados exclusivamente por el propio tejido.

GLUCOLISIS La principal vía inicial del catabolismo de glucosa es la serie de reacciones llamada glucólisis o vía de Embdem-Meyerhof. En el curso de esta vía, una molécula de glucosa es desdoblada en dos de piruvato y se produce energía utilizable.  El proceso puede cumplirse en ausencia de oxígeno (anaerobiosis).  Es evolutivamente el más antiguo, utilizado por los primeros seres vivos que aparecieron en la Tierra cuando la atmósfera estaba desprovista de oxígeno. Funciona en todos los organismos vivientes.  Muchos microorganismos realizan por esta vía la degradación anaeróbica de glucosa y otros monosacáridos: el proceso es denominados fermentación. Los productos terminales difieren en distintos microorganismos. Algunos forman lactato (fermentación láctica), otros producen etanol y CO2 (fermentación alcohólica), otros ácido acético.  En seres aerobios, la glucolisis constituye la primera parte del catabolismo de glucosa. El piruvato continúa su degradación por vía oxidativa hasta CO2 y H2O. Sin embargo, en organismos aerobios cuando un tejido funciona con insuficiente provisión de oxígeno, por ejemplo en el músculo esquelético durante un ejercicio brusco e intenso, el piruvato es convertido en lactato como en la fermentación láctica.  Las transformaciones químicas de la glucólisis comprenden cambios en la molécula del sustrato original (glucosa) con producción de metabolitos ricos en energía, que pueden transferir restos fosforilo a ADP.

ARTI II  La capacidad de generar ATP por mecanismos de fosforilación a nivel de sustrato, sin participación de oxígeno ni cadena respiratoria, otorga importancia fisiológica a la glucólisis.  La serie de reacciones de la glucólisis puede dividirse en dos fases.  En la primera, la hexosa sufre dos fosforilaciones y termina dividida en dos triosas-fosfato. En esta fase preparatoria, se invierte energía para formar compuestos incapaces de escapar de la célula y más reactivos que la glucosa (más apto para sufrir nuevas transformaciones). El resultado del primer grupo de reacciones es la ruptura de la molécula inicial de seis carbonos en dos de tres carbonos, gliceraldehído-3fosfato (G3P) y dihidroxiacetonafosfato (DHAP). Esta última es transformada en G3P; cada molécula de glucosa ingresada en la vía se convierte en dos de G3P.  En la segunda parte, el gliceraldehído-3fosfato sufre oxidación y redistribción de sus átomos con formación de intermediarios de alta energía que participan en la síntesis de ATP por fosforilación a nivel de sustrato. En esta fase se obtiene el rédito energético de la vía.

Fases de la glucólisis (preparatoria y de beneficio) 1. Formación de glucosa-6-fosfato.  La utilización de glucosa exige su fosforilación en el carbono 6. Las reacciones necesarias para

obtener G-6-P son distintas si la “materia prima” utilizada por el tejido es glucosa o glucógeno.  A partir de glucosa la fosforilación es catalizada por hexoquinasas.  Gracias a la gran afinidad por el sustrato de las isozimas I a III, la utilización de glucosa en tejidos

extrahepáticos NO es afectada por las oscilaciones habituales de la glucemia.  En hígado, la isozima IV o glucoquinasa, de baja afinidad, solo actúa cuando los niveles de glucosa

son elevados.  La reacción es irreversible en las condiciones reinantes en la célula.

ARTI II  Cuando se parte de glucógeno, la degradación hasta glucosa-6-fosfato se cumple en dos etapas,

catalizadas sucesivamente por fosforilasa y fosfoglucomutasa.

A partir de G-6-P la vía glucolítica continúa con las siguientes reacciones: 2. Formación de fructosa-6-fosfato.  La

glucosa-6-fosfato es convertida en

fructosa-6-fosfato (F-6-P).  La

reacción, fácilmente reversible, es

catalizada por fosfoglucoisomerasa en ambos sentidos.  La fosfoglucoisomerasa requiere iones Mg2+

o Mn2+.

3. Fosforilación de fructosa-6-fosfato.  La fructosa-6-fosfato es fosforilada en el carbono 1 y se transforma en fructosa-1,6-bifosfato (F-1,6-

bisP).  Exige la transferencia de un grupo fosforilo cedido por ATP.  Catalizada por la fosfofructoquinasa, en presencia de iones Mg2+.

ARTI II

 El acoplamiento con la hidrólisis de ATP hace posible la síntesis del éster fosfórico en carbono 1.  La reacción, esencialmente irreversible, es muy importante en la regulación de esta vía metabólica.  Fosfofructoquinasa: Activada por AMP, ...