METABOLISMO

Metabolismo de Glúcidos

POLÍMEROS

Proteínas

Ács. Nucleicos

Polisacáridos

Lípidos

MONÓMEROS

Aminoácidos

Nucleótidos

Azúcares

ÁcidosGrasos y Glicerol

INTERMEDIARIOS

METABÓLICOS

Piruvato

Acetil-CoA

Intermediarios de Krebs

Moléculas

pequeñas

sencillas

H2O, CO2,

NH3

EnergíaEnergía

Incorporación

Neta

Producción

Neta

CATABOLISMO ANABOLISMO

Nivel

1

2

3

• Rutas catabólicas y anabólicas no

son idénticas

– Razones energéticas

– Razones de regulación

• Es necesario controlar los flujos en

función de las necesidades del

organismo

• Catabolismo y anabolismo

transcurren simultáneamente

regulados independientemente

– A veces localización en diferentes

partes de la célula

• Se facilita la regulación

Catabolismo y Anabolismo

• Principales rutas del

metabolismo de los hidratos de

carbono

• Glicolisis

– Fases I y II de la glicolisis

– Incorporación de otros

azúcares a la glicolisis

– Regulación

• Destinos del piruvato

– Fermentaciones

– Descarboxilación oxidativa

• Rendimiento de la oxidación

aerobia de la glucosa

• Lanzaderas del NADH

• Gluconeogénesis

– Glicolisis vs

gluconeogénesis

– Etapas diferenciales de la

gluconeogénesis

– Regulación

glicolisis/gluconeogénesis

– Ciclo de Cori

• Metabolismo del glucógeno

y su regulación

• Efectos del glucagón y de

la insulina sobre el

metabolismo de los

hidratos de carbono

• Ruta de los fosfatos de

pentosa

Metabolismo de Hidratos de Carbono

1º Etapa: Degradación de macromoléculas grandes a subunidades simples (exocelular)

2º Etapa: Clivaje de subunidades simples a acetil-CoA, acompañado por la producción de cantidades limitadas de ATP y NADH (citoplasmática, excepto el último paso)

3º Etapa: Oxidación completa de acetil CoA a H2O y CO2, acompañada por la producción de grandes cantidades de NADH y ATP (mitocondrial)

Enzimas Digestivas

Poli. -AMI 1-4 de polisac.

Oligo . Glucosidasas AMI Pancr h. 1-2 restos de ramif

Disac. Oligosac.: Maltotriosa, Maltosa,

Dextrinas, Glc.

Oligosacaridasas (rib. en cepillo), pH 6.0,

Exo 1-4- -D-Glucosidasa (C4 no reductor)

*Dextrinasa, Isomaltasa, Oligo 1-6-glucosidasa 1-

6 y 1-4

*Sacarasa o β-Fructofuranosidasa ( 1-2 y 1-6)

Lactasa o β-Galactosidasa

Trehalasa 1-1 (insectos – hongos)

HC no digeribles en monogástricos: Celulosa, inulina, agar, heteropolisacáridos

vegetales (fibra)

Lactosa (en algunos adultos H° = orientales y negros americanos)

Absorción de monosacáridos

Ribete en cepillo y

Membrana contraluminal

/ capilares

• D-Glc = 100%

• D-Gal = 110 %

• D-Fru = 43 %

• D-Man = 19 %

• D-Xil = 15 %

• D-Arab = 9 %

Glucostato hepático

Captación de Glc por las célulasHay transportadores de membrana p/ D-Hexosas (glicoprots. de membrana de 43000-

55000 Daltons de PM. ) específicos y saturables

5 especies:

Glut 1 – KM = 5-30 mM p/Glc (cerebro, muchos tejidos como placenta y enterocitos)

Glut 2 - KM = 60 mM (Híg, β-Pancr, riñón, membrana basolateral intestinal)Glut 3

Glut 4 - KM = 2-5 mM p/Glc (tej. Adiposo blco y pardo, corazón y músculo esquelético)

– Es estimulado por insulina, q’en 1-2’ incrementa su n° en la superf. Celular

(translocación de transportadores de Glc Glut 4 desde un locus intracelular a la

membrana plasmática)Glut 5

Hígado

Fosforilación

intracelular

de la glucosa

(anclaje)

Hexoquinasas (ATP-Mg++)

I Dímeros, PM 100.000

II KM 40-170 uM

III D-Glc, D-Fru, D-Man, D-Glcmina

IV Monomérica, PM58000

Híg - D-Glc

KM 5-12 mM

Destino de la glucosa dentro de las

células procariotas y eucariotas.

• Vocabulario

Ej. GLUT, hexoquinasas, glucólisis, gluconeogénesis, glucogenogénesis,

glucogenolisis, etc.

Principales Rutas del Metabolismo de los Hidratos de Carbono

Via de oxidación de la glucosa

se localiza en el citoplasma

Ruta de Embden-Meyerhof-Parnas

Glicolisis

GlicolisisNAD+ NADH

Glucosa PiruvatoC6 C3

ADP ATP

Fermentación

Piruvato

(C3)

NADH NAD+

Alcoholes de cadenas

cortas, ácidos grasos(C2-C4)

Respiración Anaeróbica = Glicolisis + Fermentación

NAD+ NADH

NADH NAD+ATP

Anaerobiosis

• El oxígeno no es el aceptor final sino otra

molécula que se reduce:

Levaduras usan acetaldehido -> etanol

Músculo usa piruvato -> lactato

Estos productos son sustancias orgánicas y

el proceso se denomina fermentación (ej.

Microorganismos ruminales) y hay gran

pérdida de energía.

Desc. del Pir y Ciclo de Krebs

(intermediarios de C4-C6)

Cadena Respiratoria y

Fosforilación OxidativaNADH NAD

O2 H2O

ADP ATP

Pyruvate 3CO2

(C3)

NAD NADH

(C1)

Respiración Aeróbica = Glicolisis + Descarboxilación Oxidativa

del Piruvato + Krebs

CADENA RESPIRAT

ACOPLAMIENTO

FOSFORIL.OXIDAT.

NADH

FADH2

NAD+

FAD ATP

Animales, plantas y muchos microorganismos

en condiciones aeróbicas

Fermentación a Lactato en

esfuerzos musculares,

eritrocitos, otras células y

algunos microorganismos

Fermentación a Alcohol

en levaduras

- O2- O2

+ O2

En cada paso, una enz. controla la reacción por reducción de la Ea barrera que tiene

que ser vencida antes de que la reacción específica pueda ocurrir. El total de la energía

libre desprendida ( G) es exactamente la misma en (A) y (B). Pero si el azúcar se

oxidara a CO2 y H2O en un solo paso, como en (B), soltaría una cantidad de energía

mucho más grande que la que podría capturarse para propósitos útiles.

¿Cómo las célulasobtienen

energía de los

alimentos?Enzs. catalizan las

oxidaciones en

pequeños pasos, y la

G es transferida en

cantidades convenientes al ATP,

NADH, etc

Toda la e

se libera

como calor

y nada se

almacena

Ea pequeña, superada

por la temperatura corporal

Ea grande,

superada por el calor del fuego

moléculas del

transportador activadas

B – Quema directa del azúcarA – Oxidación celular de azúcar en pequeños pasos

En

erg

ía lib

re

Azúcar Azúcar

GLUCÓLISIS

• Citoplasmática.

• 10 reacciones (2 etapas/fases), c/u

c/reaccs cataliz x enzimas.

• Transformar una molécula de glucosa (C6)

en dos moléculas de ácido pirúvico (C3).

• Ganancia neta de 2 ATP y 2 NADH + H+

La glucosa es un combustible muy

importante para la mayoría de

organismos

Fase I

Se consumen 2 ATP

Fase II

Se producen 4 ATP

Rendimiento

2 moles ATP/mol glucosa

Fases de la Glicolisis

Primera parte

• c/gasto de 2 ATP, para fosforilar

la glucosa y la fructosa.

• Al final se obtienen, dos moléculas

de P-GALD, ya que la molécula de

DHA-P (dihidroxiacetona-fosfato),

se puede transformar en P-GALD.

Hexoquinasa

Mg++

G°’ = -4Kcal/mol

Glc-Pato

Isomerasa

G°’ = +0,4Kcal/mol

Fosfofructoquinasa-1

Mg++

G°’ = -3,4Kcal/mol

Fosfofructoquinasa-1

ALD

Clase I= Mamíferos, tetrámeros, PM 160000

(forman Base de Schiff c/

carbonilo)

Clase II= Bacterias,

levaduras y hongos, dímeros, PM 65000 (+

Zn++, no forman Base de Schiff)

G°’ = +5,7Kcal/mol

Triosa-Pato

Isomerasa

G°’ = +1,8Kcal/mol

Segunda fase

• 2 moléculas de PGALD -> 4 moléculas de ATP

y dos moléculas de NADH.

• Ganancia neta de dos moléculas de ATP.

Gliceraldehido 3-Pato DH

G°’ = +1,5Kcal/mol

1° reacc. Conocida en la que se forma ATP c/E liberada

en oxidación de 1 molécula- OH Warburg, años 30.

Entre el Gliceraldehido-3-P (Sustrato) y el grupo –SH de una cisteína de la

Enz (Gliceraldehido-3-P-DH) se forma un enlace covalente.

La Enz también se une No Covalentemente al NAD+

La oxidación del Gliceraldehido-3-P ocurre cuando 2 electrones + 1 átomo de

H son transferidos al NAD+

Parte de la E liberada por la oxidación del aldehido es así almacenada en el

NADH y parte queda en el enlace entre la Enz y su sustrato (unión tioéster de

alta E)

Una molécula de Fosfato inorgánico desplaza el enlace de alta E de la Enz

p/crear un enlace acil-anhidrido de alta E.

El enlace P es transferido al ADP p/formar ATP

Mucha de la E de oxidación ha sido almacenada en transportadores activos

ATP y NADH.

Fosfoglicerato-

quinasa

G°’ = -4,5Kcal/mol

Gliceraldehido

3-Pato DH

G°’ = +1,5Kcal/mol

Piruvatoquinasa*

Isomerasa

G°’ = -7,5Kcal/mol

Fosfoglicerato-

mutasa – Mg++

(c/Histidina fosforilada)

G°’ = +1,1Kcal/mol

Interm.= 2,3-Bis-P-Glicerato

+ Hb (desoxiHb)#

#Vía colateral: Mutasa Fosfatasa

1,3-Bis-P-Glicerato -------------------> 2,3-Bis-P-glicerato -----------------> 3-P-Glicerato + Pi

Enolasa

+ Mg++ o Mn++

G°’ = +0,4Kcal/mol

*Isoenzimas

L = Híg y Riñón

A = Tejs embrión

M = múscular

2 moléculas de ácido pirúvico

• En estas moléculas se encuentra la mayor

parte de la energía contenida en la glucosa.

Glucólisis: Etapas

Enlace

enol Pato

Enlace

anhidrido a

1 COO-

Enlace

de Pato en

creatina

Pato

Enlace

anhidrido

al Pato

(enlace

fosfoanhidrido)

Enlace

fosfoéster

PEP

1,3-

Bisfosfoglicerato

Creatina-Pato

(carrier activado

q´almacena E en

músculos

ATP cuando se

hidroliza a ADP

Glc-6-Pato

Tipo de enlace de fosfato

Ej. Específicos q´muestran el cambio

de E libre estándar para la hidrólisis

del enlace fosfato

PPi+H2O ->2Pi = -19,2kJ/mol-1

ATP+H2O->ADP+Pi = -30,5 kJ/mol-1

-13,8 kJ/mol-1

ATP+H2O->AMP+PPi = -30,5 kJ/mol-1

Destinos del Piruvato

Animales, plantas y muchos microorganismos

en condiciones aeróbicas

Fermentación a Lactato en

esfuerzos musculares,

eritrocitos, otras células y

algunos microorganismos

Fermentación a Alcohol en

levaduras

- O2- O2

+O2

En general:

•Síntesis de Lactato (mamíf,

hongos, protozoos, bacterias)

•Fermentación alcohólica (algas,

levaduras, vegetales)•Otros tipos de fermentaciones

(bacterias)

•Otros destinos del Piruvato

(precursor en vías anabólicas)

Mamíferos: Según estado del metab. Celular y

disponibilidad de O2

•Producción de Lactato

LDH =tetrámero, 140000 PM, 5

isoenz en animales superiores

M4 y M3H KM bajos p/Piruvato

MH3 y H4 KM altos p/Piruvato

Reoxidación del NADH – Eucariotas = Lanzaderas o trenes mitocondriales

En anaerobiosis

Destinos del

Piruvato (anaerob.)Dos alternativas p/degradar piruvato en

condiciones anaeróbicas son:

(1)A baja pO2, por ejemplo, en una célula muscular en ejercicio vigoroso, el piruvato producido por glucólisis se convierte en lactato. Esta reacción regenera el NAD+ (oxidado) que es necesario p/ser consumido en paso 6 de la glucólisis (rinde mucho menos E global que la oxidación completa).

(2)En algunos organismos que pueden crecer anaerobicamente, como las levaduras, el piruvato se convierte vía acetaldehido en anhídrido carbónico y etanol. De nuevo, esta senda regenera NAD+ de NADH (necesario p/ permitir continuar la glucólisis).

Ambos, (1) y (2), son ejemplos de fermentaciones.

El ácido pirúvico, formado en la glucólisis, se convierte anaeróbicamente

en etanol.

Reacción enzimática que produce ácido láctico anaeróbicamente a partir

de ácido pirúvico en las células musculares.

Matriz mitocondrial, Hay 1 ADN circular y pequeños ribosomas que sintetizan un pequeño número de proteínas. Enzimas de la

oxidación de AG, aminoácidos, ácido pirúvico que se

descarboxila y se encuentran las enzimas del ciclo de

Krebs ( Hans Krebs postuló esta vía metabólica en 1937 y

luego recibió el premio Nobel) o de los ácidos tricarboxílicos, o

ciclo del ácido cítrico.

Membrana Interna: Los sistemas Red-0x del transporte de

electrones se encuentran adosados a las crestas mitocondriales,

el sistema de la fosforilación oxidativa (ocurre tanto en bacterias

aeróbicas como en mitocondrias de células eucarióticas).

Destinos aeróbicos del Piruvato en la

MITOCONDRIA

Descarboxilación Oxidativa del Piruvato

1) Descarboxilación exergónica

2) Formación de sulfoester de alta E con Lipoato

3) Transtiolación isoexergónica del acetilo desde el Lipoato al HS-CoA

Enzima Cosustrato prostético Sustrato soluble

Piruvato deshidrogenasa ó Pir. descarboxilasa

E1 TPP = Tiamina pirofosfato

Dihidrolipoil transacetilasa E2 Lipoamida Coenzima A

Dihidrolipoil deshidrogenasa

E3 FAD NAD+

Otras enzimas con igual mecanismo:

a)Alfa-cetoglutarato DH,

b)Alfa-cetobutirato DH,

c)cadena ramificada cetoácido DH

Resumen del máximo rendimiento energético a

partir de la oxidación de una molécula de glucosa

Lanzadera del Glicerol-3-Pato

Sistema activo en Híg y Tub

Renales

Glucólisis = 6 ATP

Lanzadera de Malato-Aspartato

MDH citopl y mitocondrial

GOT/AST citopl y mitoc

Requiere E del gradiente de H+ de

Cad Resp

Glucólisis = 8 ATP

GLUCONEOGÉNESIS

Pollo

PalomaRata

Ratón

Efectos de la Insulina s/la glucemia

Efecto Metabólico Enzima blanco

Captación de Glucosa (músculo) Portador de glucosa

Captación de Glucosa (hígado) Glucoquinasa

Glucogenogénesis (hígado, músculo) Glucógeno sintasa

Glucogenólisis (hígado, músculo) Glucógeno fosforilasa

Glucólisis, producc. de acetil-CoA

(hígado, músculo)

Fosfofructoquinasa-1

Piruvato deshidrogenasa

Síntesis de Acidos Grasos (hígado) Acetil-CoA carboxilasa

Síntesis de triacilglicéridos

(tejido adiposo)Lipoprotein-lipasa

Derivacion de la glucolisis anaerobia

Ciclo de Rapaport-Luebering

1,3 DPG -> 2,3 DPG

2,3 DPG -> 3-PGlicerato

Catalizadas por una misma enzima, con doble funcion: MUTASA y

FOSFATASA

Importancia:

• 2,3 DPG regula la función hemoglobínica,

• y reservorio energético frente a situaciones como una disminución de pH intraeritrocitario c/merma en la glucólisis.

VIA DE LAS PENTOSAS

FOSFATO

NADPH -> reduce al glutatión y se utiliza

en las reacciones de biosíntesis

reductivas.

Ribosa-5-Pato -> es precursor de

nucleótidos, coenzimas y ácidos nucleicos. De lo contrario, la fase oxidativa recicla 6

moléculas de pentosa en 5 moléculas de

Glc-6-Pato c/ producción de NADPH

Esquema general de la

Vía de las pentosas fosfato

Enzimas:

Transcetolasas = TPP

Transaldolasa c/ -NH2 de Lys (base

de Schiff c/carbonilo de SEP)

Rol regulador del

NADPHRibosa es reguladora también

C5 + C5 <=> C7 + C3

C7 + C3 <=> C6 + C4

C5 + C4 <=> C6 + C3

3 C5 <=> 2C6 + C3

Metabolismo del Glucógeno

GLUCOGENOGÉNESIS

Amilo 1,4 -> 1,6 transglucosidasa

Enz. Ramificante

Puntos de

ramificación-1,6

Paso exergónico de la biosíntesis de

glucógeno. Luis Leloir 1957.

UDP-Glc + Glgeno -> Glgeno (n+1) + UDP

G = -13,4 kJ.mol-1

Paso exergónico de la biosíntesis

de glucógeno. Luis Leloir 1957.

Donador de glucosilo (c/E de Pirofosforilasa inorgánica)

Homotetrámero c/2 formas

b= fosforilada menos activaa=desfosforilada activa Inhib.alostér.= ATP, ADP y Pi

Glicogenina q’ cataliza 2 diferentes reacciones:

a)ataque inicial por el grupo –OH de la Tyr194 s/ C1 de

UDP-glucosa q’ resulta en un residuo Tyr glicosilado.

b)El C1 de otra UDP-Glc es atacado por el –OH del C4

de la Glc terminal. Secuencia que se repite 8 veces

formando enlaces 1-4 glicosídicos (moléc. de

glucógeno naciente)

Estructura de la partícula de glucógeno: comienza

por una molécula de glicogenina central, se extienden

cadenas de 12-14 residuos en etapas. De c/cadena

salen 2 ramas 1-6 glicosídicas. Hay 12 etapas de

formación en una partícula de glucógeno maduro,

alrededor de 55.000 residuos de Glc en 1 moléc. De

21 nm de diám.

Estructura de glicogenina muscular (forma

dimérica en solución). En H° hay 1 isoforma 2

en hígado.

Las esferas rojas representan el sustrato UDP-

glc ligada a una hoja de Rossman cerca del AA

terminal y del residuo Tyr194 (turquesa). Casa

UDP-Glc está ligada por sus Patos a iones

Mn++ (verde), esenciales p/la catálisis. La

transferencia de la Glc desde el UDP parece

tener 2 etapas: 1° ataque nucleofílico del

Asp162 (naranja) y 2° ataque nucleofílico de la

Tyr194.

La glicogenina ceba la síntesis de glucógeno

= glucosiltransferasa

Del UDPG al –OH de la Tyr 194 (alarga

+7 residuos de un cebador de glgeno)

GLUCOGENOLISIS

Enz: Dímero (subunid. Idénticas), regulable alost. y

por modif coval.: fosforilación (Fa) y desfof.: (Fb)Inhib. Alostéricos: ATP, G6P y Glc (activ=AMP)Asoc. a Piridoxal-Pato (B6) q es el que porta el Pi

GlucógenoGránulos 100-400 Å c 120.000 Glcs

C/ Enzs y proteínas reguladoras

1-2% del peso del músculo10% del peso del hígado

Enzs:1- Fosforilasa -> fosforólisis h. 5 resid. de ramificación (conformación R=activa y T=inactiva)

2- Enz. Desramificante = (1->4) transglucosidasa (glucosiltransferasa) de unid. triacáridas

3- Fosfoglucomutasa

4- Glc-6-fosfatasa (membrana del RE)

Hidrólisis

Pasa (REndoplásmico)

Glc-6-P------------------------------Glc + Pi

T1 = transp. de glc-6-P desde el citosol al lumen

T2 = transp. Spp de glc al citosol

T2 = transp. Spp de Pi al citosol

Glut2 = transportador de Glc en la membrana plasmática.

↑Glucemia

Glc-6-fosfatasa (membrana del RE)

Destino de la Glucosa-6-fosfato producida en la

Glucogenolisis