TEMA 16 Gluconeogénesis PDF

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TEMA 16: GLUCONEOGÉNESIS

 En mamíferos algunos tejidos dependen casi por completo de la glucosa para la producción de energía metabólica, como por ejemplo el cerebro, los testículos, la médula renal o los eritrocitos. Por eso, cuando el suministro de glucosa no es suficiente (como periodos prolongados de ayuno) es necesaria la gluconeogénesis.  1. Ruta gluconeogénica  La gluconeogénesis es un proceso de múltiples pasos en el que la glucosa se produce del lactato, piruvato  u oxalacetato  , o de cualquier compuesto que se pueda convertir en uno de estos intermediarios como son los aminoácidos. Todos los aminoácidos pueden convertirse en piruvato en especial la alanina  , excepto la leucina  y la lisina  , ya que su ruta de síntesis producen solo acetil CoA.  En los mamíferos la gluconeogénesis tiene lugar en el hígado principalmente. La glucosa producida pasa por la sangre para abastecer otros tejidos. Después del ejercicio, el lactato producido por los músculos pasa al hígado, donde se convierte en glucosa. Esta pasa a la sangre y vuelve de nuevo al músculo en un circuito denominado el ciclo de Cori.  (añadir foto de los diferentes compuestos a partir de los cuales se realiza la glcn)  1.1. Ruta glucolítica/ Ruta gluconeogénica  La gluconeogénesis y la glucólisis no son rutas idénticas que transcurren en direcciones opuestas. Comparten varios pasos: 7 de las 10 reacciones de la gluconeogénesis son la inversa de la ruta glucolítica. No obstante, hay 3 reacciones de la glucólisis que son irreversibles y que no pueden utilizarse en la gluconeogénesis, que son:  Glucosa + ATP glucosa 6-fosfato + ADP ΔG=-33 kJ/mol  Fructosa 6-fosfato + ATP fructosa 1,6-bifosfato ΔG=-22 kJ/mol  Fosfoenolpiruvato + ADP piruvato + ATP ΔG=-17 kJ/mol   En gluconeogénesis:  Reacción 1 La primera reacción distinta de la glucólisis se lleva a cabo en dos etapas:  Piruvato + CO₂ + ATP + H₂O Oxalacetato + ADP + Pi (Piruvato carboxilasa) Oxalacetato + GTP fosfoenolpiruvato + GDP +CO₂ (Fosfoenolpiruvato carboxikinasa)

 Reacción 2 La siguiente reacción que difiere de la glucolisis:  Fructosa 1,6-bifosfato + H₂O fructosa 6-fosfato + Pi   La enzima que participa catalizando esta reacción es la fructosa 1,6 bifosatasa   Reacción 3  Glucosa 6-fosfato + H₂O Glucosa + Pi  La enzima responsable de este proceso es la G  lucosa 6-fosfatasa.   Estequiometría de la gluconeogénesis:   ΔG= -38 kJ/mol  2Piruvato + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 6H₂O Glucosa + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD  +2H   Estequiometría de la glucólisis inversa: ΔG= 84 kJ/mol  2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H₂O Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD + 2 H   (AÑADIR FOTO DE GLUCOLISIS Y GLUCONEOGÉNESIS) mejor mirar de las diapositivas  1.1.1 Conversión de piruvato en fosfoenolpiruvato (Reacción 1)  Como hemos dicho antes requiere dos reacciones exergónicas. La fosforilación del piruvato necesita la intervención de enzimas tanto mitocondriales como citosólicas.  1. En primer lugar se transporta el piruvato a la mitocondria o se genera allí mismo a partir de la alanina. 2. Intervención de la piruvato carboxilasa (enzima mitocondrial) que convierte el piruvato en oxalacetato. Esta enzima es el primer regulador de la ruta gluconeogénica y requiere acetil CoA, un activador alostérico indispensable. (FALTA LO DE LA CONCENTRACIÓN DE ACETATO) 3. Debido a que la membrana mitocondrial no tiene transportador de oxalacetato, debe de ser reducido a L-malato mediante la malato deshidrogenasa mitocondrial a expensas del NADH. 4. El malato abandona la mitocondria vía un transportador específico y en el citosol el malato se reoxida a oxalacetato con producción de NADH citosólico. 5. El oxalacetato se convierte en fosfoenolpiruvato (PEP) con la hidrólisis de un GTP. Esta reacción está catalizada por la fosfoenolpiruvato  carboxiquinasa que es dependiente de iones bivalentes como el (Mg²⁺, Mn²⁺)

 La reacción global es de ΔG= 0,8 KJ/mol 1.1.2 Conversión de glucosa 1,6-bifosfato en fructosa 6-fosfato  Esta reacción está catalizada por la fructosa 1,6-bifosfatasa dependiente de Mg²⁺, que promueve la hidrólisis prácticamente irreversible del fosfato del carbono 1: 

  ES EL PUNTO DE REGULACIÓN MÁS IMPORTANTE EN LA GLUCONEOGÉNESIS .    1.1.3 Conversión de glucosa 6-fosfato en glucosa  Reacción catalizada por la glucosa 6-fosfatasa, que se encuentra en la cara de la luz del retículo endoplasmático de los hepatocitos, células renales y epiteliales del intestino delgado. ¿Por  qué no tenemos glucosa 6-fosfatasa en otras células? Porque si estuviera hidrolizaría la glucosa 6-fosfato que es necesaria en estos tejidos para la glucólisis. 

 

  1.2 Sustratos de la gluconeogénesis  Los principales precursores de la glucosa que no son carbohidratos son el lactato, aminoácidos y glicerol:  ● Ácido láctico: se produce en músculos o en eritrocitos en condiciones de hipoxia. Este sale al torrente sanguíneo y va a parar al hígado. En este órgano se transforma a piruvato, que servirá para la síntesis de nuevas moléculas de glucosa.

●

●

Alanina: es un aminoácido gluconeogénico. Gracias a la actividad de las aminotransferasas, se convierte fácilmente en piruvato. Este proceso origina un ciclo parecido al de cori que se llama ciclo de la glucosa alanina.

 Glicerol: es un producto de la degradación de lípidos. El glicerol puede incorporarse bien a la ruta gluconeogénica o a la ruta glucolítica en forma de dihidroxiacetona fosfato.

⁺→ ●

 Propionato: El propionil-CoA se genera a partir de la degradación de algunos aminoácidos y de la ฀-oxidación de ácidos grasos de cadena impar. 

 El succinil-CoA es un intermediario del ciclo de krebs y nos va a dar oxalacetato.



 *La ingestión de alcohol inhibe la gluconeogénesis* El etanol es oxidado en el hígado por la alcohol deshidrogenasa: Etanol + NAD Acetaldehído + NADH Ese NADH producido desbalanza las siguientes reacciones: Piruvato + NADH Lactato + NAD  Oxalacetato + NADH Malato + NAD     1.3 Regulación de la gluconeogénesis  La gluconeogénesis y la glucólisis están coordinadas de manera que en el interior de una célula, una de las rutas permanece relativamente inactiva mientras la otra está muy activa. La premisa básica es que, cuando la glucosa se encuentra en abundancia, predomina la glucólisis. Cuando la glucosa escasea, se impone la gluconeogénesis.  Hay tres factores de regulación para discernir entre la glucólisis y la gluconeogénesis: 1. La disponibilidad de sustrato 2. Reacciones catalizadas por enzimas alostéricas 3. Regulación hormonal (insulina y glucagón)  1.3.1 Regulación Alostérica y disponibilidad de sustrato El primer punto de regulación importante en la gluconeogénesis es la interconversión entre fructosa 6-fosfato y fructosa 1,6-bifosfato. Consideramos primero una situación en la que se necesite energía. En este caso la concentración de AMP es alta. En esta situación, el AMP estimula la fosfofructokinasa e inhibe la fructosa 1,6-bifosfatasa. Por tanto se activa la glucólisis y se inhibe la gluconeogénesis. Por el contrario niveles altos de ATP y de citrato indica que la carga energética es alta. El ATP y el citrato inhiben la fosfofructokinasa, mientras que el citrato activa la fructosa 1,6-bifosfatasa. 

 

¿Por qué interviene el citrato en el esquema regulador? El citrato aporta información sobre el estatus del ciclo del ácido cítrico, la principal ruta para para la oxidación de combustibles en presencia de oxígeno. Niveles altos de citrato indican una situación de mucha energía y de precursores para la biosíntesis )sobre todo de ácidos grasos).  ------------------------------------------------------------------------------------------------  En el hígado la glucólisis y la gluconeogénesis están reguladas en el punto de interconversión entre fosfoenolpiruvato y piruvato . La enzima glucolítica piruvatoquinasa, se inhibe por los los efectores alostéricos ATP y alanina que son señales de que la carga energética es alta. Por el contrario, la piruvato carboxilasa y la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, se inhiben por ADP. La piruvato carboxilasa se activa por el acetil CoA que es una señal de que el ciclo del ácido cítrico está produciendo energía e intermediarios metabólicos. 

  1.3.2 Regulación hormonal El nivel de fructosa 2,6-bifosfato (F-2,6-BP) es alto en el estado saciado y bajo en condiciones de inanición.  ↑ fructosa-2,6-bifosfato ⇒ estimula la glucólisis e inhibe la gluconeogénesis.  ↓ fructosa-2,6-bifosfato ⇒ inhibe la glucólisis e inhibe la gluconeogénesis.  ¿Cómo se controla la concentración de F-2,6-BP para que aumente o disminuya según la concentración de glucosa en sangre? 2 enzimas regulan la concentración de esta molécula ● Fosfofructoquinasa 2 (PFK2): forma la fructosa 2,6 bifosfato a partir de la fructosa 6-fosfato. ● Fructosa bifosfatasa 2 (FBPasa2): forma la fructosa 6-fosfato mediante la hidrólisis de la fructosa 2,6-bifosfato.

ESTAS 2 ENZIMAS SE ENCUENTRAN EN UNA SOLA CADENA POLIPEPTÍDICA, ES DECIR ES UNA ENZIMA BIFUNCIONAL.  ¿Qué determina que en el hígado predomine la actividad PFK2 o la actividad de FBPasa2? Estas actividades están reguladas por la fosforilación de un único residuo de serina.  ↓ glucosa ⇒ aumento de GLUCAGÓN ⇒ cascada de AMPc ⇒ fosforilación de la enzima  Esta modificación covalente activa a la FBPasa2 e inhibe la PFK2,con lo que disminuye la cantidad de fructosa 2,6 bifosfato. PREDOMINA LA GLUCONEOGÉNESIS.  ↑ glucosa ⇒ aumento de INSULINA ⇒ eliminación del grupo fosforilo de la ezima  Esta modificación covalente activa la PFK2 e inhibe la FBPasa2. EL resultado es un incremento del nivel fructosa 2,6 bifosfato. ACELERA LA GLUCÓLISIS. (AÑADIR FOTO)  2. Metabolismo del glucógeno. Movilización y biosíntesis. Regulación.  2.1 ¿Qué es el glucógeno?  El glucógeno es un polímero de residuos de glucosa muy grande y ramificado. La mayoría de enlaces de glucosa están unidos por enlaces glucosídicos 𝛼-1,4, y las ramificaciones que se encuentran cada 10 residuos se crean por enlaces glucosídicos 𝛼-1,6. EL glucógeno no guarda tanta energía como los ácidos grasos, pero es más fácil de movilizar, por lo que es una buena fuente de energía para la actividad repentina.  2.2 Degradación del glucógeno. Glucogenolisis.  La descomposición eficiente de glucógeno para producir glucosa 6-fosfato para otros usos metabólicos requiere cuatro actividades enzimáticas: 2.2.1 Glucógeno fosforilasa La glucosa fosforilasa SOLO HIDROLIZA LOS ENLACES 𝛼-1,4. Como no puede romper los enlaces 𝛼-1,6, deja de romper los enlaces 𝛼-1,4 cuando llega a un residuo situado cuatro posiciones antes de un punto de ramificación. . Glucógeno (n-residuos) + Pi → glucosa 1-fosfato + glucógeno (n-1 residuos)  La fosforilasa cataliza la extracción secuencial de residuos de glucosa a partir de los extremos no reductores de la molécula (extremos con un OH libre en la molécula):

 La glucosa 1-fosfato liberada puede convertirse fácilmente en glucosa 6-fosfato gracias a la enzima fosfoglucomutasa. (Explicada más adelante)      2.2.2 Enzima desramificante  La enzima desramificante tiene actividad transferasa y glucosidasa. ( ES UNA ENZIMA O SON 2 EN UNA?) ● Transferasa: desplaza un bloque de tres residuos de glucosa de una rama externa a otra cadena, de forma que la glucosa fosforilasa pueda seguir actuando. (NO LO ENTIENDO!!!) no sería la glucosidasa?¿ ● Glucosidasa: Como ahora solo queda un residuo de glucosa en la ramificación puede actuar la 𝛼-1,6-glucosidasa hidrolizando el enlace glicosídico. Así se libera una molécula de glucosa. 

CON LA ACCIÓN DE LA FOSFORILASA Y LA ENZIMA DESRAMIFICANTE SE OBTIENE

GLUCOSA 1-FOSFATO Y GLUCOSA CON PROPORCIÓN 10:1.   2.2.3 Fosfoglucomutasa  Esta enzima es capaz de convertir la glucosa 1-fosfato en glucosa 6-fosfato (desplazamiento del grupo fosforilo). Este paso es indispensable para que pueda incorporarse a las principales rutas del metabolismo.  1. Para efectuar este desplazamiento, la enzima coge el grupo fosforilo del sustrato mediante una serina que se encuentra en su centro activo. 2. A continuación el grupo fosforilo se transfiere desde la serina a la al grupo hidroxilo del carbono 6 de la glucosa 1 fosfato para formar la glucosa 1,6- bifosfato. 3. Más tarde, se transfiere el grupo fosforilo del carbono 1 a ese mismo residuo de serina, dando lugar a la glucosa 6-fosfato y a la regeneración de la fosfoenzima.         

La glucosa 6-fosfato la consume el músculo o la glucosa 6-fosfatasa la convierte en glucosa en el hígado.  2.3 Biosíntesis del glucógeno.  La síntesis de glucógeno precisa tres actividades enzimáticas y la presencia de sustrato (glucosa 1-fosfato). El glucógeno se sintetiza por medio de una ruta que utiliza uridina difosfato glucosa (UDP-glucosa).  Glucógeno฀ + UDP-glucosa → glucógeno฀₊₁ + UDP  2.3.1 Síntesis de UPD-glucosa  La UDP-glucosa, es el donador de glucosa en la biosíntesis de glucógeno. Es una forma activada de la glucosa al igual que el acetil-CoA es una forma activada del acetato. LA UDP-glucosa se sintetiza a partir de la glucosa 1-fosfato y del nucleótido uridina fosfato (UTP), mediante una reacción catalizada por la UDP-glucosa pirofosforilasa:  Glucosa 1-fosfato + UTP UDP-glucosa +PPi PPi + H₂O  2Pi

____________________________________________  Glucosa 1-fosfato + UTP + H₂O UDP-glucosa + 2Pi  La primera reacción es fácilmente irreversible pero gracias a que el pirofosfato se hidroliza rápidamente, impulsa a la síntesis de UDP-glucosa.  2.3.2 Transferencia de glucosa por la glucógeno sintasa  Las nuevas unidades de glucosa se adhieren al extremo no reductor del glucógeno. La unidad de UDP-glucosa activada se transfiere al grupo hidroxilo del C-4 de un residuo de glucógeno para formar un enlace glucosídico 𝛼-1,4.

 Esta reacción está catalizada por la glucógeno sintasa. Esta enzima no puede actuar a menos que la cadena de glucógeno a la que adhiere la glucosa tenga como mínimo cuatro unidades de glucosa. Por tanto la síntesis de glucógeno necesita un cebador. La función de cebador la realiza la glucogenina. Cada subunidad de de glucogenina cataliza la adición de ocho unidades de glucosa a la otra subunidad.

 2.3.3 Enzima ramificante  Para formar los enlaces 𝛼-1,6, es necesaria la actuación de otra enzima. La ramificación tiene lugar después de que la glucógeno sintasa haya unido un par de residuos. Mediante la ruptura de un enlace 𝛼-1,4 y la formación de un enlace 𝛼-1,6 se forma una ramificación. Un

bloque de residuos, normalmente de siete, se escinde y se transfiere a una parte más interna de la cadena de glucógeno. La enzima ramificante que cataliza esta reacción es muy específica, así que cada nuevo punto de ramificación tiene que estar como mínimo a una distancia de cuatro residuos del siguiente. 

     2.4 Regulación recíproca de la síntesis y degradación del glucógeno.  Las mismas cascadas de AMPc puestas en marcha por el glucagón y la adrenalina (señal de hambre y de estrés) que activan la descomposición de glucógeno en el hígado, también desactivan la formación de glucógeno.  1. El glucagón y la adrenalina controlan la síntesis y la degradación del glucógeno por medio de una protein kinasa A. 2. Esta proteína añade un grupo fosforilo a la fosforilasa quinasa activándola e iniciando la descomposición de glucógeno. 3. Al mismo tiempo la glucógeno sintasa kinasa y la protein kinasa A añaden un grupo fosforilo a la glucógeno sintasa, interrumpiendo la síntesis del glucógeno. (POR QUÉ NECESITA DOS ENZIMAS PARA FOSFORILARSE?)  DURANTE EL EJERCICIO O EN AYUNO:

  Sin embargo cuando es necesario sintetizar glucógeno hay que desactivar las proteínas fosforiladas que estimulan su degradación. Esta función la realiza la proteína fosfatasa 1 (PP1).  1. Desactiva la fosforilasa quinasa (reduce la velocidad de degradación de glucógeno) 2. Desactiva la fosforilasa a (reduce la velocidad de degradación de glucógeno) 3. Activa la glucógeno sintasa  TRAS UNA COMIDA O EN REPOSO

 Regulación por fosforilación de PP1  La PP1 se encuentra unida a una proteína reguladora, y la fosforilación de esta regulará la actuación de la PP1.  La PP1 tiene que disminuir cuando hay que descomponer glucógeno. En estos casos, el glucagón o la adrenalina activan a la protein kinasa A. Esta proteína reduce la actividad de la PP1 mediante dos mecanismos: ● En el músculo se fosforila la proteína reguladora de maner que la PP1 ya no se puede unir. (Porque cambia la conformación de la proteína) ● Además la protein kinasa A activa a los inhibidores de la PP1 fosforilándolos.        Adrenalina →     Cuando los niveles de glucosa en sangre son elevados, la insulina estimula la formación de glucógeno.

1. Lo hace activando los receptores de tirosin quinasa de la membrana plasmática, de manera que fosforila los sustratos del receptor de la insulina. 2. Estas proteínas fosforiladas activan proteínas kinasas dependientes de insulina que fosforilan a la proteína reguladora (en un sitio distinto al proceso anterior). Esto provoca que la PP1 sea más afín a la proteína reguladora y que se active. 

  ...