UNIDAD 4: CARBOHIDRATOS

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1 UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA FACULTAD DE CIENCIAS VETERINARIAS CATEDRA DE BIOQUIMICA UNIDAD 4: CARBOHIDRATOS Objetivo 2: Metabolismo Dra. Emma Rueda de Arvelo

2 OBJETIVO ESPECÍFICO 2. EXPLICAR EL METABOLISMO DE LOS CARBOHIDRATOS Glucólisis Gluconeogenésis Ruta de las pentosas fosfato Glucogenosíntesis Glucogenolísis Aspectos clínicos relacionados con defectos en el metabolismo

3 Glucólisis 1 2 Hexoquinasa Mg +2 Fosfoglucosa isomerasa Glucosa Glucosa 6 fosfato Fructosa 6 fosfato La glucólisis ocurre en el citosol de todas las células 3 Fosfofructoquinasa I Fructosa 1, 6-bisfosfato

4 Fructosa 1, 6-bisfosfato 4 Aldolasa + Dihidroxiacetona fosfato 5 Triosa fosfato isomerasa Gliceraldehído 3-fosfato

5 Fosfoglicerato mutasa 6 Gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa 7 Fosfoglicerato quinasa Mg 2+ Gliceraldehído 3- fosfato Pi NAD + NADH + H+ 1,3-bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato 8 10 Piruvato quinasa Mg 2+ 9 Enolasa H 2 O Piruvato Fosfoenolpiruvato 2-Fosfoglicerato

6 (1) (1) (1) (1) glucosa glucosa 6 fosfato fructosa 6 fosfato fructosa 1, 6-bisfosfato Gliceraldehído 3-fosfato 1,3-bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Piruvato NAD + NADH+H + Glucólisis

7 La energía neta proveniente de la oxidación completa de la glucosa (condiciones aeróbicas) varía ligeramente dependiendo del sistema de transporte de los NADH+H + hacia la mitocondria (lanzaderas)

8 Sistema de transporte de los NADH+H + a la matriz mitocondrial a. Lanzadera Malato-Aspartato Citosol Membrana Interna Mitocondria NAD + NAD + Malato Malato NADH+ H + NADH+ H + α-cetoglutarato α-cetoglutarato Oxaloacetato Oxaloacetato Glutamato Aspartato Aspartato Glutamato

9 Sistema de transporte de los NADH+H + a la matriz mitocondrial b. Lanzadera del Glicerol 3-fosfato Citosol Membrana Mitocondria Membrana Externa Interna NAD + Glicerol 3-fosfato Glicerol 3-fosfato DHSA Glicerol 3-fosfato Glicerol 3-fosfato DHSA FAD NADH + H + Dihidroxiacetona fosfato Dihidroxiacetona fosfato FADH 2

10 (1) (1) (1) (1) glucosa glucosa 6 fosfato Balance energético de la glucólisis fructosa 6 fosfato fructosa 1, 6-bisfosfato Gliceraldehído 3-fosfato 1,3-bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Piruvato NAD + NADH+H + 2 NADH+H + x 3 /NADH+H + = + 6 (Lanzadera Malato-Aspartato)

11 (1) (1) (1) (1) glucosa glucosa 6 fosfato Balance energético de la glucólisis fructosa 6 fosfato fructosa 1, 6-bisfosfato Gliceraldehído 3-fosfato NAD + NADH+H + 1,3-bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato 2 NADH+H + 2 FADH 2 x 2 /FADH 2 = + 4 (Lanzadera del Glicerol 3-fosfato) + 2 Fosfoenolpiruvato Piruvato

12 Energía neta proveniente de la oxidación completa de la glucosa (condiciones aeróbicas): Glucosa (Lanzadera Malato-Aspartato) Glucólisis + 8 Descarboxilación oxidativa 2 Piruvato (2 NADH+H + ) x 3 / NADH+H + = Acetil CoA 2C H 2 0 Ciclo del ácido cítrico (12 /ciclo) =

13 Energía neta proveniente de la oxidación completa de la glucosa (condiciones aeróbicas): Glucosa (Lanzadera del Glicerol 3-fosfato) Glucólisis + 6 Descarboxilación oxidativa 2 Piruvato (2 NADH+H + ) x 3 / NADH+H + = Acetil CoA 2C H 2 0 Ciclo del ácido cítrico (12 /ciclo) =

14 Destinos catabólicos del piruvato Glucosa Glucólisis Descarboxilación oxidativa Acetil CoA C0 2 + H 2 0 Ciclo del ácido cítrico Piruvato Glucólisis anaeróbica Lactato Fermentación alcohólica C0 2 + etanol

15 En condiciones anaeróbicas: Después de las reacciones 1 a 10 : Lactato deshidrogenasa Piruvato 11 Lactato

16 (1) (1) glucosa glucosa 6 fosfato Balance energético de la glucólisis anaeróbica - 1 (1) (1) fructosa 6 fosfato fructosa 1, 6-bisfosfato - 1 Gliceraldehído 3-fosfato NAD + NADH+H + 1,3-bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato ( 0 ) = (+ 1 ) x 2 = Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Piruvato Lactato NADH+H + NAD + (+ 1 ) x 2 =

17 Dónde ocurre glucólisis anaeróbica? En los eritrocitos (glóbulos rojos): carecen de mitocondrias En el músculo esquelético durante intensa actividad Alta demanda de, escaso suministro de oxígeno

18 Regulación de la Glucólisis + PK AMPc Glucagon Glucosa + Hexoquinasa Fosfatasa Insulina Glucosa 6-fosfato P Fosfofructoquinasa 2 + Fructosa 6-fosfato Fructosa 2, 6-bisfosfato Fructosa 2,6 bisfosfatasa Fosfofructoquinasa 1 Fructosa 1, 6-bisfosfato +, Citrato Dihidroxiacetona fosfato Gliceraldehído 3-fosfato 1, 3 -bisfosfoglicerato AMP, Fructosa 6P, Fructosa 2, 6-bisfosfato 3 -fosfoglicerato 2 -fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Piruvato quinasa Piruvato P PK AMPc Fosfatasa Alanina Fructosa 1, 6-bisfosfato Glucagon Insulina

19 En ayuno Glucagon AMPc Regulación por Modificación covalente reversible (+) Proteina quinasa P Enzima Fosforilada Enzima Desfosforilada H 2 0 Proteina fosfatasa (+) Pi Insulina En alimentación

20 Entrada de otros monosacáridos a la Glucólisis Galactosa 1P Glucosa UDP-Galactosa (músculo y tejido adiposo) Glucosa 6-fosfato Fructosa 6-fosfato Glucosa 1P Manosa 6P UDP-Glucosa (hígado) Fructosa 1, 6-bisfosfato Dihidroxiacetona fosfato Gliceraldehído 3-fosfato Piruvato Fructosa 1P Gliceraldehído

21 Gluconeogénesis Se realiza en las células hepáticas Glucosa Glucosa 6-fosfatasa Hexoquinasa Glucosa 6-fosfato Fructosa 6-fosfato Fructosa 1, 6-Bisfosfatasa PFK-1 Fructosa 1, 6-bisfosfato Dihidroxiacetona fosfato Gliceraldehído 3-fosfato 1, 3 -bisfosfoglicerato 3 -fosfoglicerato 2 -fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa Fosfoenolpiruvato Piruvato quinasa Oxaloacetato Piruvato carboxilasa Piruvato

22 Fosfoenolpiruvato GDP + CO 2 Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa GTP Piruvato Citosol Oxalacetato Piruvato Mitocondria NADH+H + NAD + NADH+H + NAD + Mg 2+ Oxalacetato + CO 2 Piruvato carboxilasa + Pi Malato Malato Citrato αcetoglutarato Fumarato Succinil CoA

23 Precursores de glucosa Glucosa Glucosa 6-fosfatasa Glucosa 6P Fructosa 1, 6-Bisfosfatasa Fructosa 6P Fructosa 1,6bP Glicerol quinasa Glicerol 3-P deshidrogenasa Gliceraldehído 3P Dihidroxiacetona P Glicerol-P Triacilgliceroles Glicerol Ácidos grasos Oxaloacetato Malato 1,3 Bifosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa Asp,Asn Piruvato Carboxilasa Piruvato Piruvato Oxaloacetato Malato Lactato Ala,Cis,Gli,Ser, Tre Acetil CoA α-cetoglutarato Succinil-CoA Mitocondria Citosol Glu,Arg,His,Gln,Pro Propionil-CoA Ile, Met, Val

24 Regulación de la Gluconeogénesis AMP Fructosa 1,6 BP Fructosa 2, 6-bisfosfato Glucosa Glucosa 6-fosfatasa Hexoquinasa Glucosa 6-fosfato Fructosa 6-fosfato Fructosa 1, 6-Bisfosfatasa Fosfofructoquinasa 1 Fructosa 1, 6-bisfosfato Dihidroxiacetona fosfato Gliceraldehído 3-fosfato 1, 3 -bisfosfoglicerato 3 -fosfoglicerato 2 -fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa Fosfoenolpiruvato Acetil CoA Oxaloacetato + Piruvato carboxilasa Piruvato Piruvato quinasa

25 Vía de las Pentosas Fosfato Es una ruta alternativa para el metabolismo de la glucosa Actúa como ruta alterna para la oxidación de la glucosa, en la cual no se produce energía en la forma de. Sus principales productos son: NH+H + agente reductor requerido en varios procesos anabólicos Ribosa 5-P componente estructural de los nucleótidos que conforman ácidos nucleicos y coenzimas

26 Vía de las Pentosas Fosfato Es más activa en hígado, tejido adiposo, corteza suprarrenal, tiroides, eritrocitos, testículos y glándula mamaria en lactancia. Ocurre en el citoplasma en dos fases: a. Fase oxidativa irreversible: genera NH+H + y Ribulosa 5- fosfato b. Fase no oxidativa reversible: genera diversos monosacáridos Estas fases son independiente una de la otra

27 Fase oxidativa O O = P O CH 2 O H O H H HO OH H OH H OH Glucosa 6-fosfato N + NH+H + Glucosa 6-fosfato deshidrogenasa NH + H + + Glucosa 6-P, Glutation oxidado O O = P O O H HO 6-fosfogluconolactonasa CH 2 H OH O H H OH 6-fosfogluconolactona H 2 O H + = O CH 2 OH C = O CH 2 OPO 3 2 Ribulosa 5-fosfato CO 2 NH+H + N + 6-fosfogluconato deshidrogenasa COO HO C H CH 2 OPO fosfogluconato

28 Fase no oxidativa CH 2 OH C = O CH 2 OPO 3 2 Ribulosa 5P CH 2 OH C = O CH 2 OPO 3 2 Ribulosa 5P Rul5P 3-epimerasa R5P cetoisomerasa CH 2 OH C = O HO C H H CH 2 OPO 3 2 Xilulosa 5P C = O CH 2 OPO 3 2 Ribosa 5P CH 2 OH C = O HO C H H C = O CH 2 OPO 3 2 Sedoheptulosa 7P CH 2 OPO 3 2 Gliceraldehído 3P H C = O HO C H CH 2 OPO 3 2 Eritrosa 4P CH 2 OH C = O CH 2 OPO 3 2 Fructosa 6P

29 Fase no oxidativa CH 2 OH C = O CH 2 OPO 3 2 Ribulosa 5P Rul5P 3-epimerasa CH 2 OH C = O HO C H CH 2 OPO 3 2 Xilulosa 5P H C = O CH 2 OPO 3 2 Gliceraldehído 3P H C = O CH 2 OPO 3 2 Eritrosa 4P CH 2 OH C = O HO C H CH 2 OPO 3 2 Fructosa 6P

30 Glucosa 6 fosfato Glucosa 6 fosfato Glucosa 6 fosfato N + +H 2 O N + +H N + 2 O +H 2 O Glucosa 6 fosfato deshidrogenasa NH+H + NH+H + NH+H fosfogluconato 6 fosfogluconato 6 fosfogluconato N + N + N 6 fosfogluconato NH+H + NH+H + NH+H + deshidrogenasa CO 2 CO 2 CO 2 Ribulosa fosfato Ribulosa fosfato Ribulosa fosfato 3 epimerasa cetoisomerasa 3 epimerasa Transcetolasa Xilulosa 5 fosfato Ribosa fosfato Xilulosa 5 fosfato Gliceraldehído 3 fosfato Sedoheptulosa 7 fosfato Transaldolasa Fructosa 6 fosfato Eritrosa 4 fosfato

31 Fructosa 6 fosfato Eritrosa 4 fosfato Xilulosa 5 fosfato Transcetolasa Fructosa 6 fosfato Gliceraldehído 3 fosfato Fosfohexosa isomerasa Fosfohexosa isomerasa Glucosa 6 fosfato Glucosa 6 fosfato

32 Glucogenosíntesis El glucógeno es un homopolisacárido ramificado de reserva en los animales, conformado por moléculas de glucosa (α-d glucopiranosa). La síntesis de glucógeno se realiza en el hígado y en el músculo después de la ingestión de alimentos, cuando existe una gran cantidad de glucosa en sangre procedente de la dieta. La síntesis de glucógeno requiere: a. Una molécula preexistente de glucógeno sintetizada sobre una proteína cebadora llamada Glucogenina. b. Moléculas de UDP-Glucosa c. La enzima Glucógeno sintetasa, que se encarga de alargar las cadenas por adiciones de moléculas de glucosas mediante enlaces α(1 4) d. Una enzima ramificante que crea puntos de ramificación a través de la formación de enlaces α(1 6)

33 O O = P O CH 2 O H O H H HO OH H OH H OH Glucosa 6-Fosfato Fosfoglucomutasa UDP-glucosa pirofosforilasa HO CH 2 H O H H O HO OH H O P = O H OH O Glucosa 1-Fosfato UTP HO CH 2 H H OH HO O H H O- UDP PPi Pirofosfatasa inorgánica 2 Pi H OH UDP-Glucosa

34 UDP-glucosa

35 Glucogenosíntesis Glucosa 1 fosfato UDP-glucosa pirofosforilasa UTP PPi pirofosfatasa 2Pi UDP-glucosa glucógeno (n residuos) Glucógeno sintetasa UDP glucógeno (n+1 residuos) Enlaces (α 1-4) Enzima ramificante glucógeno ramificado Enlaces (α 1-6)

36 UDP Glucógeno sintetasa UDP Glucogeno preexistente ó cebador unido a Glucogenina Enzima ramificante

37 Porque almacenamos glucosa como Glucógeno? La glucosa es osmóticamente activa. Si la glucosa se almacenara como glucosa libre, la acumulación de altas concentraciones de glucosa podrían causar considerable captación de agua por los tejidos conduciendo a la lisis celular El glucógeno hepático puede ser hidrolizado rápidamente liberando Glucosa para ser distribuida a las células que la requieren. La glucosa liberada puede ser utilizada como fuente de energía aún en ausencia de oxígeno.

38 Glucogenólisis La degradación del glucógeno hepático normalmente se produce horas después de las comidas, cuando han descendido los niveles de glucosa en sangre. Mientras que la degradación del glucógeno del tejido muscular tendrá lugar cuando se realice un mayor gasto energético que no pueda ser cubierto por el aporte de glucosa desde la sangre (ejercicio intenso) La degradación de glucógeno requiere las siguientes enzimas: a. Glucógeno fosforilasa, cuya función es romper los enlaces α(1 4) de los extremos de la molécula de glucógeno, liberando Glucosa 1-fosfato. b. Glucano transferasa, transfiere una unidad trisacárida de una a otra rama y deja un punto de ramificación que está unida por un enlace α(1 6). c. Enzima desramificante, escinde por hidrólisis los puntos de ramificación unidos por enlaces α(1 6), libera glucosa.

39 Pi Glucógeno fosforilasa -P Glucano transferasa Enzima desramificante

40 Glucogenólisis Glucógeno ramificado (n Glu) Glucógeno fosforilasa Pi Glucosa 1 fosfato Glucógeno ramificado (n-1 Glu) n veces Fragmento trisacárido Glucano transferasa Enlace (α 1-6) expuesto Glucógeno ramificado (Enlaces α 1-6 y α 1-4) Enzima desramificante H 2 O Glucosa Glucógeno menos ramificado

41 Glucogenosíntesis Glucógeno Pi Glucogenólisis Enzima ramificante Unidades glucosilo α 1-4 UDP Glucógeno sintetasa Glucógeno fosforilasa UDPglucosa Glucano transferasa/ Enzima desramificante PPi UDP glucosa pirofosforilasa Glucosa libre UDP UTP Glucosa 1 fosfato Mg 2+ Fosfoglucomutasa Nucleósido difosfo quinasa Glucosa 6 fosfato H 2 O Glucosa 6 fosfatasa Pi Glucosa Mg 2+ Glucoquinasa

42 Regulación Control alostérico Glucógeno Pi Unidades glucosilo α 1-4 UDP Glucógeno sintetasa + Glucógeno fosforilasa + PPi UDPglucosa AMP G6P Glucosa libre UDP UTP Glucosa 1 fosfato Glucosa 6 fosfatasa Mg 2+ Glucosa 6 fosfato H 2 O Pi Glucosa Mg 2+ Glucoquinasa

43 Regulación del metabolismo del glucógeno PPi AMPc Adenilato ciclasa (+) Proteína cinasa A (-) (+) Fosfodiesterasa (+) AMP Modificación covalente reversible Insulina Adrenalina Glucagón Fosforilasa cinasa (inhibida) [Ca +2 ] Fosforilasa cinasa (activada) P Insulina Pi H 2 O Glucógeno fosforilasa b (inhibida) Glucógeno fosforilasa a (activada) P Glucógeno sintetasa a (activada) Glucógeno sintetasa b (inhibida) P (+) Proteína fosfatasa 1 Pi H 2 O Pi H 2 O

44 Aspectos clínicos relacionados con defectos en el metabolismo de carbohidratos Alteraciones en la regulación de la concentración de glucosa: Trastorno Características Diabetes mellitus Glucosuria Deficiencia de fructosa 1,6 bifosfatasa Hipoglicemia Hiperglicemia Exceso de glucosa en la orina Bloqueo de la gluconeogénesis Poca disponibilidad de glucosa en sangre

45 Aspectos clínicos relacionados con defectos en el metabolismo de carbohidratos Enfermedades por almacenamiento de glucógeno Se caracterizan por cantidades o formas anormales de glucógeno Causa del trastorno (Enzima deficiente) En la Glucogenosíntesis: Enzima ramificante En la Glucogenólisis: Fosforilasa muscular Enzima desramificante glucosa 6 fosfatasa Características Acumulación de glucógeno poco ramificado Alto contenido de glucógeno muscular, poca tolerancia al ejercicio Acumulación de glucógeno ramificado Células hepáticas cargadas de glucógeno