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Tema 12: Metabolismo de los azúcares....

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Tema 12: Metabolismo de Carbohidratos La principal ruta a la hora de degradar azúcares es la glucólisis tanto en presencia de oxígeno (aerobiosis) como en ausencia de oxígeno (anaerobiosis) 

Catabolismo Anaerobio de los Azúcares: Los seres humanos somos seres aeróbicos, necesitamos oxígeno, sin embargo, en ciertos tejidos como los músculos, bajo un ejercicio intenso, funcionan en anaerobiosis, ausencia de oxígeno. - Es el proceso de degradación de los azúcares en condiciones anaerobias (de ausencia de oxígeno). - La glucólisis es la principal ruta de degradación de los azúcares, principalmente de hexosas, tanto en condiciones anaeróbicas como aeróbicas. - El producto final de la glucólisis es el piruvato y tendrá dos posibles funciones dependiendo de si la ruta se lleva a cabo en presencia (aerobiosis) o ausencia (anaerobiosis) de oxígeno. En ausencia de oxígeno, se llevan a cabo fermentaciones, y en presencia de oxígeno el proceso que incluye el ciclo de Krebs, la cadena de transporte electrónico… - La glucólisis es una ruta prácticamente universal, la única diferencia es la regulación de las enzimas en diferentes organismos. Es una ruta esencial. - Es una ruta central muy transitada que conecta con otras rutas menos transitadas.

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La Glucólisis: - La glucólisis tiene lugar en el citosol, sus enzimas se ubican en el citosol. El sustrato principal es la glucosa, sin embargo, no es el único, también pueden funcionar como sustrato la manosa, la fructosa… - La glucólisis está constituida por 10 reacciones, en las cuales una molécula de glucosa se transforma en 2 moléculas de piruvato y se generan 2 moléculas de ATP. Esta es una degradación oxidativa, porque es un proceso exergónico, espontáneo, y libera energía almacenada en forma de ATP. La molécula de glucosa está mas reducida que las moléculas de piruvato, por lo que se produce una oxidación. - La ruta puede dividirse en 2 fases, en la primera es una fase de inversión (5 primeras reacciones) en las que yo invierto 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. En la fase de generación, obtengo 4 moléculas de ATP y 2 de NADH por cada molécula de glucosa previamente invertida. El NADH es el Dinucleótido de Nicotinamida y Adenina, cuya función es permitir las reacciones redox, este se oxida y pasa a ser NAD +. Por cada molécula de glucosa, 2 de NADH se oxidan a NAD+.

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Reacciones de la ruta de la Glucólisis: Los objetivos de la ruta son - La degradación de glucosa en piruvato. Pasamos de una molécula de 6 átomos de carbono a dos moléculas de 3 átomos de carbono. - Las 2 moléculas de piruvato sean iguales - Oxidar el carbono para poder generar energía. Esta es la esencia de la ruta. - La ruta tiene que ser eficiente. Las 5 primeras rutas cumplen el 1, 2 y 4 objetivo, y las 5 últimas reacciones cumplen el 3 objetivo. Fase de inversión de energía (5 primeras reacciones) - Tenemos 2 fosforilaciones (eficiencia) - 2 Isomerizaciones - 1 reacción de corte (degradación) 1) Primera reacción catalizada por la hexoquinasa, es una fosforilación. Desde el ATP transferimos el fosfato gamma hacia el carbono 6 de la glucosa. Rompemos un enlace fosfoanhídrido para formar un enlace fosfoéster. Pasamos de Glucosa a Glucosa-6-fosfato (fosforilación). - Por cada molécula de glucosa invertimos 2 ATP, en esta reacción invertimos uno de los dos. - Es una reacción irreversible, alejada del equilibrio. Tiene una variación de la energía libre de Gibbs negativa. - Se controla la actividad de la enzima por medio de ligandos, por control a nivel de sustrato. - Utiliza el ion Mg+2 para acomodar el ATP, en el bolsillo catalítico. - Permite fosforilar la fructosa y la manosa, pero tiene mayor afinidad por la glucosa. La glucosa es hidrofílica, y, cuanta más carga tiene, más hidrofílica es. Las sustancias hidrofílicas no atraviesan por difusión la membrana lipídica, y necesitan transportadores. A la célula, le llega una molécula de glucosa, y lo primero que hace es fosforilarla para que no difunda más. La finalidad de esta reacción es meter carga e impedir la difusión de la misma 2) Segunda reacción catalizada por la fosfoglucoisomerasa, es una isomerización. Transforma la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato. Estos son tautómeros, por lo que es una reacción de tautomerización. - Es una reacción que ocurre próxima al equilibrio, reversible y compartida con la ruta inversa. La variación de la energía libre es positiva. Y funcionan por ley de acción de masas. - Las dos moléculas formadas tienen que estar fosforiladas, de tal manera que no puedan salir del citoplasma y permanezcan dentro de la célula. La finalidad de esta reacción es cortar la molécula de fructosa-6-fosfato en 2.

3) Tercera reacción catalizada por la enzima fosfofructoquinasa I, es una fosforilación. - Fructosa-6-fosfato + ATP = Fructosa-1,6-bisfosfato. - Utilizamos el 2º ATP para fosforilar el carbono 1 de la fructosa-6-fosfato, dando lugar a la fructosa-1,6-bisfosfato. - Esta reacción se lleva a cabo para introducir carga en la molécula e impedir la libre difusión de los metabolitos intermedios, al mismo tiempo que dotamos de reactividad a la molécula. - Es una reacción alejada del equilibrio, irreversible y con una variación de la energía libre negativa (-14.2 KJ/mol). - Utiliza el ion Mg+2 para acomodar el ATP en el bolsillo catalítico. - La actividad de la enzima está regulada por ligando, es decir alosterismo. 4) Cuarta reacción catalizada por la enzima fructosa-1,6-bisfosfato aldolasa o aldolasa, es una reacción de corte. - Se lleva a cabo un corte entre los carbonos 3 y 4 de la fructosa-1,6bisfosfato, dando lugar a 2 moléculas con 3 átomos de carbono cada una de ellas. Para llevar a cabo el corte, la enzima trabajo con dos aminoácidos, una lisina y un aspártico, que trabajan entre los carbonos 2, 3 y 4 de la fructosa1,6-bisfosfato. - Es una enzima que actúa próxima al equilibrio, por tanto, una reacción reversible, no regulada y compartida con la ruta inversa, es decir, con la gluconeogénesis. Tiene una variación de la energía libre positiva (+23.9 KJ/mol) 5) Quinta reacción catalizada por la enzima triosa fosfato isomerasa, es una isomerización. - La dihidroxiacetona fosfato es tautomerizada a gliceraldehído-3-fosfato, cumpliéndose así el 2º objetivo de la glucólisis, que las dos moléculas de piruvato sean iguales. - Es una reacción próxima al equilibrio, reversible, no regulada, compartida con la ruta inversa y con una variación de la energía libre positiva (+7.6 KJ/mol). Fase de generación (5 últimas reacciones) 6) Sexta reacción (oxidación) catalizada por la enzima Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa, (las deshidrogenasas siempre catalizan reacciones redox) se comienza a oxidar el carbono para cumplir el objetivo de la obtención del ATP. Tengo dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato que se van a oxidar a 1,3bisfosfoglicerato. Esta oxidación tiene lugar en el carbono 1 de las moléculas. Pasamos de un carbono (carbonílico) aldehído a un éster fosfato. El carbono carboxílico esta mas oxidado que el carbono carbonílico. El prefijo ``Bis´´ se diferencia del ``Di´´ en que en el ``Di´´, la unión es contigua entre los dos

grupos funcionales. Sin embrago, en el ``Bis´´ los grupos están unidos de otra forma no contigua. El hecho de que estoy oxidando el carbono 1, queda evidenciado porque 2 de NAD+ se reducen a 2 de NADH (2 de Gliceraldehído-3-fosfato se oxidan a 2 de 1,3-Bisfosfoglicerato). El fosfato es un fosfato libre PO43- . Es una reacción próxima al equilibrio, no está regulada y comparte la reacción con la ruta inversa (misma enzima) y la delta de G es positiva. El grupo éster fosfato de arriba, al contrario del de abajo (en el 1,3-Bisfosfoglicerato), está representado con la onda sinusoidal porque tenemos un enlace de alta energía, es decir, cuando este se rompe, libera 30 KJ/mol o más, se pierde estabilidad si lo comparo con el carboxilo. Esta enzima funciona dependiendo de la cisteína presente en su bolsillo catalítico. (Apuntes del funcionamiento de la enzima) La enzima funciona próxima al equilibrio. 7) Séptima reacción catalizada por la enzima fosfoglicerato quinasa. El producto de la anterior reacción reacciona con el, un compuesto de alta energía, el 1,3bisfosfoglicerato. A partir de ese compuesto de alta energía, fabrico ATP. Fosforilación a nivel de sustrato es una de las formas de sintetizar ATP En la fosforilación a nivel de sustrato, se lleva a cabo la ruptura de un éster fosfato con la consiguiente formación de un enlace fosfoanhídrido, y, por tanto, la formación de ATP y del 3-bisfosfoglicerato. (Apuntes funcionamiento séptima reacción) Multiplico TODO por 2, porque parto de una glucosa, por lo que obtengo 2 ATP, por tanto, ahora mismo obtengo el balance energético empleado inicialmente. Es una reacción próxima al equilibrio 8) Octava reacción catalizada por la enzima fosfoglicerato mutasa. Se lleva a cabo una isomerización del grupo fosfato, del carbono 3 al 2. Pasamos del 3fosfoglicerato al 2-fosfoglicerato. Es una reacción próxima al equilibrio, reversible, compartida con la ruta inversa, no regulada y con una delta estándar fisiológica positiva (+4,4 KJ/mol). 9) Novena reacción catalizada por la enzima enolasa. Se lleva a cabo una deshidratación del 2-fosfoglicerato, obteniéndose así un alqueno, el fosfoenolpiruvato. Sin embargo, el grupo fosfato, no permite a la molécula tautomerizar, ni al oxígeno resonar, por lo que tenemos que deshacernos de ese grupo fosfato mediante la ruptura del enlace de alta energía. Es una reacción próxima al equilibrio, reversible, compartida con la ruta inversa y con una delta estándar fisiológica positiva (+1,7 KJ/mol).

10) Décima reacción catalizada por la enzima piruvato quinasa. El fosfoenlopiruvato transfiere su grupo fosfato al ADP, obteniéndose así ATP (2). Tras transferir el grupo fosfato, el enolpiruvato tautomeriza a piruvato. Fosfoenolpiruvato + H+ + ADP  (Enolpiruvato) Piruvato + ATP. Es una reacción alejada del equilibrio, irreversible, no compartida con la ruta inversa y con una delta estándar fisiológica negativa (-31,4 KJ/mol). El destino del piruvato tras ser formado, es lo único que puede variar, lo que no varía en la glucólisis son las 10 reacciones de la ruta. El NAD+ es el cosustrato/cofactor orgánico de la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, un cosustrato es un cofactor, la enzima por sí sola no puede llevar a cabo la catálisis. Las enzimas que catalizan reacciones redox necesitan cofactor. Los aminoácidos funcionan bien en reacciones redox, excepto la cisteína. Igual que una enzima que en un proceso de catálisis no se puede consumir, lo mismo sucede con los cofactores. Ambos se pueden ver temporalmente modificados. En esta reducción de NAD+ a NADH resulta esencial la presencia o ausencia de oxígeno en la cadena respiratoria. Con oxigeno, la cadena respiratoria, funciona como aceptor último de electrones, busca reoxidar moléculas como el NADH a NAD+, y, por ultimo, generar ATP. En ausencia de oxígeno (ausencia de cadena respiratoria), se lleva a cabo fermentación, que es que el NADH se reoxide a NAD+ cediendo los electrones al sustrato, este sustrato es el piruvato. Tenemos dos tipos de fermentaciones, la láctica y la alcohólica. Las fermentaciones son procesos que tienen lugar en el citosol. Tenemos varios tipos de fermentaciones, láctica, alcohólica, butírica… Fermentación Alcohólica: El sustrato de partida es el piruvato con los electrones devueltos de nuevo. Se llevan a cabo dos reacciones, la primera catalizada por la enzima piruvato descarboxilasa, el grupo carboxílico se desprende del piruvato en forma de CO2 (descarboxilación) siempre que este esté a una determinada distancia el carboxilo se puede desprender del CO2 con mucha facilidad. Esta distancia puede ser contigua (la cetona y el carboxilo), estos son alfa-cetoácidos. El grupo ceto- está en el carbono alfa con respecto al carboxílico. Es una reacción irreversible, equilibrio desplazado hacia la formación de productos. El producto de esta reacción es el acetaldehído. El segundo paso catalizado por la enzima alcohol deshidrogenasa, se ceden los electrones desde el NADH para que el acetaldehído se reduzca a etanol, y, por tanto, el NADH se reoxida a NAD+. Se utiliza para la fabricación del pan o la cerveza, característica de levaduras como S. Cerevisiae.

Fermentación Láctica: Es la fermentación llevada a cabo por bacterias (Lactobacillus) o nuestro cuerpo en el músculo cuando el ejercicio se lleva a cabo en ausencia de oxígeno. Es una

fermentación de un solo paso catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa, se lleva a cabo un paso directo de los electrones del NADH hacia el piruvato para reducir el grupo alfa-ceto del piruvato a alcohol, el NADH se reoxida a NAD+. La nicotinamida es la base nitrogenada del NAD+ donde se produce la reacción redox. Balances Energéticos: - El balance de la glucólisis es que por cada molécula de glucosa genero 2 ATP, 2 NADH y 2 piruvato. Si le sumamos el balance de las fermentaciones, no generamos más energía, pero me permite que la glucólisis siga en marcha. - En la fermentación alcohólica por cada piruvato he generado 1 NAD+, 1 CO2 y 1 de etanol. Con 2 de piruvato, genero 2 NAD+, 2 CO2 y 2 de etanol. Por tanto, una glucosa que hace glucólisis más fermentación, genero 2 CO2, 2 de etanol y 2 ATP. Los ATPs son el rendimiento energético. -

En la fermentación láctica, tengo que 2 de piruvato generan 2 de NAD+ y 2 de lactato. En la glucólisis y la fermentación láctica, una de glucosa genera 2 de lactato y 2 ATP.

En presencia de oxígeno, que se lleva a cabo glucólisis y ciclo de Krebs puedo obtener hasta 30 ATP, a diferencia de la fermentación que yo obtengo solo 2 ATP. En condiciones de oxigenación todas esas moléculas de NADH ceden los electrones a la cadena respiratoria, por lo que el piruvato sigue oxidándose y generando energía. En la fermentación el piruvato es el aceptor último de electrones en presencia de oxígeno el aceptor último de electrones es el O2. Regulación de la glucólisis: La glucólisis se tiene que regular, para que no esté siempre activa de la misma manera. Con respecto al control por ligandos, son los pasos irreversibles los que controlan. Regulación de la hexoquinasa, se regula por control a nivel de sustrato, la glucosa (sustrato) activa la enzima y la glucosa-6-fosfato (producto) inhibe la enzima. Regulación de la fosfofructoquinasa, se

Regulación por ligandos Los pasos irreversibles son los que se controlan por ligandos, por control a nivel de sustrato, cuanto más sustrato más velocidad de reacción. El paso de la fosfofructoquinasa I es el paso más sensible, es el punto de control esencial de la ruta regulado alostéricamente.

El efecto Pasteur, yo tengo un cultivo de sacharomices, que funcionan con un catabolismo anaeróbico, y paso de un catabolismo anaerobio a aerobio, Los activadores de la fosfofructoquinasa I son el AMP, ADP y la fructosa-2,6-bisfosfato. Si los niveles de AMP y ADP son altos, los niveles de ATP son bajos, porque lo habré consumido. Como estos son indicadores de una baja carga energética activan la glucólisis activando a la fosfofructoquinasa I. Estos también inhiben la gluconeogénesis, sobre todo la fructosa-2,6-bisfofato, y es el regulador más importante, porque es muy sensible a la regulación de esta enzima.

La manosa se puede utilizar como combustible metabólico, para generar ATP. cUANDO A UNA CELULA LLEGA UNA MANOSA, LO PRIMERO QUE SE HACE ES FOSFORILAR, LA HEXOQUINASA es la encargada de hacerlo debido a que es capaz de fosforilar glucosa, fructosa, glucosa… La reacción sería Manosa + ATP dando lugar a Manosa-6-fosfato. La enzima fosfo manosa isomerasa tautomeriza la manosa-6-fosfato a fructos-6fosfato. Pasamos de una aldohexosa a una cetohexosa, reacción parecida a la llevada a cabo por la fosfoglucoisomerasa. Ambas funcionan de manera muy similar, tiene en su bolsillo catalítico una histidina y un glutámico que permite llevar a cabo esta reacción. Una vez tautomerizada, ya se lleva a cabo el resto de la glucólisis. Polisacáridos: En los seres humanos, los polisacáridos no se pueden aprovechar, sin embargo, el almidón y el glucógeno si se pueden aprovechar. El almidón es un polisacárido de origen vegetal, el glucógeno de origen animal. - El almidón esta constituido por amilosa (enlaces o-glucosídicos alfa 1-4, no ramificado) y por amilopectina (enlaces o-glucosídicos alfa 1-4 y alfa 1-6, ramificado cada 10 o 20 residuos de glucosa) - El glucógeno está formado por glucosas unidos mediante enlaces oglucosídicos alfa 1-4 con ramificaciones alfa 1-6, cada 8-10 residuos. Ambos se obtienen a través de la dieta o de reservas intracelulares. La digestión de estos se lleva a cabo mediante dos mecanismos: - La hidrólisis, rompo enlaces o-glucosídicos por medio de agua. - La fosforólisis, rompo enlaces o-glucosídicos mediante los fosfatos. La degradación de los polisacáridos ingeridos en la dieta se lleva cabo mediante hidrólisis porque los azúcares tienen que atravesar varias capas, el alimento atraviesa la membrana plasmática dos veces, luego atraviesa la matriz extracelular para llegar al vaso sanguíneo, como son moléculas hidrofílicas y

hay que atravesar membranas, tengo que emplear moléculas sin carga que sigan siendo hidrofílicas, por eso utilizo la hidrólisis El cerebro es un órgano que necesita constantemente azúcar, y en el momento en el que se queda sin ello, envía una señal al hígado para que degrade el glucógeno. El músculo almacena glucógeno y lo utiliza para su propia glucólisis, sin embargo, el hígado almacena glucógeno para cederlo en determinadas situaciones. Digestión de polisacáridos en la saliva comienza la digestión, que secreta una enzima llamada alfa-amilasa, que hidroliza los enlaces o-glucosídicos alfa 1-4 tanto del almidón como del glucógeno y atacando desde los extremos no reductores del polisacárido. El extremo aldehído (derecha) se puede oxidar a carboxílico, tiene poder reductor, sin embargo, el alcohol de la izquierda no tiene poder reductor. En un polisacárido ramificado, tendré un extremo reductor y varios extremos no reductores, es por eso, que nosotros no podemos tener polisacáridos lineales, si solo tengo un extremo no reductor solo puedo atacar en un extremo no reductor, sin embargo, si tengo varios extremos no reductores, puedo atacar varios lugares al mismo tiempo, y, por tanto generar más energía para esas situaciones de peligro. Cuanto más ramificado más se puede degradar, y, por tanto, obtener mas energía. La alfa amilasa, va hidrolizando y liberando glucosas, siempre ataca por el extremo no reductor, pero le da igual por donde cortar. La hidrólisis química del estómago le da igual hidrolizar alfa 1-4 que alfa 1-6. En el intestino tenemos tres enzimas, la alfa amilasa pancreática, sintetizada en el páncreas cuya función es la misma que la de la saliva rompe enlaces alfa 14, la maltasa rompe enlaces de maltosa 1-4, y si nos quedan enlaces alfa 1-6 tenemos la isomaltasa. En el caso de reservas intracelulares se lleva a cabo una fosforólisis, la enzima encargada es la glucógeno fosforilasa que ataca los extremos no reductores rompiendo los enlaces alfa 1-4 por fosforólisis, ataca siempre el último enlace no glucosídico, sin embargo, libera glucosa-1-fosfato y no puede romper enlaces alfa 1-6 tarea que lleva a cabo la enzima alfa 1-4 alfa 1-4 glucantransferasa (por hidrólisis). Esta enzima lleva a cabo tres cosas: 1) Hidroliza el enlace glucosidico alfa 1-4 presente entre la primera glucosa y la segunda glucosa desde la ramificación, liberando 3 glucosas. 2) Las transfiere al extremo no reductor más cercano formando un enlace alfa 1-4. 3) Hidroliza el enlace alfa 1-6 En ese momento tenemos dos extremos no reductores y uno reductor, las 7 glucosas son liberadas mediante la gluc Se libera mayoritariamente la glucosa-1-fosfato. Esta yo no quiero enviarla fuera, por lo que no tengo que quitarle el grupo fosfato. Para poder meterla en la ruta, tenemos que cambiarle la posición del fosfato. La fosfoglucomutasa, que actúa próxima al equilibrio, isomeriza la posición del fosfato, pasando de

glucosa-1-fosfato a glucosa-6-fosfato, introduciendo la molécula en la ruta (glucólisis). Las glucosas liberadas por la alfa 1-4 al...