GluconeogénesisLa gluconeogénesis es una ruta metabólica anabólica mediante la cual se produce glucosa a partir de precursores no glucosídicos, tales como son el lactato, piruvato, glicerol o cualquiera de los intermediarios del ciclo de Krebs.Todos los aminoácidos, a excepción de la leucina y la lisina, pueden ser empleados como fuente de carbono para producir glucosa.

Los ácidos grasos de cadena par no pueden ser empleados para la síntesis de glucosa dado que el resultado de su ß-oxidación es acetil-CoA, un sustrato no gluconeogénico.Los ácidos grasos de cadena impar derivarán en esqueletos de carbono de acetil-CoA y succinil-CoA, donde este último es intermediario del ciclo de Krebs y, por lo tanto, gluconeogénico.

Esta ruta metabólica se presenta en plantas, animales, hongos, protistas y bacterias.En los animales, tiene lugar principalmente en el hígado o hepatopáncreas de invertebrados, y de modo menos extensivo en la corteza renal.El cerebro, los eritrocitos, la córnea, el riñón y los músculos requieren un aporte constante de energía. Cuando el organismo se encuentra bajo una actividad altamente demandante estos órganos obtienen la glucosa del glucógeno almacenado en el hígado (esta fuente alterna de energía puede durar entre 10 y 18 horas). Una vez que se agota esta fuente, se obtiene energía mediante la gluconeogénesis.

Ciclo de Cori

La gluconeogénesis puede considerarse una reacción inversa a la glucólisis, sin embargo, difiere en los puntos control donde es irreversible la reacción. Estas reacciones se conocen como de rodeo o bypass.Las reacciones de rodeo son las siguientes:

De piruvato a fosfoenolpiruvatoDe fructosa 1,6 bifosfato a fructosa 6-fosfatoDe glucosa-6-fosfato a glucosa

Entrada a la ruta

El lactato regresa al hígado donde es convertido en piruvato mediante la enzima lactato deshidrogenasa. Una vez que se genera el piruvato este puede funcionar como sustrato para la formación de glucosa.Los aminoácidos pueden entrar ya sea mediante transaminación o desaminación, o bien, mediante la incorporación al ciclo de los ácidos tricarboxílicos.La ruta puede llevarse a cabo tanto en la mitocondria como en el citoplasma, según donde se encuentren los sustratos.

Las reacciones de la gluconeogénesis

Primera reacción de rodeo. La ruta comienza con el piruvato o el oxalacetato a través de la carboxilación del piruvato. La reacción requiere de ATP y requiere de dos reacciones exergónicas.

a)Es catalizada por la piruvato carboxilasa y la PEP-carboxiquinasa.

b) La enzima se activa por altos niveles de acetil-CoA producidos durante la ß-oxidación e inhibida por altos niveles de ADP.

c)Se lleva a cabo entre la mitocondria y el citosol.

Existen dos rutas desde el piruvato hasta el PEP:

La conversión de alanina a piruvato ocurre dentro de la mitocondria por transaminación, donde se elimina el grupo α-amino y se adiciona a un α-cetoácido carboxílico.

Una piruvato carboxilasa convierte el piruvato en oxalacetato acoplada a coenzima biotina, que funciona como un transportador de HCO3

-

Piruvato + HCO3- Oxalacetato + ADP + Pi

Mecanismo de la piruvato carboxilasa

Activación del CO2

Unión del CO2 activado a la biotina.Paso del CO2 desde biotina al piruvato. El

brazo unido a biotinapermite el transporte del CO2 entre los dos centros activos del enzima.

La etapa de carboxilación de la biotina de la unión previa de acetil-CoA.

La presencia de acetil-CoA es un control fisiológico:Una carga energética alta dirige el oxalacetato a la producción de glucosa.Una carga energética baja dirige el oxalacetato al ciclo de los ácidos cítricos.

La piruvato carboxilasa es la primer enzima regulador en la ruta de la gluconeogénesis; el acetil-CoA es un efector positivo necesario para la enzima.

La reacción de la piruvato carboxilasa puede reponer intermediarios de otra ruta metabólica central, el ciclo del ácido cítrico.

La carencia de un transportador en la membrana mitocondrial para el oxalacetato se compensa con la presencia de una malato deshidrogenasa que, a expensas de NADH + H+, produce L-malato del oxalacetato.La variación de energía libre estándar de esta reacción es muy elevada pero, en condiciones fisiológicas, ΔG~0, por lo que la reacción es fácilmente reversible.La malato deshidrogenasa funciona tanto para la gluconeogénesis como para el CAT aunque ocurran en direcciones antagónicas.

Oxalacetato + NADH + H+ L-Malato + NAD+

El malato abandona la mitocondria dada la presencia de un transportador específico. En el citosol otra malato deshidrogenasa revierte la reacción produciendo NADH citosólico.

L-Malato + NAD+ Oxalacetato + NADH + H+

Finalmente, el oxalacetato es convertido a fosfoenolpiruvato por una PEP carboxiquinasa. Esta enzima está presente tanto en la mitocondria como en el citosol. La reacción es dependiente de Mg+2 y utiliza GTP como donador de un fosforilo.La reacción es reversible en condiciones intracelulares; la formación de un compuesto fosfato de alta energía (PEP) se compensa con la hidrólisis de otro (GTP).

Oxalacetato + GTP PEP + CO2 + GDP

Piruvato + ATP + GTP + HCO3- PEP + ADP + GDP + Pi

+ CO2

ΔG´0 = 0.9 kJ/mol

Segunda reacción de rodeo. La conversión de fructosa 1,6 bifosfato en fructosa 6-fosfato está catalizada por la enzima fructosa 1,6-bisfosfatasa (FBPasa-1), dependiente de Mg2+ que promueve la hidrólisis prácticamente irreversible del fosfato en C-1 (no transferencia de grupo fosforilo al ADP).

Fructosa 1,6-bifosfato + H2O Fructosa 6-fosfato+6Pi

ΔG´0 = - 16.3 kJ/mol

Tercera reacción de rodeo. La conversión de glucosa 6-fosfato en glucosa está catalizada por una glucosa 6-fosfatasa. Esta síntesis no produce ATP sino que genera la hidrólisis de un éster fosfato.

Glucosa 6-fosfato + H2O Glucosa + Pi

ΔG´0 = - 13.8 kJ/molEsta reacción se lleva a cabo en el lumen del retículo endoplásmico, donde al producirse es liberada al citosol mediante transportadores de glucosa. La glucosa 6-fosfatasa no se encuentra en tejidos cerebrales ni musculares, solamente en hepáticos y renales.

La glucosa-6-fosfato es transportada al lumen del retículo endoplásmico por una glucosa-6-fosfatasa unida a la membrana. Dentro del RE se acumulan glucosa y ácido fosfórico.

Asociadas a la glucosa 6-fosfato se encuentran una proteína estabilizadora dependiente de Ca+2 (SP), y tres transportadores: uno que introduce la glucosa 6-fosfato (T1) y dos que expulsan los productos, al fosfato inorgánico (T2) y a la glucosa (T3), hacia el citosol.

Costo de la Gluconeogénesis

La glucogenogénesis es muy cara energéticamen-te pero sumamente esencial.

2Piruvato + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H+ + 4H2O

Glucosa + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD+

Tanto la gluconeogénesis como la glucólisis son procesos celulares irreversibles.Algunos, o todos, los átomos de carbono de la mayoría de los aminoácidos procedentes de las proteínas se convierten en último término en piruvato o en intermediarios del ciclo del ácido cítrico.

Tales aminoácidos pueden, por tanto, experimentar una conversión neta en glucosa, por lo que se denominan aminoácidos glucogénicos.

La alanina y la glutamina, principales moléculas transportadoras de grupos amino desde los tejidos extrahepáticos al hígado, son aminoácidos glucogénicos muy importantes en los mamíferos.

Después de eliminar sus grupos amino en las mitocondrias hepáticas, los esqueletos carbonados restantes (piruvato y α-cetoglutarato, respectivamente) se canalizan rápidamente hacia la gluconeogénesis.

Los animales no pueden convertir acetil-CoA obtenido de la oxidación de ácidos grasos en glucosa; las plantas y los microorganismos sí pueden.

Las plantas, levaduras y muchas bacterias tienen una ruta (el ciclo del glioxilato) para convertir el acetil-CoA en oxalacetato, por lo que estos organismos pueden utilizar ácidos grasos como material de partida para la gluconeogénesis.

Esto es de importancia especial durante la germinación de las semillas, antes de que la fotosíntesis pueda servir como fuente de glucosa.

Regulación coordinada de la gluconeogénesis y la

glucólisisLas reacciones catalizadas por la PFK-1 y FBPasa-1 están reguladas alostéricamente y por modificación covalente (fosforilación).La glucólisis y la gluconeogénesis están reguladas recíprocamente para impedir que se produzca el funcionamiento despilfarrador de ambas rutas al mismo tiempo: cuando aumenta el flujo de glucosa a través de la glucólisis, el flujo de piruvato hacia glucosa disminuye y viceversa.

Existen diversos puntos control en esta rutaEn la ruta que conduce del piruvato a la glucosa el primer punto de control determina el destino del piruvato en la mitocondria. El piruvato se puede convertir en acetil-CoA (por el complejo piruvatodeshidrogenasa) para el impulsar el ciclo del ácido cítrico, o en oxalacetato (por la piruvato carboxilasa) para iniciar el proceso de la gluconeogénesis.•La gluconeogénesis está regulada a nivel de piruvato.

La gluconeogénesis está regulada a nivel de la FBPasa-1 (que es inhibida por la fructosa 2,6-bisfosfato y por el AMP). El correspondiente enzima glucolítico, PFK-1, es estimulado por el AMP y el ADP pero es inhibido por el citrato y el ATP, por lo que estos dos pasos opuestos en las dos vías están regulados de forma coordinada y recíproca.En general, cuando se encuentra presente suficiente concentración de acetil-CoA o citrato (el producto de la condensación del acetil-CoA con el oxalacetato) o cuando se favorece una elevada proporción del adenilato celular en forma de ATP, la gluconeogenésis está favorecida.El AMP promueve la degradación del glucógeno y la glucólisis al activar la glucógeno fosforilasa (vía activación de la fosforilasa quinasa) y estimular la actividad de la PFK-1.

La fructosa 2,6-bisfosfato es un regulador potente de la glucólisis y de la gluconeogénesis.Para limitar el ciclado inútil entre la glucólisis y la gluconeogénesis, las dos rutas están bajo control alostérico recíproco, el cual se consigue mayoritariamente por los efectos opuestos de la fructosa 2,6-bisfosfato sobre la PFK-1 y la FBPasa-1.Cuando descienden los niveles sanguíneos de glucosa la hormona glucagón indica al hígado que produzca y libere más glucosa y que deje de consumirla para sus propias necesidades.Una fuente de glucosa es el glucógeno almacenado en el hígado, otra fuente es la gluconeogénesis.

La regulación hormonal de la glucólisis y de la gluconeogénesis en el hígado está mediada por la fructosa 2,6-bisfosfato, un efector alostérico de los enizmas PFK-1 y FBPasa-1.

Cuando se fija la furctosa 2,6-bisfosfato a su sitio alostérico sobre la PFK-1, aumenta la afinidad de este enzima por su sustrato fructosa 6-fosfato y reduce su afinidad por los inhibidores alostéricos ATP y citrato.

La fructosa 2,6-bisfosfato activa la PFK-1, con lo que estimula la glucólisis hepática y al mismo tiempo inhibe la FBPasa-1, reduciendo de este modo la gluconeogénesis.

La fructosa 2,6-bisfosfato es un regulador cuyo nivel celular refleja el nivel de glucagón en la sangre, el cual aumenta cuando disminuye el nivel de glucosa sanguínea.

La concentración celular de fructosa 2,6-bisfosfato viene dictada por las velocidades relativas de formación y degradación.

El equilibrio de estas dos actividades en el hígado y, por consiguiente, el nivel celular de fructosa 2,6-bisfosfato, están regulados por el glucagón y la insulina. El glucagón estimula a la adenilato ciclasa del hígado para que sintetice AMP cíclico a partir de ATP.

A su vez, el AMP cíclico activa una proteína quinasa dependiente de AMPc, que transfiere un grupo fosfato desde el ATP al enzima bifuncional PFK-2/FBPasa-2.

La fosforilación de esta proteína potencia su actividad FBPasa-2 e inhibe la actividad de la PFK-2. De este modo, el glucagón disminuye el nivel celular de fructosa 2,6-bisfosfato inhibiendo la glucólisis y estimulando la gluconeogénesis.

La resultante producción de más glucosa permite que el hígado reponga los niveles de glucosa sanguínea en respuesta al glucagón.

La insulina tiene el efecto opuesto, ya que estimula la actividad de una fosfoproteína fosfatasa que cataliza la eliminación del grupo fosforilo de la proteína de dos funciones PFK-2/FBPasa-2, aumentando su actividad PFK-2, lo que incrementa la concentración de fructosa 2,6-bisfosfato, con lo que se estimula la glucólisis y se inhibe la gluconeogénesis.