Procesos Biologicos - 17 - Gluconeogenesis.01.06.09

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)

fosfofructoquinasa Piruvato

Estos

Quinasa.

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

Glucose-6-phosphatase

6 CH OPO 2− 2 3 5 O

H 4

OH

H OH 3

H

H 2

OH

CH2OH H 1

OH

glucose-6-phosphate

H2O

H

O H OH

H

+ Pi

H OH

OH H

glucose

OH

Hexoquinasa o Glucoquinasa (Glicolisis) cataliza: glucosa + ATP  glucosa-6fosfato + ADP Glucosa-6-Fosfatasa (Gluconeogenesis) cataliza:

Glucose-6-phosphatase

6 CH OPO 2− 2 3 5 O

H 4

OH

H OH 3

H

H 2

OH

CH2OH H 1

OH

glucose-6-phosphate

H2O

H

O H OH

H

+ Pi

H OH

OH H

glucose

OH

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

Phosphofructokinase → 6 CH OPO 2− 2 3

1CH2OH

O

5

H

H 4

OH

ATP

HO

ADP

2

3 OH

H

fructose-6-phosphate

6 CH OPO 2− 2 3

O

5

Pi

H2O

1CH2OPO32−

H

H

HO

3 OH

4

OH

2

H

fructose-1,6-bisphosphate

← Fructose-1,6-biosphosphatase

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

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.

Pyruvate Carboxylase

PEP Carboxykinase

O−

O C

O−

O C

C

ATP ADP + Pi

C O

CH3

C O

pyruvate

O

GTP GDP

CH2

HCO3−

O−

O C CO2 O−

oxaloacetate

C OPO32−

CH2

PEP

Bypass de la Piruvato Quinasa (2 enzimas): Piruvato Carboxilasa (Gluconeogenesis) cataliza: piruvato + HCO3− + ATP  oxaloacetato + ADP + Pi PEP Carboxiquinasa (Gluconeogenesis)

Piruvato Carboxilasa usa biotina como grupo prostético.

H C CH2 CH2 CH2 CH2 +

NH3

O C

HN

NH

COO−

lysine residue

CH CH H2C

CH S

biotin

lysine H3N+

N subject to carboxylation

(CH2)4

O

O C

NH

C

(CH2)4 CH NH

Biotina tiene una cadena lateral de 5-C cuyo carboxilo terminal esta unida covalentemente al grupo amino-ε 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.

O -O

C C

O O −

O

P

O O

C

O−

OH

carboxyphosphate

N

NH

lysine residue

CH CH H2C

CH S

(CH2)4

carboxybiotin

O

O C

NH

C

(CH2)4 CH NH

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

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

-O

C C

O

CH3

pyruvate

C C

O

N

H2C

carboxybiotin O

CH S

(CH2)4

C

NH

R

O

C

C

C

O

CH2

HN

O−

oxaloacetate

NH

CH CH H2C

C O

NH

CH CH

O−

O

carboxybioti na + piruvato  biotina +

O

O−

O

biotin

CH S

(CH2)4

O C

NH R

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

oxaloacetate

ketone bodies citrate

Krebs Cycle

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

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.

avidin with bound biotin

O−

O

PEP Carboxykinase Reaction

C C

O

CH2 C O

O−

O

O−

oxaloacetate

C C CO2

O−

CH2

GTP GDP O

O− C C

OPO32−

CH2

PEP

PEP Carboxiquinasa cataliza oxaloacetato → PEP dependiente de GTP. Esta reacción sucede en 2 pasos: 

Oxaloacetato es primeramente decarboxilado obteniendo el anion intermediario piruvato enolato.

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

glyceraldehyde-3-phosphate NAD+ + Pi Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase NADH + H+

Resumen de la Gluconeogénesis: Enzimas Gluconeogénicas. Enzimas Glicolíticas.

1,3-bisphosphoglycerate ADP Phosphoglycerate Kinase ATP 3-phosphoglycerate Phosphoglycerate Mutase 2-phosphoglycerate Enolase H2O phosphoenolpyruvate CO2 + GDP

PEP Carboxykinase

GTP oxaloacetate Pi + ADP HCO3− + ATP pyruvate

Pyruvate Carboxylase Gluconeogenesis

glucose Pi

Gluconeogenesis

Glucose-6-phosphatase

H2O glucose-6-phosphate

Phosphoglucose Isomerase fructose-6-phosphate Pi Fructose-1,6-bisphosphatase 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 ATP Gluconeogenesis: 2 piruvato + 2 NADH + 4 ATP + 2 GTP 

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

Phosphofructokinase → 6 CH OPO 2− 2 3

1CH2OH

O

5

H

H 4

OH

ATP

HO

ADP

2

3 OH

H

fructose-6-phosphate

6 CH OPO 2− 2 3

O

5

Pi

H2O

1CH2OPO32−

H

H

HO

3 OH

4

OH

2

H

fructose-1,6-bisphosphate

← Fructose-1,6-biosphosphatase

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

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

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,

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-2,6bisfosfato: 

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

PFK2/FBPase2 homodimer

PDB 2BIF

PFK-2 domain

FBPase-2 domain with bound fructose-6-P in active site

(active as Phosphofructokinase-2) Enz-OH ATP ADP fructose-6-P

fructose-2,6-bisP

Pi

Enz-O-PO32− (active as Fructose-Bisphosphatase-2)

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

(active as Phosphofructokinase-2) Enz-OH ATP ADP

Efectos Río abajo de la cascada de cAMP :

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.

Cori Cycle Liver Glucose 2 NAD+ 2 NADH 6 ~P 2 Pyruvate 2 NADH 2 NAD+ 2 Lactate

Blood

Muscle Glucose 2 NAD+ 2 NADH 2 ~P 2 Pyruvate 2 NADH 2 NAD+ 2 Lactate

Cori Cycle Liver Glucose 2 NAD+ 2 NADH 6 ~P 2 Pyruvate 2 NADH 2 NAD+ 2 Lactate

Blood

Muscle Glucose 2 NAD+ 2 NADH 2 ~P 2 Pyruvate 2 NADH 2 NAD+ 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

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.

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

Blood

Cancer Cell Glucose 2 NAD+ 2 NADH 2 ~P 2 Pyruvate 2 NADH 2 NAD+ 2 Lactate

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 latestage cancer even when food intake remains