Rodrigo Sandoval, Ph.D.

Procesos Bioloógicos I

Carrera de Medicina, 1er año.

Algunos tejidos, como Cerebro, RBCs, médula renal, gónadas (testículos), tejidos

embrionarios y músculos durante el ejercicio requieren de un suplemento constante de glucosa como fuente de energía metabólica.

El cerebro humano requiere de más de 120 gm de glucosa por día. Las células de mamífero producen glucosa desde precursores más simples.. El glicógeno hepático puede cubrir dichas necesidades solamente durante 10 a 18 horas sin carbohidratos en la dieta

Los depósitos hepáticos de glucosa se depletan y la glucosa es formada desde otras moléculas como

Lactato Piruvato Glicerol Alfacetoácidos

La formación de glucosa desde precursores no hexosas se denomina gluconeogenesis (formación de nuevos azúcares).

Glicolisis y Gluconeogenesis en el hígado

La gluconeogénesis ocurre en menor medida en el riñón y en el intestino delgado bajo algunas condiciones. 

La síntesis de glucosa desde piruvato utiliza muchas de las enzimas utilizadas en la Glicolisis.

Tres reacciones glicolíticas son esencialmente irreversibles.

Hexoquinasa (o Glucoquinasa)fosfofructoquinasaPiruvato Quinasa.

Estos pasos deben ser bypaseados en la Gluconeogenesis. Dos de estas reacciones de bypass involucran reacciones de hidrólisis.

Hexoquinasa o Glucoquinasa (Glicolisis) cataliza:glucosa + ATP glucosa-6-fosfato + ADP

Glucosa-6-Fosfatasa (Gluconeogenesis) cataliza: glucosa-6-fosfato + H2O glucosa + Pi

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH

HH O

OH

H

OHH

OH

CH2OPO32

H

OH

HH2O

1

6

5

4

3 2

+ Pi

glucose-6-phosphate glucose

Glucose-6-phosphatase

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH

HH O

OH

H

OHH

OH

CH2OPO32

H

OH

HH2O

1

6

5

4

3 2

+ Pi

glucose-6-phosphate glucose

Glucose-6-phosphatase

Glucosa-6-fosfatasa se encuentra embebida en la membrana del RE de las células hepáticas.

El sitio catalítico se encuentra expuesto al lumen del RE. Otra subunidad funciona como traslocasa, proveyendo acceso del sustrato al sitio activo.

Fosfofructoquinasa (Glicolisis) cataliza: fructosa-6-P + ATP fructosa-1,6-bisP + ADP

Fructosa-1,6-bisfosfatasa (Gluconeogenesis) cataliza: fructosa-1,6-bisP + H2O fructosa-6-P + Pi

fructose-6-phosphate fructose-1,6-bisphosphate

Phosphofructokinase CH2OPO3

2

OH

CH2OH

H

OH H

H HO

O6

5

4 3

2

1 CH2OPO32

OH

CH2OPO32

H

OH H

H HO

O6

5

4 3

2

1ATP ADP

Pi H2O

Fructose-1,6-biosphosphatase

Bypass de la Piruvato Quinasa:

Piruvato Quinasa (último paso de la Glicolisis) cataliza:

fosfoenolpiruvato + ADP piruvato + ATP

Para realizar el bypass de la reacción de la Piruvato Quinasa, se requiere del corte de 2 enlaces ~P.

Bypass de la Piruvato Quinasa (2 enzimas):

Piruvato Carboxilasa (Gluconeogenesis) cataliza:piruvato + HCO3

+ ATP oxaloacetato +

ADP + Pi

PEP Carboxiquinasa (Gluconeogenesis) cataliza:oxaloacetato + GTP PEP + GDP + CO2

C

C

CH 2

O O

O PO 32

C

C

CH 3

O O

O

A T P A D P + P i C

CH 2

C

C

O

O O

O O

HC O 3

G T P G D P

CO 2

p y r u v a te o x a lo a c e ta te P E P

P y ru v a te C a rb o x y la s e P E P C a rb o x y k in a s e

Biotina tiene una cadena lateral de 5-C cuyo carboxilo terminal esta unida covalentemente al grupo amino- de una lisina.La biotina, y la cadena lateral de la lisina forman un largo brazo giratorio que permite al anillo de biotina girar de ida y vuelta entre los 2 sitios activos.

Piruvato Carboxilasa usa biotina como grupo prostético.

CHCH

H2CS

CH

NHC

HN

O

(CH2)4 C NH (CH2)4 CH

CO

NH

O

biotin

N subject to carboxylation

lysine residue

H3N+ C COO

CH2

CH2

CH2

CH2

NH3

H

lysine

La carboxilación de la Biotina es catalizada en uno se los sitios activos de la Piruvato Carboxilasa.

ATP reacciona con HCO3 para obtener carboxifosfato.

El carboxilo es transferido desde estemintermediario ~P a un N del anillo de biotina:

biotina + ATP + HCO3 carboxibiotina + ADP + Pi

O P O

O

OH

C O

O

carboxyphosphate

CHCH

H2CS

CH

NHC

N

O

(CH2)4 C NH (CH2)4 CH

CO

NH

O

CO

-O

carboxybiotin

lysine residue

En el otro sitio activo de la Piruvato Carboxilasa, el CO2 activado es transferido desde la biotina al piruvato:

carboxybiotina

+ piruvato

biotina + oxaloacetato

CHCH

H2CS

CH

NHC

N

O

(CH2)4 C NH R

O

CO

-OC

C

CH3

O O

O

C

CH2

C

C

O

O O

OO

CHCH

H2CS

CH

NHC

HN

O

(CH2)4 C NH R

O

carboxybiotin

pyruvate

oxaloacetate

biotin

Cuando la gluconeogenesis está activa en el hígado, oxaloacetato es desviado para formar glucosa. La depleción de oxaloacetato obstaculiza la entrada de acetyl CoA en el ciclo de Krebs. El incremento en [acetyl CoA] activa la Piruvato Carboxilasa para formar oxaloacetato.

Piruvato Carboxilasa (piruvato oxaloacetato) es alostéricamente activada por Acetil CoA.

[Oxaloacetato] tende a estar limitada por el ciclo de Krebs.

Glucose-6-phosphatase glucose-6-P glucose

Gluconeogenesis Glycolysis

pyruvate fatty acids

acetyl CoA ketone bodies oxaloacetate citrate

Krebs Cycle

avidin with bound biotin

Avidina, una proteína presente en la clara de huevo, se une fuertemente a la biotina.

Un exceso en el consumo de huevos crudos pueden causar una deficiencia nutricional de biotina.

PEP Carboxiquinasa cataliza oxaloacetato PEP dependiente de GTP. Esta reacción sucede en 2 pasos: Oxaloacetato es primeramente decarboxilado

obteniendo el anion intermediario piruvato enolato. Transferencia de fosfato desde GTP da

entonces fosfoenolpiruvato (PEP).

C

C

C H 2

O O

O P O 32

C

C H 2

C

C

O

O O

O O

C O 2

C

C

C H 2

O O

O

G T P G D P

o x a lo a c e ta te P E P

P E P C a rb o x y k in a se R e a c tio n

La fuente de piruvato y oxaloacetato para la gluconeogenesis durante ayuno o inanición se obtiene prinicipalmente del catabolismo de aminoácidos.

Algunos aminoácidos son catalizados a piruvato, oxaloacetato, o precursores de éstos.

Las proteinas Musculares se degradan para obtener el suplemento de aminoácidos necesario. Éstos son transportados hacia el hígado donde son desaminados y convertidos en sustratos para la gluconeogénesis. 

Glicerol, derivado de la hidrólisis de triacilgliceroles en células adiposas, es también un sustrato de la gluconeogénesis.

Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase

Phosphoglycerate Kinase

Enolase

PEP Carboxykinase

glyceraldehyde-3-phosphate

NAD+ + Pi

NADH + H+

1,3-bisphosphoglycerate

ADP

ATP

3-phosphoglycerate

Phosphoglycerate Mutase

2-phosphoglycerate H2O

phosphoenolpyruvate

CO2 + GDP

GTP oxaloacetate

Pi + ADP

HCO3 + ATP

pyruvate

Pyruvate Carboxylase

Gluconeogenesis

Resumen de la Gluconeogénesis:

Enzimas Gluconeogénicas.

Enzimas Glicolíticas.

Glucose-6-phosphatase

Fructose-1,6-bisphosphatase

glucose Gluconeogenesis

Pi

H2O glucose-6-phosphate

Phosphoglucose Isomerase

fructose-6-phosphate

Pi

H2O fructose-1,6-bisphosphate

Aldolase

glyceraldehyde-3-phosphate + dihydroxyacetone-phosphate

Triosephosphate Isomerase (continued)

Tanto la Glicolisis como la Gluconeogenesis son espontáneas. Si ambas vías fueran activadas en forma simultánea, generarían los llamados "ciclos fútiles " lo que produciría un desperdicio de energía.

Glicolisis: glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi

2 piruvato + 2

NADH + 2 ATPGluconeogenesis: 2 piruvato + 2 NADH + 4 ATP + 2 GTP glucosa + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi

Para prevenir el desperdicio de un ciclo fútil, ambas vías son reguladas en forma recíproca

Control local incluye regulación alostérica recíproca por nucleótidos de adenina. Fosfofructoquinasa (Glicolisis) es inhibida

por ATP y estimulada por AMP. Fructosa-1,6-bisfosfatasa

(Gluconeogenesis) es inhibida por AMP.

fructose-6-phosphate fructose-1,6-bisphosphate

Phosphofructokinase CH2OPO3

2

OH

CH2OH

H

OH H

H HO

O6

5

4 3

2

1 CH2OPO32

OH

CH2OPO32

H

OH H

H HO

O6

5

4 3

2

1

ATP ADP

Pi H2O

Fructose-1,6-biosphosphatase

Los efectos opuestos de nucleótidos de adenina en fosfofructoquinasa (Glicolisis) Fructosa-1,6-bisfosfatasa (Gluconeogenesis)

Aseguran que cuando el ATP es alto (y por tanto el AMP será bajo), la glucosa no es degradada para producir ATP.

Cuando el ATP es alto, es más útil para la célula almacenar la glucosa como glucógeno.

Cuando el ATP es bajo (y por tanto el AMP será alto), la célula no gastará energía en la síntesis de glucosa.

Control global en las células hepáticas incluye efectos recíprocos de una cascada activada por AMP cíclico, gatillada por la hormona glucagón cuando la glucosa es baja.

Fosforilación de enzimas y proteínas regulatorias en el hígado por Proteína Quinasa A (Proteína quinasa dependiente de cAMP) resulta en inhibición de la glicolisis estimulacion de la gluconeogenesis,

Dejando la glucosa disponible para ser liberada a la sangre.

Las enzimas relevantes de estas vías que son fosforiladas por PKA incluyen:

Piruvato Quinas, enzima glicolítica que es inhibida cuando se fosforila.

CREB (cAMP response element binding protein) la cual activa la transcripción del gen para PEP Carboxiquinasa, logrando un incremento en la gluconeogenesis.

Una enzima bifuncional que produce y degrada a un regulador alostérico, fructosa-2,6-bisfosfato.

Regulacion recíproca por fructosa-2,6-bisfosfato:

Fructosa-2,6-bisfosfato estimula la Glicolisis.

Fructosa-2,6-bisfosfato activa alostéricamente la enzima glicolítica fosfofructoquinasa.

Fructosa-2,6-bisfosfato también activa la transcripción del gen para la Glucoquinasa.

Fructosa-2,6-bisfosfato inhibe alostéricamente la enzima de la gluconeogenesis Fructosa-1,6-bisfosfatasa.

PFK2/FBPase2 homodimer PDB 2BIF

PFK-2 domain

FBPase-2 domain

with bound fructose-6-P in active site

Fosforilación dependiente de cAMP de la enzima bifuncional activa FBPasa2 e inhibe PFK2.

[Fructosa-2,6-bisfosfato] por tanto decrece en células hepáticas en respuesta a una señal de cAMP activada por gl glucagon cuando la glucosa sanguínea es baja.

(active as Phosphofructokinase-2) Enz-OH

ATP ADP

fructose-6-P fructose-2,6-bisP

Pi

Enz-O-PO32

(active as Fructose-Bisphosphatase-2)

Glicolisis se enlentece debido a que fructosa-2,6-bisfosfato no está disponible para activar a la fosfofructoquinasa.

Gluconeogenesis se incrementa debido a la disminución de fructosa-2,6-bisfosfato.

(active as Phosphofructokinase-2) Enz-OH

ATP ADP

fructose-6-P fructose-2,6-bisP

Pi

Enz-O-PO32

(active as Fructose-Bisphosphatase-2)

Efectos Río abajo de la cascada de cAMP :

Cori Cycle

Liver Blood Muscle Glucose Glucose 2 NAD+ 2 NAD+

2 NADH 2 NADH 6 ~P 2 ~P 2 Pyruvate 2 Pyruvate 2 NADH 2 NADH 2 NAD+ 2 NAD+ 2 Lactate 2 Lactate

The Cori cycle costs 6 ~P in liver for every 2 ~P made available in muscle. The net cost is 4 ~P. Although costly in ~P bonds, the Cori Cycle allows the organism to accommodate to large fluctuations in energy needs of skeletal muscle between rest and exercise.

Cori Cycle

Liver Blood Muscle Glucose Glucose 2 NAD+ 2 NAD+

2 NADH 2 NADH 6 ~P 2 ~P 2 Pyruvate 2 Pyruvate 2 NADH 2 NADH 2 NAD+ 2 NAD+ 2 Lactate 2 Lactate

The equivalent of the Cori Cycle also operates during cancer.

If blood vessel development does not keep pace with growth of a solid tumor, decreased O2 concentration within the tumor leads to activation of signal processes that result in a shift to anaerobic metabolism.

Energy dissipation by the Cori Cycle, which expends 6 ~P in liver for every 2 ~P produced via Glycolysis for utilization within the tumor, is thought to contribute to the weight loss that typically occurs in late-stage cancer even when food intake remains normal.

Liver Blood Cancer Cell Glucose Glucose 2 NAD+ 2 NAD+

2 NADH 2 NADH 6 ~P 2 ~P 2 Pyruvate 2 Pyruvate 2 NADH 2 NADH 2 NAD+ 2 NAD+ 2 Lactate 2 Lactate