Gbucólisis y la oxidación del piruvato Peter A. Mayes, PhD, DSc
isquemia. Existe un número pequeño de enfer-
Hay una necesidad mfnima de glucosa en todos los te-jidos. Cn algunos casos, por ejemplo, en el cerebro,
la necesidad es sustancial; en tanto que en otros, como en los critrocitos, es casi total. La gIuciilisis es la via prii~cipalpara la utililación de la glucosa y se lleva a cabo en el citosol de todas las células. Es una via única, dado que pucde utili7ar oxigeno si estl disponible (aerohia) o fi~ncioiiaren su ausencia total (anaerobia). Sin embargo, para que la glucosa se oxide hasta la etapa terminal del piauvnto de laglucólisis, precisa no solaincnte oxigeno moleculas, sino también sistemas eiiziiiiáiicos rnitoccindriales, como el complejo piruvato deshfdrogenasa, e1 ciclo del iicido cítrico y la cadena respiratoria.
IMPORTANCIA BIOMÉDICA L a glircólisis iio sólo es la ruta principal para el metabolisiiio de la glucosa que conduce a la producción de acetil-CoA y a su oxidacihn cn el ciclo del Iicido cítrico. sino que también proporciona una vía importante para metabolizar fiuctosa y galactosa provenientes de los aliineiitos. La capacidad de la gluc6lisis para proporcioiiai. ATP en ausencia de oxígeno tiene crucial significado biomedico, porque permite al musculo csqueletico trabajar con mucha eficiencia aun'cuando la oxidación aerobia se vuelva insuficiente. a Ea vez que IOF tc,iidos con capacidad glucolítica importante pueden obrev vivir a episodios de anoxia. Por el contraria, el músculo cardiaco, que esth adaptado al traba,jo acrobio. tiene capacidad glucolítica relativamenie deticicntc y escaw supervivencia en condiciones de
medades donde las enzimas de la gluciilisis (coino la pimvato cinasa) muestran actividad deficiente; estos trastornos se manifiestan principalmente como anemias hemolíticas o, si tienen lugar eii el niiisculo esquelético (por ejemplo, la fosfofructocinasa), coino fatiga. En las cClulas cancerosas que proliferan con rapidez, la gluc6lisis procede a una velocidad mucho mayor que la precisada por el ciclo del ácido cítrico. Por tanto, se produce inás piruvato que el que puede ser metaboli7,ado. El resultado es una producciiin excesiva de lactato. que favorece un entornti local relativamente ácido en el tumor, situacióii quc puede tener implicaciones con ciertos tipos de terapéuíicii contra e1 ciinccr. Tambien se produce acidosis lhctica debida a varios factores incluso a la deficiencia de piruvato desliidrogcnasa.
LA GLuCÓLISIS PUEDE FUNCIONAR EN CONDICIONES ANAEROBIAS Al principio del curso de las investigaciones sobre la gliichlisis, se comprendió que el proceso de fermentacihn en las levaduras es semejante a la degradacihn del gluciigeno en el m ~ s c u l oSe . notó que cuando iin musculo se contrae en un medio anaerohici, es decir excnlo de oxigeno, el glucógeno desaparece y sc forma Iactato como principal producto final. Cuando se intraducc el oxígeno, tiene lugar la recuperacióia aerobia y el glucógeno reaparece, mientras que el lactato desaparece. Sin embargo, si la contracción se produce en condiciones aerobias. no hay acuinulacion de lactato y el piruvato se convierte en el prodiicto
final principal; este hltitno es oxidado después a COZ y agua (figura 19-1 ). Como resultado de estas observaciones, se Iia hecho costumbre separar el rnetaboI ismo de los carbohidratos en una fase anaerobia y otra aerobia. .lo obstante, esta distinción es arbitraria ya que las reacciones de la gluclilisis son las mismas tanto en presencia de oxígenci como en su ausencia, excepto en su extensión y en siis productos finales. Cuando ci aporte de oxígeno es pequeño, se altera la reoxidación del NADH, formado a partir de NAD' dusaiite In glucóli~is.En estas circunstancias, el NADH es reoxidado al acoplarse a la reducción dcl piruvato en lactato y el N A D ' que resulta se utiliza para pcrnlitir qiie ulteriormente prosiga la glucólisis (figura 19-1). La glucólisis pucdc así efectuarse en condiciones anaerobiac. pero esto tiene un precio, ya que limita lacaiitidad de energía Iiberada por rnol&cula degli~cosaaxidada. Consecuentemente, mayor cantidad de glucosa debe intervenir en lagluciilisis anaerobiapara proporcionar la misma cantidad dc energía que la obtenida en condiciones aernbias.
Glucosa
Glua6geno
Cs
(CsIm
TriosatosfaZa
C3
o*
-
Triosalosfato
+H+ -
Figura 19-1. Resumen de la gluc61isis 0, bloqueado por condiciones anaerobias o por ausencia de mitowndrias que contengan las enzimas respiratorias claves, por ejemplo, como ocurre en los eritrocitas
LAS REACCIONES DE LA GLUCÓLISIS SON LA PRINCIPAL V ~ ADE UTILIZACION DE LA GLUCOSA La ecuacihn global para la gIucolisis desde gliicosa hasta lactato e$: Glucosa * 2ADP * 2Pi t 2L(+)-Lactato
* 2ATP + 2Hz0
Todas las enzimas de la vía de Ia gluchlisis (figura 1 9-2) se encuentran en la fracción soluble extirimitocondrial de la célula, el citoso!, aunque se acumula evidencia indicadora de que alguna de las enzimas puede estar integrada con estructuras subcelulares ranto en la celula como en e1 citosol. Ellas catalizan Ias reacciones implicadas en la gluclilisis de la glucosa, hasta piruvato y lactato. del modo siguiente: La glucosa entraen la vía gluctiIitica mediante su fosforilación a glucocad-iosfato, función que realiza la enzima hexocinasa. Sin embargo, en las células del parinquirna hephtico y en Ias dc los islotes pancreáticos, es realizada por la glococintisa, cuya actividad en el hígado puede inducirse y afectarse por los cambios en el estado nutricional, El ATP es necesario coma donador de fosfato y, como en muchas reacciones en que interviene la fosforilacihn, reacciona coino el complejo Mg-ATP. Se utiliza un enlace fosfato de alta energia del ATP y sc produce ADP. La reacciiin se acompana por una phrdida considerable de energia Eibre como calor y, par consiguiente, en condiciones fisiológicas, puede considerarse como irreversible. La hexocinasa es inhibida de modo alostérico por e1 producto glucosad-fosfato.
Glucosa + ATP
-
Glucosa-6-fosfato + ADP
x
que existe virtualmente en todas las J ~ i e n euna gran afinidad (K,, baja) por 't' su siistrato. laglucnsa. Su f u n c i ~ nconsiste en asegiirar $* el suministro dc glucosaa los tejidos, aiin en presencia q de concentraciones bajas de glucosa sanguínea, fusforilar lo cual mantiene un alto gradiente de cone e n t r a f i de glucosa entre la sangre y el medio intracelular. Actúa sobre ambos anómeros de la gii~cosa, el alfa y beta y puede también catalizar Ia fosforilación de otras hexosas, pero a una velocidad mucho menor que a la glucosa. La fiinciiin de la uelucocinasa cs la dc eliminar la glucosa de la sangre después de la ingestihn de alimentos. En cornparaci0n con la hexocinasa, ticne una Km alta para la glucosa y opera de modo dplimo en
Glucosa 1-fosfato CHz-O-
AfP
ADP tx- glucosa
(1- glucosa
6-fosfato
r+Fruciosa 6-fosfato
CINASA
~ F r u c t o s al,6-bisfosfato
EH,- O 4 C=O COO -
CINASA
Focfato de dihidroxiacetona
H-c=O H- C-OH
I
3
CH,-O-@ ATP
ADP
NAOH +H
+
NAD+ Gllceral-
1.3-bisfosfoglicerato
3-Fosfoglicerato
dehido
3-fosfatn Mitochondrial respiratory chain
FOSFOGLICERATOMUTASA
$00H-$-O-@ CHz0H
1
2-Fosfqlicerato
I
1I
I I
I
1
I
I
3ADP + p,
3ATP
Anaembiosi~ I
?O0 -
Fosfoenolpiruvato
Mg2+p;; $ -0-E)
Oxrdacibn en el ciclo del
CHI
plWvATo CINASA
CoOC
II
- DH
EspontAnea
I I I
I
I 1
I 1
I
I
I
q 1
t
acrdo cítrico l NADH+H+
$00-
I I
I
1 1
1
NAD'
$00 -
CH2
(Enol) piruvato
(Ceio) Piruvato
e),
L(+)-Lactato
Figura 19-2. Vía de la glucólisis - P O ~ ~ - ; PHQPQ~'-; ~, 0, inhibicibn *Los átomos de carbono 1 a 3 de bisfosfato de fructosa forman focfato de dihidroacetona, en tanto que los carbonos 4 a 6 forman gliceraldehido bfosfato El termino bis, como en bifosfato, indica que los grupos focfato están separados, en tanto que difosfato como en el difosfato de adenosina. indica que están juntos
concentracioriec dc glucosa sanguinea por arriba de loc 5 inmol/C (tigiim 2 1 -S). Es cstxcítica para la glucosa. I,a g1ucrisn4-frisfato es un compuesto irnportaiiic ~ L I Cti en el enironque de varias vías metabólicas (gl~icólisis.gluconeogénesis. v i n de la pentosafosfato. glucugérieiií y ~lucogenólisis).En la glucOlisis, cs cciiivcrtida a fiuctosa4-fosfato por la Frisfohexosa irornerssa, proceso que cainprcndc iina isomeriznción nldosa-cetosa. Shlo participa el anomero alfa de Ea glucosa4-losfato.
Ectn reacciiin e i scgiiida por otra focforilacibn con ATP, c:ilalitada por la eri7iina fnifofriictocinass (fosfofructocinasn-1) para prodiicir íiiiictosa 1.6-bisfosfato. I,a hifcifi.~ictocinas;ies otra cnziina inducibfe y alristérica, y se considera quc su actividad tiene uiia I'~ii1ciiinir~iportariteen la regulación de In velocidad de la gFuccilisis Tainbien la reacción de la fosfofructocinasa puede considerar~efiincionalmente irreversible cii cciiidiciones fisiológicas. D-Fructosa-6-fosfato + ATP -+ 0-Fructosa 1,6-bisfosfato
Ida fructoca 1 .(i-hisfoslato. es separada por la aldolasa (ftuctosa I .h-hisfc>sfato aldolasa) eii dos tricisahsfritos. cl zliceraldehído-3-fosfato y el fosfato de diliiclroxiacetonn.
actividad de la fo~fritrio~a isonierasa. el fosfato d e diliidroxiacetona es también oxidado ;i 1.3-bisfosfo~Iiceratopor 13 via dcE gliccraldchidn 3-fo~fato.
1,3-Bisfosfoglicerato + NADM + H'
La enziina que causa Iaoxidaci~n,gliceraIdehido-3fosfato dcsliidrogcnasa, depende del NAD'. Estruc-
tiiralmente consiste en cuatro polipéptidos identicos (rnonhmeros) que forman un terrhrnero. Se encueritran ciiiitro grupos -SH cn cada polipkptido, derivados dc los scsiduos de cisteina dentro de la cadena polipeplídica. Uno de estos grupos se localiza en el sitio activo dc la enziina (figura 19-3). Inicialmente, el sustrato se conibina con ese gmpi -SH, rominndo un tioliemiacctal qiie cs convertido en iin ester tiolico por oxidación: los hidrógenos removidos eii estaoxidacibn ce trancfiereii al NAD' unido a la enzii~ia.E1 NADH prtid~icidoen la eiizima no estiran íirnicincntc unido a clln como el NAD'. Eii consecuencia. el NADI Ies fácilmente desplazado por otra molécula de NAD'. Finalmente, se adiciona fosfato inorg5nicn (P,) mediante fosforolisis, formindose I,3-bisfosfnglicerato, y la en7ima libre, coi1 un grupo -SH rcctinstituido, .c-s La energia liberade durante la oxidacihn cs crinccrvada por la formación de un enlacc dc a ~ u f r cde alla cncrgía qiie se vuelve, despucis d c la rosforiilisis, uiz cnlacc i'isfato dc aIta energia en la posición I del I ,.3-bi~fosfnglicerato. Este fosfato de alta cncrgia cs capturado como ATP en una rcaccihn posterior con cl ADP, catali~adapor la fosfogliceratocinasa, desiando 3 fosfogliccrato. 1,3-Bisfosfoglicerato + ADP H 3-Fosfoglicerato + ATP
Fosfato de di hidroxiacetona
Sc hnii dcscrito diferentes aldola~asquc coiitienen
cuatro subiinidades. [,a aldciliisa A existe en la mayoría cle los te,jidoc 4. adcinis, la B se encuentra en el higado y el riñbti. I,oc fosfator; dc fructosa existen cn la célula principalinenle bajo la forma furanhsica, pero reaccionan coi1 la liisfohcxosa isomerasa, la fosfofructocinaca y la aldolasa en la configuracion de cadena abiertri. El gliceraldchida 3-fosfato y el fosfato de diIiidroxincetrin:i son interconvertidos por la enzima Fosfotriosa isomeraisa. O- Gliceraldehido 3-fosfato u
Puesto que se forman dos mol~culasd e triosafosfato por moléculas de glucosa que experimenta la glucolisis, en esta etapa se generan dos moléculac de ATP por molécula de glucosa, un e-jempl de fusrorilación "a nivel del sustrato". Si hay arscninto, competirá con el fosfato inorganico (P,) en las reacciones anteriores para prod~icir I -atscno-3-fosfoglicerato, que se hidroli7a en fnrniri espontanea para dar 3-fosfoglicerrito y calor, sin gcnerar ATP. Este es uri importante e.jeinplo dc IR propiedad del nrseniato para IIcvar a cabo el desacoplamiento de la ovidacihn y la Cosforílacibn. C1 3-fosfoglicerato que proviene de la5 reaccicincs anteriores, es convertidoen 2-fol;fogliceratopor la eninia fosfogliceratom~itasa.Es probable que el 7.3-bi~fr,sloglicerato (difosfoglicerato, L K P , en inglis, diphu,vpho~/yccvwie)sea un intermediario en esta seaccibi~.
Fosfato de dihidroxiacetona I,a yliicOli5i~prosigue por la oxidacihn del gliceraldeIiido 3-fosfato cn 1.3-bisfosfoglicerato y, debido a la
E1 piso siguiente es catatizado por la enolasa e iinplica unadeshidratacioi~y redistrihución de la energia
I
H-C-OH t
CH~O-Q
i
Gliceraldehido 3,fosfato
7
..
7
Complejo enzima-sustrato
Oxidación del sustrato por
I
H - C - OH I
Intermediario rico en energia
Figura 19-3. Mecanismo de oxidacrón del gliceraldehido 3-fosfato. (Enz, gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa ) La enzima es inhibida por el yodoacetato, que es un veneno para el -SH, el cual de esta manera es capaz de inhibir la glucólisis
dei~trode la niolécula. lo cual eleva el fosfato de la posiciiin dos al estado dc alta energía, formándose así eE fosfocnolpiriivato. La enolasa cs inhibidri por C] flririruro, iina propiedad que puede usarse cualido se ncccsite impedir la glucólisis antes de calcular la gllicosa sangvinca. La eaizilna depende tambicn de la prcsencia de Mg2'o de Mnn+.
anaerobias, se eviia la reoxidacibn del N A U H mediante la transferencia de equivalentcs rcductores a través de la cadena respiratoria liasta el oxigeno. El pirtivato es reducida por el NADH hasta lactato. en una reaccibn catalizada por I n en7ima lactato deshidrogenasa. se han encontrado varias isoziinac de esta y iicnen importancia clínica (capitulo 8).
2-Fosfoglicerato t,Fosfoenolpiruvato + H20
Piruvato + NADH + H' ++ L(+)-Lactato + NAD'
El fosfato dc alta energía del fosfoenolpíruvato es transfcrido al A D P por la enzima piruvato cinasa, para generar en este estadio dos moléculas de ATP por inolécula de glucosa oxidada. En enolpiriivrtto que se forina eii csta reacciiin cs convertido cspontkneamentc a la forina ceto del piruvato. Esta es otra reacción sin equilibrio que se acompaña de una pérdida considerable de energía libre en forma de calor y debe considerarse fisi<ilhgicainente irreversible. Fosfoenolpiruvato + ADP t Piruvato + ATP L'! estado redax dcl tejido determina ahora riifil de las dos vias se debe seguir. Si prevalecen las condiciones
La reoxidación del NADlI, por la via de la formación de lactato, permite que la gluc0lisis prosiga en auscncia de oxigeno al regenerar suficiente NAD' para otro ciclo dc la reacción calalizada por la gliceraldchído3-Tosfato deshidrogenasa. En condiciones aerobias, el piruvato se lleva al interior de las mitocondrias y, antes de su conversión en acetil-COA, se le oxida a CQ2 en el ciclo del ácido cítrico. Los equivalentcs reductores a partir de NADH - H- quc se forman en la gluc6lisis se introducen a las rnitocondrias por medio de 1 de las 2 lanzaderas que cc describen en el capitulo 14.
2 ¡S
Bruquimrca de Hrrrper
Tejidos que funcionan en circunstancias hipóxicas tienden a producir lactato (figura 19-2) Esto e5 particularmente cierto en el rnusculo csqueIético, donde la velocidad de trabajo del órgano IIO e s t i limitada por su capacidad de oxigenaci6n. Las cantidades adicionales dc lnctato producidas piiedcn ser determinadas eii los tejidos y en la sangre y la orina. Laglucólisis en los eritrocitos, aun en condiciones aerobias, termina siempre en lactato porque la ~nitocondria,que contiene la maquinaria enzirnhtica para la oxidación aerobia del piruvato no esta presente. El eritrocito de mamiferos es único en el sentido de qiie 90% de su necesidad total de energia es sumfnistrada por la gluc0lisis. Ademhs de las fibras blancas del niiisculo esqueletico, músculo liso y eritrocitos, otros te¡idos que nortnalrnente derivan la mayor parte de SLI cncrgia a partir de la glucólisis y producen Iactato, incluyen al cerebro, el conducto gastrointestinal, la in6diila renal. la retina y la piel. El hígado, riñones y corazón por lo general captan el lactato, pcro In producen shln en condiciones de hipoxia.
La glucólisis se regula en tres pasos que implican ecuaciones no equilibradas Aunque la mayoría de las reacciones glucolíticas son reversibler, tres de ellas son marcadamente exergbnic a i y, por tanto, deben considerarse fisiológicamente irrever5ibles. Estas reacciones con catalizadas por la herocinasa (y la glucocinasa), la fosfofructocinasa y el piritvato cinasa y son los principales sitios de regulación de la gluc6lisis. Las cClulas que son capaces de efectuar un movimiento total de metabolitos en la direccion de la síntesis de la vía glucolitica (gluconeogénesis) lo hacen debido a la presencia de diferentes sistemas enzimáticos, los cuales proporcionan rutas alternas de las reacciones irreversibles catalizadas por las enzimas mencionadas. Estas, junto con !a re&<?cidn dt. la g~ucóiisS,se e.~tua'ia;lnal tratar la regulación de la gluceneogknesis cn el capitiilo 2 1.
En los eritrocitos, puede suprimirse el segundo sitia de glucólisis para generación de ATP E n los eritrocitos d e numerosas especies d e mamiferos, el paco catalizado por la fosfoglicerato cinasa. puede ser desviado por un proceso que disipa eficazmente, en forma de calor, la energía libre relacionada con el fosfato de alta energía del 1,3-bicfos-
(Capítulo I9j
H-c=O
t---Glucosa
I
H-C-OH
JNjADH + H'
ADP.
T
coo-
700H-C-OH
L--
+ Piruvato
Figura 1 9 4 . Ciclo del 2,3-b1sfosfoglFceratoen loseritrocitos.
foglicemto (figura 194). Una enzima adiciona!, !a bisfosfoglicerato mutasa, cataliza la convcrsfdn dcl 1,3-bisfosfoglicerato a 2,3-bisfosfoglicerato. El último es convertido en 3-fosfoglicerato par la 2,3bisfosfogliceratofosfatasa, actividad que tambien se atribuye a la fo.~fogliceer;ifurnuktsa. Lr7 p é d i d s de un fosfato de alta energía, Indicadora de que no hay produccihn neta de ATP cuando la gluchlisis toma esta vía, puede ser vent,josa para la economía del eritrocito, ya que permitiría que la glucólisis continuara cuando la necesidad de ATP fuera mínima. Sin embargo, el 2,;-bisfosfoglicerato, que se encuentra en concentracibn elevada, se combina con la hemoglobina, causando una disminucibn de la afinidad por el oxigeno y un desplazamiento hacia la derecha de la curva de disociación de la oxihemoglobina. Asi, su presencia en los eritrocitos ayuda a la oxihemoglobina a descargar oxigeno (capitulo 7 ) .
LA OXIDACIÓN DE PIRUVATO A ACETIL-CoA ES LA V ~ A IRREVERSIBLE DE LA GLUCOLISIS AL CICLO DEL ÁCIDO C~TRICO Aiitcs dc quc cl piriivato pueda entrar en el ciclo del acidocitricci debc Ilcvarsc al interior de lamitocondria 1.13 iin transportador especial de piruvato que a) uda a su paso a través de la membrana mitocondrial interna. E.itci crlmprcnde un mecanisnio simportador q ~ c c o t r i n ~ p o riin t a proton (figura 14-1 2). Dentro de la iiiitocondria, el piruvato es descarboxilado por oxirlaciiin a a c e t i l 4 o A . Varias enzima5 catalizan esta rc,i~cicin nperarido secuencialmente en 1111 comple-jo riiultieiiziinático. Se lec designa de manera colectiva coino cl cornple,jo piriivato deshidrogenasa y son ,iiialogas al comple.io de la alfa-cetoglutarato dcsliitlrogenasa del ciclo del hcido cítrico (figiira 18-3). t:l pirutato es descarboxilado por Ia piruvato dcshidrogenasa, componente del complejo de la en7inia ii un dcrivado hidroxietilico del anilla tiazhlico del riifosfatn de tiamina unido a la enzima, que a su veL i~accionacon la lipoamida oxidada, el grupo prnsiiiico dc l a riihidrolipolil transacetilasa, para formar ,icciil-liponrnida (figura 19-5). La tiamina es un imporiantc miembro del complc,jo de vitamina B (capitulo 52). EI aceti 1-Tipoamida reacciona con la cticnrinia A formando acetil-CoA y lipoamida rediicido. E1 ciclo de reacción se complcta ciiando el uliimo cs reoxidado por iina flavoprotcina conteniendo FAD. eii presencia de dihidrolipoil deshidrogenasa. rinnlmcnte, la flavoproteina reducida cs oxidada por cl NAD-, cI que a su ve7 transfiere equivalentes rediictores a la cadena respiratoria. Piruvato + NAD' + COA 4
Acetil-Cok + NADH + H'
+ CO2
CI coniplejo piruvato hidrogenasa consiste en cierto riiiinero de cadenas polipeptidicas de cada una de las tres en7imas componentes, organizadas en una config~iración espacial regular. El movimiento de las enzimas individuales parcce ser restringido y los intermediarios inctabiilicos no se disocian libremente, cino que permanecen unidas a las enzirnas. Tal complejo enzimatico, en donde los sustratos se manejan dc una enzima a la siguiente, incrementa la velocidad de reaccion y elimina reacciones secundarias, lo que eleva la eficiencia global. k.s de notarse que el sistema piruvato deshidrogenasa es suficientemente elecíronegativo con respecto a la cadena respiratoria que, además de generar tina coenzima reducida (NADH), tambien genera un cnlace tioester de alta energia en la acetilXoA.
La piruvato deshidrogenasa se regula mediante la inhibición por el producto final y la modificación covalente La piruvato deshidrogenasa cc inliiblda por siis productos. acetilCoA y N A D H (figura 1 9 4 ) Tamhibn Fe regula mediante la fosforilaciún de tres recidiios de serina dcl componente piruvato desl-iidrogcnasa del compleio multienzima con participacihii de una cinaa especifica de A'ff', la cual disminuye la actividad, y por medio de la fo~forilacionpor iina fosfiitasa quc iiicrtnientn la actividad de la deshidrogeriasa. La cinasa se activa cuando aumeiitan las proporciones de [acetil4oA]ilCoA], pADH]rmAD'l o [ATP]/[ADP]. Por tanto, la piruvaio dcshidrogenasa y, del mismo modo, la glucólisis se iiihiben no shlnpor un potencial energético eievado, sino también bajo condiciones de oxidación de acidos grasos, quc incrementan estas proporciones. Así, en la inanicihn, cuando se increnienta la concentración dc icidos graso5 libres. di+ rninuye la proporcihn dc Ia cnzima en la forma activa lo que ahorra carbohidratos. Un aumento en la actividad en el tejido adiposo ocurrc dcspiiks de la administración de insulina, pero no en el Iiigndo.
La oxidación de la glucosa produce hasta 38 moles de ATP en condiciones aerobias, pero sólo dos cuando no hay oxígeno Cuando un m01 de glucosa es qucmado e n un calorímetro hasta CO? y agua, se liberan aproximadamente 2780 kJ como calor. Cuando la oxidacion tiene lugar en los tejidos, algo de esta energia no se pierde inmediatamente como calor, sino quc cs "capturada" en enlaces fosfato de alta energía. Aprouimadamcnie 38 moles de A'TP son generados por molécula de glucosa oxidada hnsia CO? 4 agua. In vivo. se ha calculado que el AG para la reacción de la sintesis de ATP es de aproxiinadamente de 5 F . 6 kJ. Se asume que la energia total capturada en forma de A'I'P por las moleculas de glucosa oxidada es de 1961 kJ, o cerca de 68% de la energia de combustión. La mayor parte del ATP se produce como consecuencia de la fosforilación oxidativa resultantc de la reoxidación por la cadena respiratoria de las coenzimas reducidas. El resto es generado por fosCoriIacih a "nive1 de sustrato" (capítulo 14). En el cuadro 19-1 se muestran las reacciones responsablps de la forinacicín de fosfato de alta energia durante la oxidación de la glucosa y la producción total cn condiciones acrobias y anacrubias.
Figura 19-5. Descarboxilacion oxidativa por el complejo piruvato deshidrogenasa El acido Iipoico esta unido mediante un enlace amida al residuo de Iisina del componente transacetilasa del complejo enzimatico. Forma un brazo largo y flexible, permitiendo que el grupo prostetico del Acido Iipoico gire secuencialmente entre el sitio activo de cada una de la$ entimas del complejo (NADt. dinucleotido de adenina y nicotinamida, FAD, dinuclebtido de flavina y adenina. TDP, difosfato de tiamina.)
ASPECTOS CL~NICOS
La inhibición del metabolismo del piruvato produce acidosis Iáctica Los iones arsenito o mercuricos forman complejos con los grupos -SH del ácido lipoico e inl~ibena la piruvato deshidrogenasa, del mismo modo que una dcftcicncia diet4tica de tiamina, la cual permite la acurnulaciiin de piruvato. Los alcoh6licos privados de
aliinei~iostienen deficiencia de tiamina por lo que. cuando reciben glucosa, muestran una acumulacion ripida de piruvato y acidosis lactica, que con frecuencia es mortal. Por su parte, los pacientes con carencia hereditaria de piruvato deshidrogenasa, que puede deberse a defectos en uno o más de los componentes del complejo de la enzima, se preseiitan con una acidosis lactica similar, en especial después de una carga de glucosa. En virtud de su dcpeiidencia de este carbohidrato como combustible, cl ccrebro es uti tejido relevante para que este defecto metabblico se manifieste en trastornos neurol6gicos.
i-i-1
[ A~etil-COA]
!COA]
NADH + H+
W I
[NADH] [NAD']
[Aopl
M~''
PDH-a
fOESFOSF0-ENZIMA activa)
1
PDHFOSFATASA
M ~ ' +ca3+ .
1
\
Insulina
(en el tejido adrposo)
Figura 1 9 4 . Regulacion de la piruvato deshidrogenasa (PDH) Las flechas onduladas indican afectos alost8ricos. A: Regulación por inhibición d e producto final B: Regulación por interconverción de formas activa e inactiva
Se Fabe de mutaciones de virtualmente todas las enzimas del metabolismo de carbohidratos, cada una de el las relacionada con enfermedades Iiumanas. La deficiencia hereditaria de aldolasa A y de piruvato cinaFa en los eritrocitos causa anemia hemolítica. La capacidad de esfuerzo de los pacientes con deficiencia muscular dc frisfofriictocinasa es baja, en particiilar con dietas ricas en carbohidratos. Proporcionar iin coinbustible lipidico alterno. por ejemplo, durante iriaiiicihn. ciian'do hcida'; gmsos y cuerpos cetonicos auincntaii, inejora la capacidad para el trabajo.
RESUMEN 1) Ln glucolisis es la via para el metabolismo de
-rlucosa (o gliicbgeno) a piruvata y lactato, la cual
se efectúa en el ciiosol de todas las celulas de mamíferos. 2) Funciona de manera anaerobia mediante la regeneración del NAD' necesario en la reaccion de gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa, por acoplamiento de csta reacción a la reduccihn de piruvato a lactato. 3) El lactato es cl producto final de la glucolisis anaerobia(por ejemplo, en el músculo en ejercicio) o cuando la maquinaria inetabhlica no existe para oxidacion ulteriw del pituvato (comoen los eritrocitoc). 4) La glucolisis se regula por tres enzirnas qiie catalizan reacciones sin equilibrio, a saber, hexocinasa (o glucocinasa), fosfofiuctocinasa y pinivato cinasa. 5) En los eritrocitos, el segunda sitio donde se lleva a cabo la gluciilisis para producir ATP, puedc ser
222
(Capitulo 19)
Binquimfca de Harper
-
Cuadro 19-1. Generacibn de fosfato de alta energía en el catabolismn de la glucosa ción d e 4
acci6n cat
Gliceralaeniao-.+-tosrato deshiidrogenasa
rcspiratoria osforilacion ;iE nivel cle1 sirstrato osforilación al nivel cle1 sustrato
Fosfogliscerato cina Piruvato cinasa
Cantidad de ATP consumida por reacciones catalizadas por la hexocinasa y la fosfofructacinasa
clo del ido
Qxidacibn de 2 NADH en la cade rcspirato,ria Oxidacibn dc 2 NADH. en la cade respira10 0ixidacihn de 2 NADH: en la cadc licL respiratoria ixidacibn al nivel del sustrato . . ixidaciiin de 2 FADH2 en la cadena respiratolria ixidación de 2 NADH: en la cade
deshidrogi
rico
iglutmato r
nasa
o tiocinasa . ... Malato cleshidroger
-
-
respiratosria
,,S
Totai por moiecuia ae glucosa eti condiciones aerobias
Tc)tal por moslkculas de glucosa en condiciont -- Ia glucblisis St- c,urirs -.. el NADH
-
c---.l-
,
6
2 4
4
Total 30
,*"A""
as
-
las rnitocandiim ~ J IiiicJio de la l a n ~ ~ suci ai ~ a l a t o(figura 14-16) Si se emplea la lanzadera de glicerofosFato s61o podrian formarse 2 - P por mo1 de NADE1, siendo ent nnces la producción ñetrI total de 36 en lugar de 38 El calculo ignora la pequeiia perdida de ATP debido al transporte de H N con piruvato hacia la niitocondria ) un transporte semejante de H' en la operacibn de la lanzadera de malato, lo cual totali ra aproximridamente 1 rno1 del ATP'. Nótese qur que l a prodiicci6n total 43e fosfato dr hay un beneficio sustancial en condiciones anacrobiaf SI el glucbgeno es el punto de Iinicio, dado .. . . . alta cnergil en la glucíilisis se eleve de 2 a 3, puesto que e l ATP ya no se necesita para la reaccibn de hexocinaa. que
iiiiiiiiuiii c i i
tado hacia
L> L I ~ I W ~ U ~
esquivado, lo cual conduce a la formacibn de 2,3bisfosfoglicerato, importante para disminuir la afinidad de la hemoglobina por 0 2 . 6 ) El piruvato es oxidado a acetilXoA por un complejo multienzimatico conocido como piruvato
deshidrogenasa que depende del cofactor vitarnínico difosfato de tiamina. 7) Los trastornos que implican una incapacidad para metabolizar pimvato con frecuencia conducen a acidosis Iáctica.
REFERENCIAS Behal RH et al.: Regulation of the pyruvate dehydrogenase multienzyme complex. Annu Rev Nutr 1993; 13:497. Boiteux, A, Hess B: Design of glycolysis. Phil T m s R Soc London R 1981;293:5. Boyer PD (editor): The E v m e s , 3rd ed. Vols 5-9. Academic Press, 1972. Fothergill-Gilmore LA: The evolution of the glycolytic pathway. Trends Biochem Sci 1986; 1E :47. Randle PJ, Steiner DF, Whelan W J (editors): Carbohdrate 1Metabolism and lts Dnsorders Val 3 . Academic Press, t 9R t .
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El glucaghn es la principal forma de almacenaje de carbohidratos en los animales y corresponde al almidón de las plantas. Se encuentra en proporcibn mayor en el hígado (hasta 6%) y en el musculo, donde rara vez excede de 1 por ciento. Sin embargo, debido a su masa mayor, el músculo almacena 3 a 4 veces la cantidad de gluciigeno que tiene el hígado como reserva (cuadro 20-1). Al igual que el almidón, es un polimero ramificado de alfa-D-glucosa (figura 15-1 5).
El glucógeno muscular funciona como fuente de fácil disponibilidad de unidades d e hexosa para la glucblisis dentro del propio musculo. El glucógeno hepatico sirve en gran medida para exportar unidades de htxosa para la conservación de la glucosa sanguinea, en particular entre comidas. Despuds de 12 a 18 horas de ayuno, el higado casi agota su reserva de
dro 20-1. Almacenamiento de carbohidsatos II ser humano adulto normal (70 kg), después
glucógeno. Por su parte, el glucógeno muscular s61o disminuye de manera significativa después de un qjercicio vigoroso prolongado. Las enfermedades por almacenamiento de glucógeno son un grupo de trastomos hereditarios caracterizados por la deficiente movili7ación de glucógeno o por la deposicibn de formas de glucógeno anormales, originando debilidad muscular o, inclubo, la muerte.
LA GLUCOGENESIS SE PRESENTA PRINCIPALMENTE EN MÚSCULO E HIGADO La vía de biosíntesis del glucógeno utiliza un nucleótido de glucosa especial (figura 20-1) La glucosa es fosforilada a glucosa-6-fosfato, una reaccihn que es comun para la primera reacción en la vía de glucblisis a partir de la glucosa. Esta reacción es catalizada en el rnúscuto por la hexocinasa, y en el liigado por la glucocinasa. La glucosa-6-fosfato es convertida en glucosa-l -fosfato en una r e a c c i ~ nque catafiza la enzima fosfoglucomutasa. La enzima misma está fosforilada y cl gmpo fosf~ricoparticipa en una reacción reversible en la cual la glucosa-1,6bisfosfato es un intermediario.
Glucógeno hepi (ilucúgtno mus Glucosa extrace --..-m
i
del hlgado,
a muscular. 33 ~ g . imen total, 10 L.
En seguida, la glucosa-1-fosfato reacciona con el ,rifosfato de uridina (UTP, de1 ingles, uridine briphos-
Gjucbgeno (Unidades glucos~lo1
(Unidades glucosilo 1 +4),
4 y 1+6)
Insulina I
t
"Glucogeno
1 0 I
primordial"
Glucagon Adrenalina D~fosfato de uridina y glucosa
A la vla del Bcido v r 6 n i c ~
Glucosa liberada por la enzima desramificante
UDPW PPIROFO~~JFORIMSA,~
2 PI
Tnfosfato de uridina (UTP)
\
u
Glucosa-1 -fosfato
-
Glucosa-6-fosfate
To alyc0Wsis and mntoss bhmphaie pathway
CINAJA ATP
Glucosa
Figura 20-1. Vía de la glucog4nesis y glucogenblisis en el higado. Se emplean dos enlaces fosfato de alta energía en la incorporacion de 1 mol de glucosa al glucbgeno 0 , estimulacion, inhibición La insulina reduce la concentración de cAMP s61o después de que el glucagón o la adrenalina la han elevado, es decir. antagoniza su accibn El glucagon es activo en el músculo cardiaco pero no en el músculo esquelético. Al parecer, la glucanotransferaca y la desramificación son dos actividades separadas de la misma enzima.
e;
phcrrc) para formar el nucleótido a c t i v o difosfato de gliicosa de tiridina (UDPGlc, del inglés, uridine ~liphmphutepltrrn.re)* (figura 20-2).
La reacción entre l a glucosa-1-fosfato y el trifosfato de uridina es catalizada por la enzima UDPGIc pirofosforilasa.
UJP + Glucosa-1-fosfato
* hbc conoccii otros compuestos de ~iiiclc~sidos de dií'nsfatos <le wucares. por cjernplo el UDPGal. Además, CI mismo
sriicar pucdc citar unido a diferentes nuclchtidiir Por cjcinplo. la glucosa puede enlazarse a los nuclcótidos de iiridina (cumu se muestra desput's), asi como a Iris de guatiosina. tiinidinn. adcnosina o citidina.
c-, UDPGIC+
PPi
La consiguiente hidrblisis del p i r o f o s f a t o inorzanico por la pirofosfiitasa inorganica impulsa la reacción la derecha la Gracias a la acción de la enzima gluchgeno sinta-9 el C I de la g l u c ~ s aa c t i v a d a de la UnPGlc forma un enlace glucosidico c o n e l C4 d e l residuo
En el mecanismo de ramificación hay desprendimiento de cadenas de glucógeno existentes O
L,a adición de un residuo de glucosa a una cadena previa de gluc6geiio o molkcula primordial tiene lugar eii el extremo externo no reductor de la molécula. de manera que las "rainas" dcl "árbol" de glucógerio se vayan alargando conforme se constitiiycn otroc enlaces 1 +4 (figura 20-3). Cuando la cadena se ha alargado como minimo a 1 I residiios d e glucosa, una segunda enzima. la enzima ramificante ([1+41=tl l k 6 ) amilotransgliicosidasa), transtiere tina parte de la cadena 1 4 4 (longitud rnfnima de seis residuos cfc glucosa) a una cadena vecina, para formar un enIace 1- 6, estableciendo de este niodo un punto de ramificación en la molécula. Las ramas crcceii por inis adiciones de unidades glucosilo 1 +4 con ramificacihn posterior. Ciiando el número de residuos terininales no redrictores aumenta, la cantidad total de ciclos reactivos en lamcil~ciilaF e eleva, lo cual acelera taiito la glucogCiiesis como 13 glucogen<ilisic.
I
---HO
Glucrisa
Cifosfato
Ribosa
OH
Uridina
Figura 20-2. Difosfato de glucosa de uridina (UDPGlc)
teriiiin;il de glucosa dcl glucogeno, liberando difosfato dc uridina (llDP). Debe haber una molécula preexisterite d e glucógeno o gluchgeno primordial para iniciar esta reacción. Ida molécula priinordial dc gliicrjgeno puede a su ycz haberse formado de una ~iroteinaconocida como glicogenina. UDPGlc
* (CE.1"
t
glucogeno
LA GLUCOGEN~LISISN 0 ES LA INVERSA DE LA GLUCOGENES~S
UOP + (Cs)n+i
glucogeno
SINO UNA V ~ ASEPARADA En la via de degradación interviene un mecanismo de desramificación (figura 20-1 )
Ln ~l,liicogeriiriaes una prntcina de 37 kDa qiie se glucohila sobre iin residuo especifico de timsina medinnte UDPGlc. Otros rcciduos adicionales deglucosa se adhiere11en la pocicibn 1 4 4 para hacer una cadena corta cpe se activa For la gluc6geno sintasa. En el iiiúsciilo esqueletico, la glucogenina pcrmancce adIierida en el centro de la molécula de glucógeno (figura 15-5 j, ~nicntiasqtic en el higado, el numero de moléculas tic :I~ic6gcnci supcra al de glucogenina.
O Residuos de glumsa no marcado OK3 Enlace glucosidico l+6
..
Es el paso catalizado pos In fosforilasa, que es liinitante de la velocidad en la glucogenhlisis: (C8)n +
Pr
+
glucogeno
, , .
CC'
(C&-1
+ Glucosa-1-fosfato
glucogeno
1
/
~~~-~lucosa adicionada
Figura 20-3. Biosintesis del glucogeno El mecanismo de la ramificación puede observarse por adición de glucosa marcada con C" a la dieta en animales vivos y examinando el glucbgeno hephtiw en posteriores intewalos
Esta enzima es especifica para la degradacion fosforolítica (fosforólisis confrontese hidrólisic) de Ios enlaces 1 4del glucbgeno para producir glucosa-l -fosIaro. Los residuos glucosilo de las cadenas más externas de la inolécula del glucógeno son separadas hasta qiie nihs o mcnns cuatro residuos de glucosa permanecen en cualquier lado de una rama 1 4 6 (figura 2 0 4 ) . Otra enzima (alfa-1 I +4]-+aIfa-[1-+4] glucano transferasa) transfiere una unidad trisachrida de una rama a la otra. exponiendo los puntos f+6 de la rama. La escisibn hidrnliticii de estos últimos enlaces requiere la acción de una enzima desramificante Q[1+61amilogliicosidasa). Con la eliminacion de la rama, pi~edeproseguir la accfiin de Ia fosforilasa. La accihn combiiiada dc la fosforilasa y de estas otras enzimas conduce a la degradación completa del gIucbgeno. La reacción catali7.ada por la fosfoglucomutasa e5 reversi hle, de modo quc puede formarse glucosa-h-fosfato a partir de la glucosa-l-fosfato. En e1 hígado y e1 riñiin (pero tio en el míisculo), hay una enzima específica, la glucosa-ti-fosfatasa, que rctira cl fosfato de la glucosa-6-fosfato, permitiendo que la glucosa libre difiinda de fa cklula a la sangre. Éste es el paso final de l a glucogenolisis hepática, la cual se refiqja en la elevación de fa glucosa canguinea.
EL AMP C~CLICOINTEGRA LA REGULACIÓN DE GLUCOGENOLIS~S Y GLUCOGÉNESIS Las principales enzimasqlic controlan el metabolismo del glucógeno -gluccigcno fosforilasa y glucógeno sintasa- están controIadas a sti vez por una serie compleja de reacciones que comprenden mecanismos alostéricos y modificaciones cova~entesdebidos a la fosforilacibn y desfosforilación reversible de la proteína enzimatica (capítulo 1 1). Muchas modificaciones covalcntes se deben a la acción del cAM P (ácido 3',5' -adenilico cidico; AMP cíclico) (figura 20-5). El cAMP es el compuesto intermediario intraccluIar o segundo rncnsajero, a travbs del cual actúan numerosas hormonas. Proviene dcl ATP mediante Ia acción de la enzima adenilato ciclasa, que se encuentra en la superficie interna de las membranas celulares. La adenilato ciclasa es activada por hormonas como la adrenalina y la noradrenalina que actúan a travCs de receptores beta adrenérgicos en la membrana ccEular y en el higado por medio de! glucagdn, que actúa a traves de un independiente receptor de glucaghn. E1 cAMF es destruido por una fosfodiesterasa y la actividad de esta enzima es la que, por lo c o m h , conserva baja la concentracihn de cAMP. Se sabc que la insulina incrementa su actividad en el liigado, disminuyendo por tanto la concentración de cAMP.
La fosforilasa hepática es diferente a la muscular En el higadn, la enzima existe en tanto en la forma activa como en Ia inactiva. L a fosforilasa activa (fosforilasa a) tiene uno de sus grupos hidroxiIo de seriiia fosforilado en un enlace éster. Con Ia acción de una fosfatasa especifica (proteína fosfatasa-ll ), la enzima es
cosa por enlaces glucosidi-
cos 1+4 Unibnde residuos de glucosa por enlaces glucosldicos 1+6
Figura 2 0 4 . Pasos en la glucogenólisis
Figura 2 0 6 . Ácido 3',5'-adenilico (AMP ciclico; cAMP).
Metabolismo di!¡g/i:cb,yyno
inactiv~daa fosforilasa b en una reacción que comprende In cliiiiinacion hidrolitica del residuo de serina. La rcaciivacion requiere una nueva fosforilaci6n con A 1'1' y u n a enzima especifica, la fosforilasa cinasa. 1.a f<isSorilasa muscular es inrnunol~gicay genéticainente distinta a la dcl hígado. Existe en dos formas: fosfiirilasa a, la cual esta fosforilada y es activa en precencia o en ausencia de A M P (su rriodificador alosterico) y la fosforilasa h, la cual esta desfosforilada 4 es activa solo en presencia del AMP. Esto ocurre diirante ejercicio cuando laconcentracibn dc cAM P aumenta, mecanismo que proporciona combiistiblc al músculo. L,a fosforilasa a es la forma activa Iisiolhgicamente normal de la enxima.
El cAMP activa la fosforilasa muscular I .a fcisforilasa en el músculo es activada por la adreiialiiia (lisura 20-6). Sin embargo, esto ciicede no conio u11 cfccto directo cine por medio de la accion del cAMP. EI increinento en la concentraci6n del cA M 1' activa a iina enzima con especificidad amplia, la proteína cinasa dependiente de cAMP. Esta cinasa catali7a la foshrilación por el ATP de la fosforilasa cinasa b inact ¡va a la fosforilasa cinasa a activa, lacual, a SLI vez, por conducto de una fosforilacibn posterior. activü a la t'osforilasa b a fosforilasa a. La proteína cinasa inactiva depeiidiente de cAMP esti ctinslituida por dos partes de subunidades, cada par formado de una subunidad reguladora (R), que fija 2 moleculas de cAMP y una subunidad catalitica (C), que contiene cl sitio activo. La combinacihn con el cAM13 hacc que el cornple+joR2C2 se disocie, liberando los inonómeros C activos. R2C2 + 4cAMP o 2C + 2(R<AMPz) Enzima Enzima
inactiva
activa
El Ca2+sincroniza la activación de la fosforilasa para iniciar la contracción muscular La glucogenólisis aumenta cn el mucculo varios cientos de veces inmedia~amentedespués del comienzo de la ~nnlraccibn.Esto comprende la activación rhpida de la fosforilasa, caiisada por la activación de la fosforilasa c i n a ~ apor el Caz+, la misma sefía1 que inicia la contracción. La fosforilasa cinasa muscular tiene cuatro tipos de subunidades: alfa, beta, gamma y deIta en una estructura represcntada como (apyG)4. [,as subunidades alfa y beta contienen residuos de scrinn que son fosforilados por la proteina cinasa
22 7
dependiente de cAMP. La subunidad beta fija 4 Ca" y es identica a Ia pmtcina ,¡adora dc Caz+. la calmodulina {capítulo 44). La fijación del Ca2' activa el sitio cataIitico de la subunidad garnma en tanto que la molécula permanece en la configuracicin b desfnsforilada. Sin embargo, la f ~ m a fosforilada sólo es activada por completo en presencia de Caz'. Es un hecho significativo que la calmodulinn sea analoga cn estructura a la 'lpC. la proteina .jadora de Cal' en el mlisculo. Una segunda molecula de ca!modulina o dc TpC puede interactuar con la fosforilasa cinasa, aumentando la nctivacibn. Por tanto, la activaciiin de la contraccibn muscular y de la glucogcn6lisis son realizadas por la misma proteina tijadora de Caz-, 10 cual asegura su sincronizacidn.
La glucogenólisis en el hígado puede ser independiente del cAMP AdemBs de la importante accihn del gIucag6n en la formacibn del cAMP y en la activacion de la fosforilasa hepática, los csiudios han mostrado que los receptores alfa, son los principales mediadores de la estimulaci6n de las catecolaminas en la glucogenolisic. Esto implica una movili;r,acibn de Ca2-, independiente del cAMP, de las mitocondrias al citosol, segiiida por la estimulacion de una fnsforilasa cinasa sensible a Ca2t/ca1modulina. La gliicogenólisis independiente de cAMP es causada tambidn por la vasopresina, la oxitocina y la angiotensina 11 que acíiian a travds del calcio o de la via del bisfosrato de fosfatidilinositol (figura 44-7).
La inactivación de la fosforilasa es efectuada por la proteina fosfatasa-í Tanto la fosforilasa a como la fosfori lasa ciiiasa a son desfosforiladas e inactivadas por la proteína fnsfatasa-l. Esta ultima es inhihida por una proteina denominada inhihidor-l, el cual es aclivo siilo después de que ha sido fosforilado por una proteina cinasa dependiente de cAMP. Por tanto, el cAM13 controla tanto la activación como la inactivacibn d e la fasforilasa (figura 2 0 4 ) .
La actividad de la glric0geno sintasa y de la fosforilasa se regula de manera recíproca (figura 20-7) AI igual que la fosforilasa, la glucógeno sintasa existe en estado fosforilado y no fosforilado. Sin embargo, al contrario de la primera, la fbrma activa está desfosforilada (gliicógeno sintasa a) y puede ser inactivada a gliiciigeno sintasa b mediante la l'osforilaci6n en siete residuos de scrina por no metios dc
Adrenalina Receptor p
Adenilato
Adenilato ciclasa
clclasa inactiva
activa
Glu~&geno(~+i]
FQSFODIESTERAJA ATP
Figura 20-6. Control d (n = numero de
r-
CAMP
c 5'-AMP
1
La secuencia de reacciones ordenadas corno una cascada permite la amplificaci贸n de la se铆ial hormonal en cada paso
~ c i cproteina cinasas difcrcntcs. Los siete sitios dc fosfori laciijn ecthri coriten idos eii cada 1 de 4 subunitladts idkilticas. Dos de las proteína cinasas son depeiidientes de Caz-'calmodulina (una de estas es Ea frisforilasa cinasa). Otra c i In prolcliia ciiiasa depend i c i ~ t edc cAMP. que permite la accioli honnonal mediada por cAM13,de iiiliibir la síntesis de glucogeno dc inodo siiicronizado con la activación de la glucosenniisis. [ , a 5 cinasas rcstnntcs son conocidas como gliicogeno sintnsa cinasa-3, -4 y -5. La glucosa-ú-iosI';iio cs ti11 aclivador alostérico de la glucbgenci sintasa li. que C¿ILIWLIII~ wduccihn en Ia Klllpara la UDP-glucoca y que permite lii síntesis dcl gluctigeno por la cn~ii-tial i i s h i ilada. E l g l u c ~ g e n otatnbien e-jeerce una iiihibición sobre su propia forniacibii, y la insulina t;irnbi&i-i estiinula la ~ i n t e ~ de i s gluchgcno en cl iníisculo, al proinover la de~fosforiIaciiiri y activaciiin de Iri glucbgeiici sintasa b. Por lo general, la decfosfo-
rilacion de la glucOgeno sintasa b se efectUa por la acciiin de la proteina fosfatasa- 1 , la cual estd Iiajo el coritrol de la proteina cinasa dependicntc dc c A M I '
(tigura 20-7).
EL EQUILIBRIO DE LAS ACTIVIDADES ENTRE LA GLUCOGENO SINTASA Y LA FOCFORILASA REGULA EL METABOLISMO DEL GLUCOGENO (Figura 20-8) La glucógeno sintasa y fosforilasa estan baio control del su.;tratn (por alosterismo) asi coino boi. control horinonal. L a ioslorilasa sc activa no solo por uii aiinicnto en la ~oiicentraciónde c A M t' (por medin de uiia fci~ftirilasaciiiasa). sino quc al inisnio licinpo la
Adrenalina
Receptor p
@
Adenilatocicla~a inactiva
Adenilato ciclasa activa
ATP
4
cAMP
1 FOSFODIESTEWSA 1 t
5'-AMP
l
inactiva
DEPENDIENTE Inhibidor-1 (inactivo)
prr9mua Cl*& DEFf PI3 E
n
PROTEINA
DEPENDIENTE
ADP
Glucosa-6-tosfato
GlucbgenomF + UDPG Inhibidor-1-fosfato (activo)
PROTE~NA FOSFATASA-1
Figura 20-7. Control de la glucogeno sintasa en el musculo (n = número de residuos de glucosa) La secuencia de reacciones ordenadas en cascada permite la amplificacibn de cada paco. lo que hace que cantidades nanomolares de hormonas produzcan cambios importantes en la concentracibn de glucbgeno (GSC, glucógeno sintasa cinasa-3, -4 y -5. flecha ondulada. adivacion alostérica)
glucógeno sintasa se convierte en la forma inactiva; Im dos efectos son mediados por una proteína cinasa dependiente dc cAMP. Aqí, la inhibición de la glucogenblisis potencia la glucogenesis total y, a sir vez, la inhihiciOn de ésta incrementa Ia glucogenblisis total. Tn~iibiCi~ en la regulacihn del metabolismo del gluch~enoes importante el hallazgo de que la desfostorilación cie la fosforilasa a, de la fnsforilasacinasa g dc la gliicíigeno sintasa h cs llevada a cabo por una sola enziina de especificidad amplia-proteína iosfataw-l. A sii vez, esta ultima cs ínhibida por una ~xwteinacii~asadependiente de cAMP a tmvtSs del ilihibidor- I (Figura 20-8). Por tanto, la gliicogenolicis ~ ~ c krminarse d c y la glucog&nesis estimularse dc inanera sincrnnizada o viceversa, debido a que los dos prncecns se sincroilizan por la actividad de la proteína cinasa dependiente de cAMP. La dos cnzimas, fosfo-
rilasa y glucógerio sintasa, piicden iosforilarsc de mancrareversible en mhs de un sitio por de las cinasas y la acción de las fosfatasas separadas. Estas fosFnrilaciones secundarias modifican la sensibilidad de los sitios primarios para fosforilacion y desfrisforilaciiin, Io cuaI se conoce como fosfnril~cihnde sitios rnirltiples.
El factor principal en el control del metabolismo hepático del glucógeno es la concentración de fosforilasa a Esta cnzima controla no sOlo cl paso limitante de velocidad en la glucogentílisis, sino qiie tambien inhibe la actividad de la proteína fosfatasa- I y, de este modo, controla la sintcsic de glucogeno (figura 20-3). La inactivacibn de la fosforilasa es consecuencia de la inhibición alostérica por glucosa cuando In concen-
'J
/ /
PwTEINA CIHASP DEPEND~ENTE
PKOTEINA FOSFATASA-1
A
O
PROTE~M A FOSFATASA-í
DE cAMP
\
\ \
,'/
Y /
glucbgeno J
\ \
/ /
Glucosa 1-Fosfato
Giuwsa (higade)
Glucosa
Lactato ( m ú s w i ! ~ }
Figura 20-8. Control coordinado de glucogenólisis y glucog8nesis por proteina cinasa dependiente de cAMP Las reacciones que conducen a glucogenólisis como resultado de un incremento en la concentracibn de cAMP se muestran por flechas gruesas y las que inhiben por activacibn de la proteina focfatasa-1 se muestran por flechas interrumpidas Lo inverso ocurre cuando la concentración de cAMP disminuye debido a la actividad de la fosfodresterasa, conduciendo a glucogenesis
Metahdi~model nlucúgeno
glucogenosis se resumen en el cuadro 20-2. Asimismo, se tienen informes de deficiencias de adenilata cinasa y proteína cinasa dependiente de cAMP. Algunos de los trastornos descritos han me-¡orado con los trasplantes de higado.
tracibn de esta se eleva después de una comida. La activación es causada por 5'-AMP que responde a la depleción de ATP. La administración de insulina de inmediato inactiva a la fosforilasa, lo cual es seguido por activación de la glucdgeno sintasa. Los efectos de la insulina requieren la presencia de giucosa. No se produce regulación de las enzimas de rarnificación y desramificacidn.
RESUMEN 1) El glucógeno representa la rnhs importante forma de almacenaje de carbohidrato en el cuerpo del mamífero y se encuentra principalmente en hígado y músculo. 2) En el hígado, su función principal es servir a otros tejidos mediante la generación de glucosa sanguinea. En el músculo, cubre las necesidades s61o d e ese órgano, como una fuente de combustible metabólico lista para usarse. 3) El glucógeno se sintetiza a partir de glucosa y otros precursores por la vía de la glucogénesis. Es degradado por una vía separada conocida como glu-
ASPECTOS CL~NICOS Las enfermedades por almacenamiento de glucógeno son hereditarias El termino de "enfemedad por almacenamiento de glucógeno" es una expresidn genkrica que intenta describir a un grupa de trastornos hereditarios que se caracterizan por depósitos de un tipo o de una cantidad anormal de glucógeno en los tejidos. Las principales Cuadro :20-2. Enf -.
.
-- ...--- -
Noin b r e
Enfi
:von Gierke
iipo ir
hfemeaaa oe trompe
Tipo III
Dex trinosis Iírnite o enf: dad de Forbes o Cori
Tipo l V
iento de es por alrnacenam .. Causa del trasto rno
Deficiencia d e gIu fi
Deficiencia de fa glucosidasa alfa-1 +4 y 1 +6 l isosornal (maltasa ácida) iusencia dr inzima di
antc enzima
ris. cnfcrn ante:
Tipo V
Tipo VI
Deficiencia de miofosfoi sind:reme de McArdlc
23 1
fosforilasamuscular
..
'aracterist
-
. . . Las ctlulas hephticas y del túbulo renal cargad as con glu cbgcno. Hipogluceinia, cetosiS e hiperlipidemia acumulaci en los lis ~ c i cardia, a ; polisaciri
Acumula dos rami-
acterísticu:
Acumula S con puntos cioncle no esian muy ramificados. La muerte se debe a insuficiencia cardiaca o hepática en el primer ano de vida Disminliyc la tol erancia a 1 ,. ejercicio:; los musc UIOS tienen ---*--LA -Luiireriiuub aiiuiiirale~altos de glucbgeno (2.5 a 4.1%). POCO O nada de lactato en la sangre dcsputs de ejeercich 4
de fosfor ilasa he-
Alto coritcnido de gluchgeni hcphtíco , se tiendle hacia 1; hipogluclcmia
)eficienciaI de fosfo fructociasa en mil:rculos y eri trocitos
Como eri el tipo V , pero tm bitn eki ste la pos ibilidad di anemia h emolitica
Jeiicierrcla de
Lurrici cri
fosforilasn ciria-
el tino VI
cogenbli~is.E ~ t última a conduce a la formacion de gliicora cri el hígado y de lactato en el músculo dehiclo ¿i la prcsenciñ o aur;ericia respectiva de gluciisa-O-fosfataca. 4) El A M P cíclico integra la rcgiilacion de In glucog c ~ i ~ i l i s iys de l a glucogdnesis cn Iin patroii
recíproco nl pi*omovcr la ac~ivaciiinde la fosforilasa y la inhibiciún de In glucógeno ~intasa. 5 ) Dcficicncias Iiercditarias en enziinas c h p c c i f i ~ r i sde metabolismo en hígado y múcciilo ocasionan enfermedades por almacentlrniento de glucógeno.
REFERENCIAS 11 ctivih 2nd ccl Chnpinnn & E::ilicn 1': htirr,o/ o/ E~qvnli* 1 Iiil E. 1 9x3, C'cilicn 1': I'lic rrilc rit' prutein phrisphorylation in thc lirirri\iin;il control r i l ' eii/yiiie artivity. Elir S Biuchciii 19x5: l j l:130, 'rciiti N, Gnnnnn RIL, Nuttall FQ: Iricrirprirulitin cif glycogc~~¡iniiifo n hcpntic prciteoplycogen allcr nrnl ~Jti~oic: iidininistrati(~[~. d Riol Cliem 1994;269:2232R. Exton JH: Molccular mechanisrns i n v o l ~ c din cx-adrenerpic icsponses. M o l Ccll Endocrinti1 I 'IX 1 :23:233. Cierldes R: (;lq~cigcn:14 mctnbnlic viewpoinl. Iliosciencc I k p 198h:Ci:415.
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de la glucosa sanquinea U
Peter A. Mayes, PhD, DSc
La gluconeogénesis es el temino que se iitiliza para incluir todos los mecanismos y vías responsables de convertir otras sustancias diferentes de los carbohidrato~a glucosa o glucbgeno. Los sustratos principales para la gluconeogénesis son los amínoacidos glucogknicos, lactato, glicerol y propionato. El higado y el riíión son Tos tejidos donde se realiza principalmente el proceso, ya que contienen el conjuntocompleto de enzirnas necesarias.
IMPORTANCIA BIOMÉDICA La gliiconeogénesis cubre las necesidades corporales de glucosa cuando el carhhidrato no esta disponible en cantidades suficientes en la alimentacion. Se rcquiere un suministro constante de gtucosa como fuente de energia, en especial para el sistema nervioso y los eritrocitos. La insuficiencia L.L la gluconeogénesis es por lo general mortal. Por debajo de una concentraci6n critica de la glucosa sanguínea, hay disfunción cerebral que puede conducir a coma y muerte. La glucosa se requiere también por el te-jido adiposo como fuente de glidrido-glicerol y es probable que intervenga en la conservaci6n de la cifra de intermedios en el ciclo del acido cítrico en numerosos tejidos. Es evidente que aun en las situaciones en qiie la grasa puede suministrar la mayor parte del requerimiento calórico del organismo, hay siempre un cierto requerimiento basa1 de glucosa. Además, la glucosa es el unico cambustible que suministra energia al muscu!o esquelético en condiciones de anaerobiosis. Es precursora del azucar de la leche (lactosa)
en la glándula mamaria y se capta activamente por e! feto. Además, los mecanismos gluconeogénicos sc utiliran para depurar los productos dcl metabolismo de otros tejidos desde la sangre; por ejemplo, lactato, producido por el músculo y los eritrocitos, y glicerol, que se f o m a continilamente por el tejido adiposo. El pmpionato, principal ácido graso glucogénico producido por los rumiantes en la digestión de las carbohidratos, es un sustrato importante para la gluconeogénesis en estas especies.
LA GLUCONEOGENESIS INCLUYE LA GLUCOLISIS Y EL CICLO DEL ÁCIDO C~TRICO,MAS ALGUNAS REACCIONES ESPECIALES (Figura 21 -1) Las barreras termodinámicas impiden una inversión simple de la glucólisis Krebs seílaló que las barreras energeticas obstruyen la reversión simple de la gluciilisis: entre el pimvato y el fosfoenolpiruvato, entre la hctosa-l ,B-bisfoshto y la fnictosa-6-fosfato, entre la glucosa-6-fosfato y la glucosa, y entre la glucosa-l -fosfato y el gluc6geno. Todas estas reacciones no tienen equilibrio, liberan gran parte de energia libre como calor y por tanto son fisloliigicarnente irreversibles. Es posible esquivarlas mediante reacciones especiales.
A. Piruvato y fosfoenoIpiruvato En la mitocondria se locali7a la enzima piruvato carboxilasa, la cual, en presencia de ATP, la vitamina B biotina y CQ:, convierte al piruvato en oxalacetato.
234
capitulo 2 1)
Bioquím ica de Hurper
-
Glucosa HEXOCINASA
Glucosa 6fosfato Glucógeno AMP
A
1
Gliceraldehido 3-tosfato
Fosfato de dihidroxiacetona
3-Fosfato de glicerol
Fosfoenotpiruvato
Oxalacetato
Figura 21-1. Vias mayores y regulacibn de gluconeog8nesis y gluc6lisis en el higado. Los puntos de entrada de aminoácidos glucog&nicosse indican por flechas que salen de circulos (figura 1 8 4 ) . Las enzirnas gluconeogenrcas clave se muestran con un rectángulo doble El ATP requerido para gluconeog8nesis se suministra por oxidacibn de Budos grasos de cadena larga. El propionato s6lo tiene importancia cuantrtativa en los rumiantes. Las flechas onduladas significan efecto alost&rico, las flechas cortadas modificación covalente por fosforilacibn reversible Las concentraciones altas de alanina actuan como una "cefial gluconeogifnica" que inhibe la glucblisrs en el paso de piruvato cinasa
Gluconeogknesis y control de la gluco.~asan~uinea 235
La función de la biotinaes ligar el CO?del bicarbonato a la enzima antes de la adición del CO: al pinivato (figura 52-13). Una segunda enzima la fosf ~ e n ~ l p i r l l carboxicinasa, ~at~ cataliZí! la Conversi6n dcl oxalacetato en fosfoenolpinivato. En esta reacción se necesita fosfato de alta energía en la fonna de GTP o ITP v se libera CO,. Por tanto. con la avuda de estas dos enzimas que catalizan transformaciones endergbnícas y de la deshidrogenasa Iáctica, el lactato se puede convertir en fosfoenolpiruvato, a! rebasar la barreraenergetica entre el piruvato y el fosfoenolpinivato. En el higado de pichones, pollos y cone,jos, la fosfocnolpiruvato carboxicinasa es una enzima mitocondrial y el fosfoenolpiruvato se transporta al citosol para su conversión en 1,6-bisfosfato de fmctosa por inversión de la glucólisis. En la rata y el raton la enzima esta en el citosol, lo cual genera un problema ya que el oxalacetato no difunde al travCc de la membrana mitocondrial interior. Esto se resuelve mediante conversión a malato, el cual puede transportarse al interior del citosol y reconvertirse en seguida a oxalacetato mediante la malato deshidrogenasa extramitocondrial. En el ser humano, cobayoc y vacas, las enzima se distribuyen por igual en mitocondrias y citosol.
B. Fructosa 6-fosfato y fructosa 7,6-bisfosfafo La conversión de fnictosa 1,6-bisfosfato en fiuctosa6-fosfato, necesaria para lograr la reversión de la glucolisis, se cataliza por una enzima especifica, la fructosa-1 ,&bisFosfatasa. Esta es una enzima clave en el sentido de que su presencia determina si un tejido es o no capaz de sintetizar glucógeno a partir no s61o del piruvato sino tambiin de los triosafosfatos. Esth presente en el hígado y ridones y demostrada en eI músculo estriado. Se sostiene que esth ausente en los musculos cardiaco y liso.
C. Glucosa 6-fosfato y glucosa ~a conversión de glucosa h-fisfato en glucosa se cataIiza por otra fosfatasa especifica, la glucosa ó-fosfa-
h , no
Esta enzima se encuentra en higado y pero tejidos muscular y adjpoco, supresencia a un agregar glucosa a la sangre,
,,lo,
D. Glucosa .I-fosfatoy glucógeno La degradacihn del glucógeno Iiasta gl~icosa1 -fosfato se efectua por la fosforilasa. La sinresis de gluc6geno implica una vía enteramente diferente a travds de la formacibn de la difosfato de widina y glucosa y la actividad de la glucógeno sintasa (fígura 20-1). Estas enzimas esenciales que permiten la inversión de la glucólisis tiene una función importante en [a gluconeogenesic. Las relaciones entre e s t a enzimas claves de la gluconeogénesis y la vía glucoIitica se muestran en la fígum 2 1-1 . Decputis de la transarn inacidn o desaminacibn, los aminoacidos glucog~nicosforman ya sea piruvato o miembros del ciclo del ácido cítrico. Por tanto, las reacciones descritas pueden dar cuenta de la conversibn tanto de los aminodcidos glucog&nicos como del lactato, en glucosa o glucógeno. Asi. el lactato forma pinivato y dehe entrar las mitocondrias antes de convertirse en oxalacetato y en último término en glucosa. El propionato, que es la fuente principal de glucosa en los rumiantes, entra a la ruta gluconeog&nica principal por la via del ciclo del hcido cítrico despuis de su conversidn en succinil-COA. El propionato se activa primero con ATP y COA por una acil-COA sintetasa apropiada. La propionil-COA, producto de esta reacción, experimenta una reaccibn de fijacibn de COZpara formar D-metilmalonil-COA, catalizada por la propionil-COA carboxilasa (figura 2 1-2). Esta reaccion es anhloga a la fijacibn det C 0 2 en la
CO2 +H,O
CoA*SH
CARROXILASA
coo -
H -$- COO-
CO- S- COA
Propronato
ATP
lntermedlos del ciclo del Acido
cítríco
A M P + PPI
e
Propionil-COA ATP
ADP + p,
o-Metilmalonil-COA
I
CH,
C H ~ -C<>Pnlim.Bli~~~-tH 60-$-COA CO-S- COA SucclnilEoA
Figura 21 -2. Metabolismo del propionato.
L-Metilmalonil-COA
acetil-COA por la acetil-COA carboxilasa (capitulo 23) en que forma un derivado malonilo y requiere la vitamina biotina como coenzima. La D-metilmalonilCOA debe convertirse en su estereoisómero, I -me& rnalonil-COA, por Ea metilmalonil-COA racemasa antes de cu isomeracícin final a succinil-COA por la enzima metilmalonil-COA isomerasa, la cual requiere vitamina B 1 2 como coenzirna. La deficiencia de vitamina B17 en el ser humano y los animales conduce a la excrecion de grandes cantidades de metilmalonato (aciduria metilrnalhnica). Aunque la via hacia el succinato es su ruta metabólica principal, el propionato puede también utilizarse como cebo rnolecular para la sintesis, en el tejido adiposo y glandula mamaria. de los hcidos grasos que tienen un número impar de átomos de carbono en la molécula. Los acidos grasos C I qy C17se encuentran particularmente en los lipidos dc los rumiantes de donde constituyen una fuente importante de estos acidos grasos en la alimentación humana y por iiltimo se degradan en propionato en los tejidos (capitulo 24). El gIicerol es un producto del metaboIismo de[ tejido adiposo y sólo los tejidos que poseen la enzima activadora glicerol cinasa, lo pueden utilizar. Esta enzima, que requiere ATP, se encuentra entre otros tejidos, en el higado y riiiones; y cataliza la conversibn de glicerol en glicerol-3-fosfato.Esta via conecta con las etapas de triosafosfatode la vía glucolitica, porque el glicerol-3-fosfato puede ser oxidado a fosfato de dihidroxiacetona por el NAD' en presencia de la glicerol-3-fosfato desfiidrogenasa. Eb hígado y el riii6n son capaces de convertir el glicerol a glucosa sanguinea haciendo uso de las enzimas anteriores, de algunas de las enzimas de la glucólisis y de las enzimas especificas de la via gluconeogénica: fmctuosa-1,6hisfosfataca y glucosa-6-fosfatasa (figura 2 1-1).
TODA VEZ QUE LA GLUCOLISIS Y GLUCONEOGENESIS COMPARTEN LA MISMA V ~ APERO EN DIRECCIONES OPUESTAS, DEBEN REGULARSE DE MANERA REC~PROCA Los cambios en la disponibilidad de sustratos son responsables de manera directa o indirecta de lamayor parte de los cambios en el metabolismo. Las tluctuaciones de su concentración sanguínea por cambios en la disponibilidad dietética pueden alterar el indice de secrecidn de hormonas, que a su vez, influye en el patrón del metabolismo en las diversas vias, a menudo modificando la actividad de enzimas clave que intentan compensar el cambio original en Ia disponibilidad del sustrato. Tres tipos de mecanismos pueden identi-
ficarse como responsables de la regulacíon de la actividad enzimática en el metabolismo d e carhohidratos se muestran en el cuadro 21-1: 1 ) cambios en la velocidad de sintesis enzimática, 2) modificación covaientc por fosforilación reversible y 3) efectos alost~ricos.
La inducción y represión de la síntesis de ensimas clave no son rápidas sino que utilizan varias horas Algunos dc los cambios mejor estudiados de la actividad cnzimática que ociirre bajo diversas condiciones rnetaMlicas aparecen en el cuadro 2 1-1. La infmaci6n en este cuadro se aplica en gran parte a enzima? hepiiticas. Las enzimas catali7an reacciones de no equilibrio que fisiológicamente pueden considerarse como " una dirección'' más que ecuaciones balanceadas. h menudo 10s efectos se refuerzan dado que la actividad de las enzimas que catalizan los cambios en la dirección opuesta varían de manera recíproca (figura 2 1-1 1. Es importante observar que las enzimas clave que intervienen en una vía metabólica se activan o deprimen d e manera coordinada. El cuadro 2 1-1 muestra con claridad que éste es el caso. Todas las enzimas que intervienen en Sa utilízacibn de la glucosa (es decir, Ias de glucólisis y lipogenesis) son más activas cuando hay un exceso de sustrato y bajo estas condiciones las enzirnas responsables de la pl-oduccibn de glucosa por la vía de gluconeogénesis muestran escasa actividad. La secreción de insulina. que es sensible a la conccntraci6n sanguínea de glucosa, aumenta la sintesis de las enzirnas responsables de la glucólisis. Del mismo modo, antagoniza el efecto de los glucocorticoides y del cAMF estimulado por glucagón el cual induce la síntesis de las enzimas clave responsables de la gluconeogknesis. Se ha demostrado- la regulación d e las especies mRNA de estas enzirnas y la modulacion de la expresión de sus genes. Las dos deshidrogenasas de la vía de la pentosa fosfato pueden clasificarse como enzimas adaptativas, dado que aumentan su actividad en ct animal bien alimentado y cuando la insulina se administra a un animal diabético. Su actividad es baja en diabetes o en ayuno. La "enzima malica" y la ATP-citrato liasa se comportan de igual moda, 10 cual indica que estas dos enzimas intervienen en las lipog6nesis mas que en la gluconeogCnesis (capitulo 23).
La modificación covalente por fosforilación reversible es rápida El glucag6n y en menor grado la adrenalina, hormonas que disminuyen la glucosa en la sangre, inhiben la glucólisis y estimulan la gluconeogénesis en el hígado mediante el aumento d e la concentraci6n de
Gluconeo,~éncsisy control de la nIucosa sanguínea 237
Cuadro 21-1. Enzimas reguladoras y adaptativas de la rata (hephticas en gran parte) ....
;
Dieta con
,,,vi,
carbohidratns
-
r--
Activid
-- -
i
-
1-
J
diabetes -
-"A"
Enzimas de gluco~eno; ~knesis,glu
l
1
S istema de glucógeno sini;asa
--
i
fosfori geno
--
HLAVL~LLU~ C; -
Insulin
I
I
-" -
-.A-A--
.". Fosfofructot
-
Cilucagón I
Insulina
fructesa t5- Citrato (ácidos grasos, cuierpos cct& fosfato* n i c o s li * . A T P * ,
1
.Pi, fructo!;a
-
alanina
Piriitfatocin asa -
Piruvato dt:shidro-
bn (cAMI' ndrcnal ina -
-
1
1
g cnasa
NAD*, i rI- A c e t i l - C O A , ,ADP. pin1- NADH',ATP (ácidos grasos. cuer-
! 1
m n r o o t Xn;'.n"l
Enzimas ae
-
zenesrs
Piruvata c arboxi-
,
4,
1 . ~ 1
T
Glucor ticoides, glucagún, aatena-
-
t i c o i d e s , tnsulina 1, adrcnaglucagó~ lina (CAPdl=) ticoides, glucagh1, adrena-
F carnox~c~ -
F
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Glucagbn (cAMP
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"-
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Glucosa-h-t
ticoides, ~nsul~na
L
-E C
L
giucagui1, adrenalina (cAb L-.. c fosfatos ii e pen tosa y de lipop ras vias d8
,fosfato
t
dcshidrol
1'6 ato, AMP 3SB
7 h
t 1
l L 1 lnsulina
Insulina
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Enzima m i -P,1P-C itratc .. II.
,
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* AIOSIC~IC~
T
'En tejido adiposo pero nin en higado.
---
+
cAMP. Lo cual, a su vez, incrernenta la actividad de tina proteína cinasa dependiente de cAMP, conduciendo a fbsforilación e inactivacion de la piruvato cinasa. También afectan la concentracibn de fructosa 2.6-bisfosfato y por lanzo la glucólisis y la gluconeogenesis, como se expiica adelante.
La modificación alosterica tambien es rápida Se dispone de varios qjernplos del metabolismo de carbohidratos para ilustrar el control alostérico de la actividad de una enzima. En la gluconeogknesis, la síntesis de oxalacerato a partir de bicarbonato y piruvato que se cataliza por Ea enzima piruvato carboxilasa, requiere la presencia de acetil-COA como activador alostérico. La adición de acetil-COA conduce a un cambio en la estructura Terciaria de la proteína, que reduce el valor Km para el bicarbonato. Este efecto tiene implícaciones importantes en la autorregulación del metabolicrno intermedio, en donde, igual que acetil-COA se forma del pinivato, asegura de manera automática una produccién constante de oxalacetato y, por tanto, su oxidación ulterior en el ciclo del hcido cítrico por la pinivato carboxilasa. I,a activación de esta última enzima, y la inhibicibn recíproca de la piruvato deshidrogenasa por el acetil-COA formada de la oxidacilin de Bcidos grasos, ayuda a explicar la accibn "ahorradora" de esta oxidacibn de Bcidos grasos en el metabolismo del pinivato y en la estimulación de gtuconeog~nesishepatita. La relación recíproca entre la actividad de piruvato deshidrogenasa y pimvata carboxilasa en hígado y riiíón altera el destino metabólico del pinrvato cuando el tejido cambia de oxidación de carbohidratos por glucólisis a gtuconeogtnesis durante la transicihn de un estado de nutrición adecuada a inanicihn (figura 2 1-1). Una funcibn importante de la oxidacidn de Bcidos grasos en la promocibn de la gluconeogknesic es suministrar el ATP requerido en las reacciones de piruvato carboxilasa y fosfoenolpiruvato carboxicinasa, y también, invertir la reacción catalizada por fosfoglicerato cinasa en la gluc~lisis. Otra enzima que est6 sujeta a control por retroalimentación es Ia fosfoIructocinasa (fosfofructocinasa-1)Ocupa una posicion fündamental en la regulación de la gluc6lisis. La enzima fosfofnictocinasa-1 se inhibe por citrato y por ATP y se activa con AMP, El AMP actiia como un indicador del estado energktico de Ea cklula. La presencia de adenilato cinasa en el higado y muchos otros tejidos permite el equilibrio rápido de
la reacción: ATP + AMP
H
2ADP
Asi, cuando el ATP se usa en procesos que requieren energia y deja como subproducto ADP, la concentracihn de AMP silbe.Como [ATP] puede ser 50 veces mLs elevada que [AMP] en el equilibrio, una disminuci6n fraccionaria pequeña en [ATP] causará una elevacion importante en [AMPJ. Por tanto, un cambio g r a n d e en [ A M P ] a c t ú a c o m o a m p l i f i c a d o r metabólico de un cambio pequefio en [ATP]. Este mecanismo permite que la actividad de fosfofi-uctocinasa- 1 sea muy sensible inclusive a cambios mínimos en el estado energetico de la celula y controle la cantidad de carbohidratos que experimentan glucólisis antes de entrar al ciclo del ácido cítrico. El aumento en [AMP] tambikn puede explicar por qué la glucólisis se acelera durante la hipoxia, cuando [ATF] disminuye. De manera simultánea, la A M P activa una fosforilasa que incrementa la glucogen6lisis. La inhibición de la fosfohctocinasa-1 por citrato y ATP podria ser otra explicación del efecto ahorrador de la oxidación de ácidos grasos en el consumo de glucosa y también del efecto Pasteur donde la oxidación aerobia (por el ciclo del ácido cltrico) inhibe la degradacirin anaerobia de la glucosa. Una consecuencia de la inhibición de fosfofructocinasa- 1 es la acumulaci6n de glucosa6-focfato que, a su vez, inhibe la captacibn adicional de glucosa en tejidos extrahepáticos por inhibicibn alostérica de la hexocinaca.
ha fructosa 2,6-bisfosfato tiene una función exclusiva en la regulación de la glucólisis y la gluconegoénesis en el hígado El efector aloct6rico positivo más potente de la fosfohctocinasa-1 e inhibidor de la fnictosa-1 , 6-bifosfatasa en el hígado es la froctosa 2,6 bisfosfata. Alivia la inhibicibn de fosfofmct~inasa-1 por ATP e incrementa su afinidad por fructosa 6-fosfato, Inhibe la fructosa1,ó-bisfosfatasa por incremento de Km para h c t o s a 1,6-bisfosfato. Su concentmcibn esta bajo control del sustrato (alost&rica) y hormonal (modificación coralente) (figura 2 1-3). La fnictosa 2,6-bisfosfato se forma por fosforilación de la fmctosa 6-fosfato por acción de fosfofructocfnasa-2. La misma enzima es también responsable de su degradacidn, ya que posee actividad de fructosa-2,6bisfosfatasa. Esta enzima bifuncional esta bajo el cona01 alostérico de fnictosa 6-fosfato, el cual cuando aumenta de concentracirin debido a una abundancia de elucosa. es decir. en un estado de suficiencia de nuiientes,'estimula á la cinasa e inhibe a la fosfatasa. Por otra parte, cuando la glucosa escasea, el glucagbn estimula la producción de cAMP, activando a la ~ r o t e i n acinasa devendiente de cAMP la cual a su vezrinactiva a la fos'fofructocinasa-2 y activa a la fnictosa-2,6-bisfosfatasapor fosforilación.
:luconeogkne.~i~s y cnnfi-ni de la glucosa sanguinea
Glucosa
-
y glucbgeno
1
. Fnictosa 6-fosfato
-.
-
239
Los ciclos (vanos)de sustrato permiten un ajuste fino Puede apreciarse que muchos de los puntos de control y el metabolismo del gluciigeno comprenden un ciclo de fosforilación y desfosforilaci0n catalimdo por las enzimas siguientes: glucocinasa y glucosa-6-f'osfatasa; fosfofnictocinasa- l y h c t o s a I ,6-bisfosfataca; piruvato cina~a,pinivato carboxilasa y fosfoenolpiruvato carhoxicinasa; y glucógeno sintasa y fosforilasa, Si se permitiera a estos ciclos continuar sin freno, serian ciclos vanos (inutiles) cuyo resultado neto conduciría a la hidrólisis de ATP. Que esto no ocurra de manera extensa se debe a varios mecanismos de control que aseguran la inhibición de un extremo en tanto que el otro se estimula en cada ciclo, de acuerdo al requerimiento tisular y corporal. No obstante, es probable que haya alguna ventaja fisiológica en permitir cierta ciclizacibn. Por ejemplo, en el ciclo fosfofructocinasa~fructosa-l,6-bisfosfatasa, podria ocurrir una amplificación del efecto de un modificador alostérico. como fnictosa 2,6 bisfosfato, productor de un cambio algo mayor en el flujo total de mmbolitos en cualquier direccibn que el que ~ u r r i r i a en ausencia de la ciclizaci6n de sustrato. Este "ajuste fino" del control metabolico causa siempre cierta pérdida de ATP.
en la gluctilisic
ADP
tA CONCENTRACION DE GLUCOSA Fructosa 1,s-bisfosfato
t
Piruvato
Figura 21-3. Control de gluo61isic y glucuneogénesis en el higada por fnrctoca 2,6-bisfosfato y la enzima bifuncional PKFIF-2,6-Paca (6-fosfofructo-2-cinasalfructoca-2,6-bisfosfataca). (PFK fosfofructocinasa 16-fosfofructo-9-cinasa]; F16-Pasa, fructosa-l,6-brsfocfatasa. Las flechas onduladas indican efectos alost~riwsE
Por tanto, bajo abundancia de glucosa, la fnictosa2,6-bisfosfato aumenta su concentraci6n y estimula la gluc~lisispor activación de fosfofructocinasa-1 e inhibicion de fnictosa- l,6-bisfosfatasa.Cuando la glucosa escasea, se estimula la gluconeogénesis por disminucion de la concentración de fnictosa 2,6-bisfosfato, que desactiva la fosfofructocinasa- 1 y ddesinhibe a la fnictosa-1,6-bisfosfatasa.Este mecanismo tambi&nasegura que la estimulación de la glucogen6lisis hephtica por el glucag6n conduzca a liberación de glucosa y no a gluc6lisic. lnvestigac iones recientes indican que el 1,6-bisfosfato de glucosa desempeila una funcibn semejante en algunos tejidos extraheplticos.
SANGU~NEASE REGULA DENTRO DE L~MITES MUY ESTRECHOS Después de la absorción, la concentración dc glucosa sanguínea en el ser humano y muchos mamíferos se encuentra dentro de los límites de 4.5 a 5.5 mmollL. Cuando se ingiere una comida rica en carbohidratos, puede elevarse a 6.5 a 7.2. Durante el ayuno, los valores bajan entre 3.3 y 3.9. La glucosa sanguinea en ares es bastante mayor (14.0 rnrnollL) y en rumiantes considerablemente menor (alrededor de 2.2 mmollL en ovejas y 3.3 en el ganado vacuno). Al parecer estos valores bajos se relacionan con el hecho de que los rumiantes fermentan casi la totalidad del carbohidrato de los alimentos a hcidos grasos de cadena corta (volátiles) y estos reemplazan en gran parte a la glucosa como combuctible metabolico principal de los tejidos en estado de suficiencia de nutrientes. Una disminución repentina de glucosa sanguínea causa ~onvulsiones,como en una sobredosis de insulina, debido a la dependencia inmediata del cerebro de! suministro de glucosa. No obstante, si se permite una adaptación progresiva es posible tolerar concentraciones sanguínea mucho menores de glucosa; por ejemplo, r a t a adaptadas a dietas ricas en grasas parecen normales con una concentración sanguinea de glucosa tan baja como 1.1 mmol/L.
LA GLUCOSA SANGU~NEA DERIVA DE ALIMENTACI~N, GLUCONEOGENESIS Y GLUCOGENOL~SIS La mayor parte de los carbohidratos digeribles de la alimentación en última instancia forman glucosa. t o s carbohidmtos dietéticos que se digieren en forma activa contienen residuos de glucosa, galactosa y fnictosa que se liberan en el intestino. Éstas se transportan al higado por la vena portal. La galactosa y fnictosa se convierten con facilidad a glucosa en el higado (capitulo 22). La glucosa se forma a partir de compuestos glucogénicos su,jetos a gluconeogcnesis (figuras 1 8 4 y 21-1). Estos compuestos se agrupan en dos caxegorias: 1) los que tienen conversión neta directa a glucosa sin reciclamiento significativo, como algunos aminoácidos y propionato; y 2) aquellos que son productos del metabolismo parcial de lo glucosa en ciertos tejidos y se llevan a hígado y riflbn, donde se sintetizan de nuevo a glucosa. Asi, el lactato, formado por oxidacibn de glucosa en músculo esquelktico y eritrociios, se transporta al hígado y riflón para regenerar la glucosa, que está de nuevo disponible para oxidación en los tejidos. Este proceso se conoce como cicln de Cori o del heido Ihctico (figura 2 1 4 ) . El 3-fosfato de glicerol para la síntesis de triacilgliceroles en el tejido adiposo deriva de la glucosa sanguinea. Estos aciIgliceroles experimentan
hidrólisis en forma continua para formarglicerof libre. que no puede utilizarse por el tejido adiposo y por tanto, difunde a la sangre y sc convierte de nuevo a glucosa por mecanismos gluconeogenéticos en hígado y rifion (figura 71 -1 j. De los aminoácidos tmnsnortadosdesde el músculo al higado durante inanición, predomina la alanina. Esto tia conducido a la hipótesis de un ciclo glucosaalanina, como se muestra en la figura 2 1 4 , qiie tiene e1 efecto de un ciclado de glucosa desde hígado al musculo, con fonnaciiin de pinivato, seguida por transam inacihn a alan ina; luego, esta es llevada al h igado y sigue gluconeogénesfc de rcgreso a glucosa. Ocurre una transferencia neta de nitrógeno de amina del rnúsculo al higado y de energia libre del higado al músculo. La energia requerida para la síntesis hepática de glucosa a partir de piruvato deriva de la oxidacion de ácidos grasos. La glucosa tambien se genera a partir del gluchgeno hephtico por glucogenolisis (capitulo 20).
Mecanismos metabólicos y hormonales regulan la concentración sanguínea de glucosa La conservación de valores estables de glucosa en la sangre es uno de los mecanismos homeostá~icosregulado con mayor precisibn y en el10 toman parte el hígado, tejidos extrahepáticos y varias hormonas. Al parecer, las celulas hepaticas son totalmente per-
Figura 2 1 4 . Ciclo del ácido lactico (Cori) y ciclo de la glucosa-alanina,
Gliaconeogéne~z.~ -v control de la ~Iucosusanguíneu * 211
meables a glucosa (vía el transportador GLUT 2) en tanto las células de los tcjidos extrahepfiticos (excepto los islotes pancreiiticos) son relativamente impermeables. Debido a esto, el paso a traves de la membrana celular es la Iimitante de la veIocidad en la absorción de glucosa en tejidos cxtrahepáticos y la glucosa se fosfotila con rapidez por acción dc una hexocinaca al entrar a la célula. Por otro lado. es probable que la actividad de ciertas enzimas y la concentracibn de intermedios clave ejerzan un efecto mucho más direcm sobre la captación y salida de gliicosadel hígado. No obstante, la concentracidn de glucosa en sangre es un factor importante en el control del indice de absorcibn tanto en hígado como cn tejidos extrahepáticos. Ida funciiin de varias proteínas transporíadoras de glucosa que se encuentran en la membrana celular, cada 1 con 12 dominios transmembrana, se muestran en cl cuadro 2 1-2.
La glucocinasa es importante en la regulación de la glucosa sanguínea posprandial Debe recordarse que la hexocinasa se inhibe por glucosa 6-fosfato, de modo que es posible ejercer cierto control por retroal imentaci6n en la absorción de glucosa por tqjidos extrahepáticos dependientes de hexocinasa mediante la fosforilacihn de glucosa. El higado no esta sujeto a esta restriccion debido a que la glucocinasa no se altera con el 6-fosfato de glucosa, La glucocinasa, que tiene una Km (menos afinidad) mas elevada para la glucosa que la hexocinasa. aumenta su actividad con concentraciones de glucosa por arriba de los límites fisiol6gicos (figura 2 1-5) y al parecer, se ocupa de manera específica de la captacion de glucosa en el hígado bajo las elevadas concentracio-
.
nes encontradas en la vena portal después de una comida rica en carbohidraios. Su ausencia en los rumiantes, en donde entra poca glucosa a la vena porta procedente del intestino, es compatible con esta función. En concentraciones sanguineas nonnales de glucosa (4.5 a 5.5 rnmol:L) el hígado se comporta como un productor neto de glucosa. Sin embargo, cuando la glucosa se eleva, la excreción hepatica de glucosa cesa, de modo que a valores altos hay una captación ncta de glucosa. Se calcula que en la rata. los índices de absorción y los de excrecihn son iguales a la concentracion de glucosa en Ea sangre de la vena porta esto es, X.3 rnmol/L.
La insulina tiene una función central en Ea regulación de la glucosa sanguínea Adernis de los efectos directos de la hiperglucemia para amplificar la captación de glucosa en hígado y tejidos perifericos, la honiiona insulina interviene de manera critica en la regulacion de los valorcs sanguíneos de glucosa. Esta hormona se sintetiza en las ~Clulas13 de los islotes de Langerhansen el páncreas como una respuesta directa a la hipergiucemia. ],a célula del islote es permeablc a la gliicosa por la via del transportador GLUT 2 y se fosforila por tina glucocinasa de una Kmalta. Asi la concentración dc glucosa sanguinea determina el flujo por medio de la gluc6lisis, el ciclo del ácido cítrico y la generación de A'I'P. El aumento en las concentraciones de IZTP inhibe los canales de K' sensibles al ATP lo que da lugar a despolarizacion de la membrana de la célula B; esto, a su vez, incrementa el influjo de Ca" por la vía de canales de Ca2' sensibles al voltaje y estimula la exocitosis de insulina. Es de remarcarse que los medicamentos de Ia sulfonilurea que se utilizan para estimular la secrecidn de insulina en la diabetes sacarina de tipo 11 (diabetes sacarina no
Cuadro 21-2. Transportadores de ~lucosa
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l l bitación tisula
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'ransportadotes hidlreccionaleS facilitadi~ r e s
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Cerebro. riilon, colon. placenta.-eritrociin .
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GLVLJ
Miisculoscardiaco y esquelktico, tejido ad iposo Cal ! " --
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Transportadores unidireccionalesdepcnd
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itacihn nctiiva de gluc la luz intc: ..-A A - -*.. '.L..ltina1l .y Icariwi LICIII ut.~ I L I C ~ I ' CII ~ U CI IUUUIU p~11,\1nial renal contra el gradiente dc conccntraciún
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Vmai
100
Hexocinasa
endógeno (e insulina) se depura de la circulación por el hígado. Al c o n m i o de la adrenalina, el glucagón no tiene efecto sobre la fosforilasa muscular. También incrementa la glriconeogénesis a partir de aminolcidos y lactato. La glucogen0lisis y gluconeogénesis hepática contribuyen al tfccto hipergluccmiante del glucagón, cuyas acciones se oponen a las de la insulina.
Otras hormonas inftuencian la glucosa sanguínea
Glumsa sanguinea {mmolfL)
Figura 2 1 4 . Variacibn de la actividad fosforilantede glucosa de hexocinasa y glucocinasa con incremento de la concentración sanguinea de glucosa La K, para la glucosa de la hexounasa es de O 05 mmollL y de la glucocinasa es de 10 mrnollL.
insulinoclependiente; QSNID), actuan asi al inhibir los canales de K' sensibles al ATP. De esta manera la concentración de insulina en sangre va en paralelo con la glucosa sanguinea y sil administración conduce con rapidez a hipoglucemia. Otras susrancias que provocan la liberacibn dde insulina incluyen aminohcidos, ticidos grasos libres, cuerpos cetlinicos, glucagbn, secretina y el fármacoto!butarnida. Laadrenalina y la noradrcnalina bloquean la secreci~nde insulina. La insulina tiene un efecto inmediato de incremento en la captación de glucosa en tejidos como el adiposo y el músculo. Esta accirin se debe a una aceleración en el transporte de glucosa através de la membranacelular por reclutamiento de transportadores de glucosa (GLUT4) desde el interior de la cdlula a la membrana plasrnática. Por el contrario, no hay efecto directo de la insulina sobre ta penetración de glucosa a células hephticas, estos hallazgos concuerdan con el hecho de que el metabolismo de glucosa en higado no es16 limitado en velocidad por su permeabilidad a la glucosa. No obstante, la insulina incrementa de manera indirecta la captacion hepática a largo plazo de glucosa como resultado de sus acciones sobre la sintesic de las enzirnas que controlan la glucólisis, la gtucogénesis y la gluconeog~nesis.La insulina tiene un efecto inmediato al activar la glucógeno sintasa (capítulo 20).
El glucagón se opone a las acciones de la insufina El glucagón es la hormona producida por las células A de los islotes de Langerhans del pancreas. La hipoglucemia estimula su secrecion. Cuando alcanza al higado (por la vena porta), causa glucogenolisis por activacion de la fosforilasa. La mayor parte del g l u q ó n
La hip6fisis anterior secreta hormonas que tienden a elevar la glucosa san~uineay, por tanto. antagonizan la acción de insulina. Estas son hormonadel crecimiento. ACTH (corticotropina) y qui& otros principios "diabetogenos". La hipoglucemia estimula la secrecidn de hormona del crecimiento. Esta hormona reduce la captacion de glucosa en ciertos tejidos, por ejemplo. muscular. Es probable que parte de este efecto no sea directo, ya que moviliza acidoc &rasos libres del tejido adiposo que por si mismos inhihen la uti li7ación de la glucosa. La administración crhnica de hormona del crecimiento conduce a diabetes. Al causar hiperglucemia estimula la secrecihn de insulina y origina, por ultimo, agotamiento de las células B. Los glucocorticoides (1 1-oxiestcroidcs) se secretan en la corteza suprarrenal y lienen importancia en el metabolismo de carbohidratos. La administración de estos esteroides Encrementa la gluconeogénesis. Esto es consecuencia del catabolismo proteínico tisular excesivo, del incremento en la absorcion hepática de arninoacidos y del aumento de la actividad de aminotransferasas y otras enzimas que inservienen en la gluconeogénesis hepática. Además, los glucocorticoides inhiben la utilizaci6n de glucoca en los tejidos extraheptiticos. En todas estas actividades, los glucocorticoides actúan como antagonistas de la insulina. Idaad rerralina, secretada por la mddula suprarrenal como~sultndode estímulos intensos (temor, excitaciún, hemorragia, hipoxia, hipoglucemia, etcdtera), origina glucogenolisis hepática y muscular debido a activación de la fosforilasa. En el músculo, por ausencia de accihn de la glucosa-6-focfatasa, sobreviene glucogenolisis con formacibn de lactato, en tanto que en el hígado, la glucosa es el producto principal con elevacidn concomitante de la glucemia. La hormona tiroidea tambitn d c b r á considerase aquí por su efecto modificador de la glucosa sanguínea. Se tienen datos experimentales de que la tiroxina tiene accibn diabetógena y que la tiroidectomia inhibe el desarrollo de diabetes. También se observa que en animales tirotbxicos no existe glucbgeno hepático. En el ser humano, la glitcosa sanguinea en ayunas esth elevada en pacientes hipertiroideos y es baja en hipotiroideos. Sin embargo, al parecer las personas hipertiroideas utili7an la glucosa a una velocidad nomal o
;Iiiconeogkne.~isy control de la glucossa sanguinea 8 243
mayor, en tanto 10shipotiroideos muestran disminucidn en su capacidad para utilizar glucosa. Además. estos iiltfmos son mucho menos sensibles a la insulina que las personas normales o hipertiroideas.
ASPECTOS CL~NICOSADICIONALES Cuando el umbral renal para glucosa se excede se presenta glucosuria Cuando la glucosa sanguínea se eleva a valores relativamente altos, e! riñon también ejerce un efecto regulador. La glucosa se filtra de manera continua en los glomemlos pero, de ordinario, retorna en su totalidad a la sangre por el sistema de resorción de los tubulos renales. La resorción de glucosa contra su gradiente de concentración se enlaza con el suministro de ATP en las celulas tubulares. La capacidad del sistema tubular para resorber glucosa se limita a una velocidad de alrededor de 350 mg/minuto. Cuando la concentracion sanguínea de glucosa aumenta, el filtrado glomerular puede contener mis glucosa de la que logra resorber; el exceso pasa a la orina para generar glucosuria. En personas nomales, se produce glucosuria cuando la concentración de glucosa en sangre venosa excede de 9.5 a 10.0 mmol/L. Esto se conoce como umbral renal para la glucosa. En anirnaIes de laboratorio puede producirse glucosuria con florhicina, que inhibe al sistema de resorci6n de la glucosa en el túbulo. Esto se conoce como glucosuria renal. La glucosuria de origen renal puede deberse a defeoos renales hereditarios o es posible adquirirla por procesos patolbgicos. Con frecuencia, la presencia de glucosuria es indicador de diabetes sacarina.
La hipoglucemia se puede presentar durante el embarazo y en el neonate Durante el embarazo aumenta el consumo de glucosa por el feto y existe riesgo de hipoglucemia materna y posiblemente fetal, en particular si hay un intervalo largo entre las comidas o durante 3a noche. Aderniis, los niños prematuros o de bajo peso al nacer son mas susceptibles a la hipoglucemia toda vez que tienen escaso te-jidoadiposo para generar combustibles alternativos como son los ácidos gasos libres o los cuerpos cetónicos durante la tmnsicih del estado de dependencia fetal al de la vida independiente. Las enzimas dc la gluconeogénesis pueden no estar compl~tamentefuncionales en tal momento y el proceso depende del suministro de Acidoc grasos libres para la energía. El glicerol, que podría liberarse a partir del tejido adiposo. se encuentra menos disponible para glucaneoginesis.
La capacidad del cuerpo para utilizar glucosa puede investigarse por medición de su tolerancia a la glucosa La tolerancia a la glucosa se indica por la naturaleza de la curva de glucosa en sangre después dc la administraci6n de una dosis de prueba de este azúcar (figura 2 1 4 ) . La diabetes sacarina (tipo 1, o diabetes sa-
La deficiencia de fructcisa-1,6-bisfosfatasa causa lactacidosis e hipoglucemia El bloqueo de la glucogenog&nesispor deficiencia de esta enzima impide que el lactato y otras sustancias glucogenicas se transformen a glucosa en el hígado. El trastorno puede controlarse con dietas ricas en carbohidratos que contengan cantidad escasa de fnictosa así como sacarosa y evitando el ayuno.
El deterioro de la oxidación de ácidos grasos produce hipoglucemia Varios trastornos en los que la oxidacidn de los Bcidos grasos es deficiente se caracterizan por hipogliicemia. Esto se debe a la dependencia de la gluconeogénesis de una oxidacihn activa de estos ácidos (véase antes). Estos trastornos se describen en el capitulo 24.
Tiempo (hora)
Figura 2 1 4 . Prueba d e tolerancia a la glucosa. Curvas de la glucosa sanguínea de una persona nomal y de un dtabbtico después de administracibn oral de 50 g de glucosa Nbtece la elevacdn inicial de la concentracidn en el diabetico El criterio de normalidad es que la curva regrese a su valor inicial en dos horas.
carina insulinodependiente, DSID) se caracteriza por disminución de la tolerancia a la glucosa debida a secreción insuficiente de insulina en respuesta a una carga de glucosa, Esto se manifiesta por concentraciones altas de glucosa sanguínea (hiperglucemia) y glucosuria y puede acompañarse con cambios en el metabolisino de lipidos. La tolerancia a la glucosa declina no sólo cn diabetes tipo 1 sino tambien en estados donde el higado se Icsiona; en algunas infecciones; en diabetes sac'uina tipo 11 (diabetes sacarina no insulinodependiente, DSNID), que se acompaiia con obesidad y valores elevados de ácidos gasos plasmaticos; bajo la influencia de algunos fámacos y en ocasiones en aterosclerosis. TambiCn, cabe esperar que ocurra en preseiicia de hiperactividad de la hiphfisis o la corteza suprarrenal, debido al antagonismo de las hormonas de esta glándulas endocrinas a la acción de la insulina. La insulina incrementa la tolerancia a glucosa. La inyección de insulina reduce el contenido de glucosa en sangre e incrementa su utilización y su almacenaje en hígado y musci~locomo glucógeno. Un exceso de insulina puede causar hipoglucernia grave, quc prosigue a convulsiones e inclusive muertc a menos que se administre glucosa con prontitud. En insuficiencia hipofisaria o suprarrenal se observa un incremento de tolerancia a la glucoca, atribuible a una reduccidn en el antagonismo normal a insulinapor parte de 1% hormonas que estas glindulas sccretan de manera normal.
RESUMEN 1) [,a gluconeogénesis es el mecanismo que convierte compuestos no carbohidratos a glucosa o glucdgeno. Suministra glucosa al cuerpo cuando no dispone de carbohidratos dietéticos. Los sustratos importantes son aminohcidos glucogénicos, lactato, glicerol y propionato.
2) La vía de gluconeogenesis,que tiene lugar en el hígado y riñón, utiliza las reacciones de la glucólisis que son reversibles, mas cuatro reacciones adicionales que evitan las reacciones irreversibles de no equilibrio. Las enzimas que catalizan las reacciones adicionales son: piruvato carboxilasa, fosfoenolpiruvato carboxicinasa, fructuosa- l,6-bisfosfatasa y glucosati-forfatasa. 3) El lactato forma piruvato, que entra a la mitocondria por carboxilación a oxalacctata, antes de su conversión a fosfoenolpiruvato seguida por biosíntesis de glucosa en el citosol. 4) Dado que gluc6lisis y gluconeogenesis comparten la misma vía pero operan en direcciones opuestas, sus actividades deben regiilme de rnariera recíproca, Esto sc logra por medio de tres mecanismos principales: 1 ) induccilin o represión de la síntesis enzimática. 2) modificaci6n mvalentc por rosforilacibn reversible y 3) efectos aloctéricor. 5) La cilula hcpatica, qiie es permeable a glucosa, constituye el medio principal de regulación de la concentración sanguínea de glucosa debido a que contiene la glucocinasa dc Km alta que se adapta especificarnente a la disposición dc la glucosa ingerida. La insulina, que se secreta en respuesta directa a hiperglucemia, colabora con el hígado para el almacenaje de glucosa corno glucógeno y facilita la captacihn de glucosa en tejidos extrahepáticos. Por el contrario, el glucagbn se secreta en respuesta a hipoglucemia y activa la fosforilasa en el hígado, que desencadena glucogenólisis y liberacibn dc glucosa a la sangre. 6) Las enzirnas defectuosas de la vía de gluconeoginesis conducen a hipoglucemia y lactacidosis. El bloqueo de la oxidación de ácidos grasos es causa adicional del deterioro de la gluconeogenesis y de hipoglucernia. 7 ) Una deficiencia en la secreción de insulina conduce a diabetes sacarina tipo 1..
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Vía de la pentosa fosfato y otras vías eel rnetaboAismo de hexosas Pefer A. Mayes, PhD, DSc
El ciclo d t la pentosa fosfato no genera A V , pero tiene dos funciones importantes: 1) La generacibn de NADPFI para la síntesis reductivas como la biosintesis de ácidos grasos y esteroides y 2) la fortnaci6n (provisirin) de ribosa para la biosintesis de nucle6tidos y de acidos nucleicos. La glucosa. fnictosa y galactosa son por su cantidad las hexosas más importantes que se absorben por las vías gastrointestinales. Derivan respectivamente del n l m i d ~ n ,sacarosa y lactosa dieteticos. Se han desarrollado vías especializadas en el cuerpo, en especial el hígado, para convertir fmctosa y galactosa a glucosa.
Las principales rutas metabblicac para la utilización de la glucosa son la glucólisis y la via de la pentosa fosfato. Las deficiencias de ciertas enzimas de la vía de pentosa fosfato son la causa principal de hemólisis, que conduce a un tipo de anemia hemolítica. La principal enzima afectada es la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. Cerca de 100 millones de personas en el mundo pueden tener valores bajos de esta enzima, determinados gedticamente. Las principales vías metabhlicas para la utilización de glucosa son Ia gluc6lisis y el ciclo de la pentosa fosfa~o.De mayor significado, pero de importancia cuantitativa menor para la excreci6n de metabolitos y compuestos quim icos extraaos (xenobi 6ticos) como glucurbnidos, es la elaboracibn de acido glucurbnico por la vía del acido urtínico a partir de glucosa. Una
deficiencia en esta vía conduce a un estado conocido como pentosuria esencia1. La ausencia total de iina enzima particular de la via en todos los primatec explica el hecho de que en la alimentaci~nhumana se requiere hcido ascbrbica (vitamina C), no asi en la mayor parte de otros mamíferos. Deficiencias en enzimas del metabolismo de fructosa y galactosa causan enfermedades metabólicas como fructosuria esencial y gal~ctosemias.La fnictosa se usa para alimentación parenteral, pero en concentracibn elevada puede causar deplccibn de nucleótidos de adenina en el higado y necrosis hepática.
LA V ~ ADE LA PENTOSA FOSFATO GENERA NADPH Y RIBOSA FOSFATO (Figura 22-1) La vía de la pentosa fosfato (derivado de la hexosa monofosfato) es un camino alterno para la oxidacibn de la glucosa. Es un proceso multiciclico en el ciial tres mo!éculas de glucosa-6-fosfato dan origen a tres moléculas de COzy a tres residuos de cinco carbonos. Estos últimos se ordenan para regenerar dos moléculas de glucosa-6-fosfato y una del intermedio glucolítico glicemldehido 3-focfato. Dado que dos moldculas del gliceraldehido 3-fosfato regeneran a la glucosa- 6-fosfato de la vía puede efectuar la oxidacion completa de la glucosa.
Gliceraldehido 3-fosfato + GNADPH + 6H'
246
(Cupitulo 22)
Bioyuimicu dc Hurper
6-Fosfato de glucosa
6-Fosfato de glucosa
NADP*+ H20 DESHIDROGENASA
NADPH +
NADP'+ HIO
NADP'+ H10
NADPH + Hf
Ht
6-FOSf0-
o-F0SfOgluconato
gluconato
Cb
6-Fosfato de glucosa
P
* ;_
6~
NADPH + Hr
NADPH t H'
-
Ribulosa 5-fosfato
Xilulosa 5-fosfato
NADPH + H*
caz
Ribulosa 5-fosfalo
- - Ribulosa 5-fosfato
Ribosa 5-fosfato
- --
Xilulosa 5-fosfalo
Slniesls de nuckalidos, ANA, DNA Gliceraldehido 3-fosfato
Cedoheptulosa 7-Iosfato
TRANSACDOMSA
FructOSa 6-fosíato
1
Eritrosa 4-fosfato
C b '*,
6-Fosfato de glucosa
Gliceraldehído 3-fosfato
112 Fructosa 6-fosfato
4 112 Fructosa 6-fosfato
C6
Glucosa 6-losfato
~Glucosa-6-fosfato
C*
c,
'
'11 6-Fosfato de glucosa
c,
Figura 22-7. Diagrama de flujo de la via de la pentosa fosfato y sus conexiones con la vía de la gluc6lisis. Como se indica, la via completa consiste en tras ciclos intermneciados donde la glucosa-6-fosfato es tanto sustrato como producto final Las reacciones arriba de la línea punteada son irreversibles, en tanta que las inferiores con reversibles.
LAS REACCIONES EN LA V ~ A PENTOSA FOSFATO SE DESARROLLA EN EL CITOSOL
Las enzirnas de la via de la pentosa fosfato como en la gluciilisis se encuentran en el citosol. Como en ella, la oxidación se logra por deshidrogenacibn; pero en el caso de la vía pentosa fosfato. se usa NADP' y no NAD' como aceptor de hidrógeno. Idasecuencia de reacciones de la vía puede dividirse en dos fases: una fase irreversible oxidativa y una fase reversible no oxidativa. En la primera, la glucow6-fosfaío experimenta deshidrogenación y descarboxilación para dar una pentosa, rihulosa-S-fosfato. En la segunda fase, la ribulosa-5-fosfato se convierte nuevamente a glucosa-6-fosfato por una serie de reacciones en las que intervienen principalmente dos enzimas: la transcetolasa y la transaldolasa (figura 72-11.
La fase oxidativa genera UADPH (figuras 22-1 y 22-2) La deshidrogenacibn de la glucosa-6-fosfato a ó-fosfogluconato se efectúa por la via de la formación de 6-fosfogluconolactona, reacción catalizada por la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, una enzima dependiente del NADP. La hidr~lisisde la 6-fosfogluconolactona se logra por la accibn de la enzima gluconolactona hidrolasa. Un segundo paso oxidativo es catalizado por la 6-fosfogluconato deshidrogenasa, la cual tambikn requiere NADP' como aceptor de hidrbgeno. Sigue la descarboxilación con la formación de la cetopentosa ribulosa-5-fosfato. La reacción probablemente se efectúa en dos pasos a través del intermedio 3-ceto-6-fosfogluconato.
La fase no oxidativa genera precursores de riboca La ribulosa 5-fasfato sirve ahora como sustrato para dos enzimas diferentes. La ribiilosa-Sfosfato 3-epimerasa altera la configuraci6n alrededor del carbono 3 , formando el epimero xilulosa-5-fosfato. que es otra cetopentosa. La ribosa 5-iosfato cetoisomerasa convierte el 5-fosfato de ribulosa a la aldopentoca correspondiente, esto es, el 5-fosfato de ribosa. mismo que es el precursor de los residuos d e ribosa que se requieren en la sintesis de nucleótido y ácido nucleico. La transcetotasa transfiere la unidad de dos carbonos, que contiene los carbonos 1 y 2 de una cetosa, al carbono aldehidico de una aldosa. Por tanto, efecnía la conversidn de una cetosa en una aldosa con dos carbonos menos y simultáneamente convierte una aldosa en una cetoca con dos carbonos más. La reacción requiere una vitamina B. tiamina, como la coenzima difosfato de tiarnina, además de iones Mf. El fragmento de dos carbonos transferido es probablemente el glucolaldehido enlazado al difosfato de
tiarnina, es decir, el "glucolaldehido activo". La transcetolasa catali7a la transferencia de la unidad de dos carbonos de la xilulosa-5-fosfato a la ribosa-5-focfato, aroduciendo la cetosa de siete carbonos sedoheatulosa5-fosfato y la aldoca gliceraldehído 3-fosfatg. Estos dos productos entran luego en otra reacción conocida como transaldolación. La transaldnlasa permite la transferencia de un grupo de tres carbonos, "la dihidroxiacetona activa" (carbonos I al 3) de la cetosa sedoheptulosa-7-fosfato a la aldosa gliceraldehldo 3fosfato para formar la cetosa fnictosa-6-fosfato y la aldosa de ciiatrci carbonos eritrosa-4-tbsfato. Una reacción posterior se efecíwa implicando otra vez a la transcetolasa, en la cual la xilulosa-5-fosfato sirve como donador del "glucolaldehido activo". En este caso, la eritrosa-4-fosfato, formada antes, actua coino aceptor y los productos de Ia reacción son fruct~sa-6-&fato y gliceraldehído-3-fosfato. Con el fin de oxidar a la glucosa completamente hasta CO? por la via de la p.entosa fosfato, es necesario que las enzimas esten presentes en el tejido para convertir el glicemldehido-3-fosfato en glucosa-6-fosfato. Esto implica que trabajan en sentido inverso las entimas de la vía d e glucólisis, ademas de la enzima gluconeogenicq fructosa-1 ,&bisfosfatasa. En ausencia de esta enzima, el 3-fosfato de gliceraldehido sigue la vía normal de la glucólisis a pimvata.
Las dos vías principales para el catabolisrno de glucosa tienen poco en común Aunque algunos metabolitosson comunes, por ejemplo, glucosa 6-fosfato, la ria de pentosa fosfatos es notablemente diferente de la glucolisis. En las primeras reacciones, que utilizan NADP en lugar de NAD, hay oxidacibn y COZes un producto caracterlstico, lo que no ocurre en toda la glucblisis. En la vía de pentosa fosfato no se genera ATP, en cambio esa es una funcibn principal de glucólisis. Los fosfatos de ribosa son el principal producto de la vía de la pentosa fosfato, pero no de la glucólisis.
En los tejidos especializados para síntesis reductivas se generan equivalentes reductores La valoracibn de la actividad de la vía de la pentosa fosfato en varios tejidos indica su importancia metab6lica. Es activa en hígado, tejido adiposo, corteza suprarrenal, tiroides, eritrocitos, testículos y glandulas mamarias en lactancia. No lo es en las glhndulas mamariaq si no hay lactancia y su actividad es baja en el m ~ s c u l oesquelktico. Todos los tejidos que tienen actividad de la vía utilizan NADPH en síntesis reductoras, por ejemplo, la síntesis de hcidos grasos, esteroides, aminohcidos por la ruta de la glutamato deshidrogenasa o glutatión reducido en los eritrocitos.
Bioauimica de Harner
248
HO
- C.-
H
NADPt
(CanĂrulo 221 NADPH + H '
HO-C-H .
i)
~ - i - o H
1
c l H9 0
I H-C
rdg2+ or cap' p
- OH
I HO-C-H
'\
79 -
HIt-OH DESHIDROGENASA
H- C
-
~ g ?:n2: or
100I
H-C-OH
I
HO-C-H I H-C-oH
I
HIDROLASA
H-C-OH
~H?-O-@ 6-Fosfogluconato
1
NADP'
[ !r:H ]m -
NADPt+ H'
CH,OH l CI = O
H-C-OH
'd-C-OH
I H-6-OH I CH,-O-@
H-C-OH
CH,-O-@ Forma enediol
3-Ceto-6-fost~luwnato
Ribulosa 5-fosfato
3-EPIMERASA
.................
'fH20H
'GH,DH 1 'G
H-C-OH E H-C-OH
H3C-OH I
*cH,-O-@
1
H-C-OH I CH,-O-@
Xriuiosa 5-tosfato
Seudoheptulasa 7-fosfato
Rtbosa 5-fosfato
ATL4
Tiamina-
AMP
M
~
@, ~
...............
H"C=O l H'G-OH 1
+
m
FH,
-O
I
H-C=O
-@
H-C-OH
I I
PRPP
H-C-OH I CH,-O-@
ZS
1 -
I
/
- OH
H -*c - OH
!
*GH2 - 0 -@
Fructosa 6-fosfato
HO-c-H
*c=o 1
HO
H -"
-
-
'CH,OH l
I
; *c=o I t IL . H.. O.. -. C.- H
TRANSALDOMSA
O
TH,M ,
I
*m,-O-B Gliceraldehido 3-fosfato
H - GI I
;
I t I8 H. O - C -. H +... .......I'
I H03C-H I
I H-C-OH
i
*C=O
j
=O
-G -H
~iamrna-@, ~ g ~
1
H-G-OH
Xilulosa 5-fusfato
'
H-C=O I H-C-OH
Gliceraldehido 3-fosfato
Figura 22-2. Via de la pentosa fesfato. (@,
I H-C-OH
I
H-C-OH
I CH,-O-@
Fructosa 6-fosfatu
PO^^-; PRPP, 5-focforribosi~-l-~irofocfato.)
Via de /u uentosu fosfato
Es probable que la presencia de lipogénesis activa o de un sistema que utiliza NADPH estimule una degradación activa de la glucosa por la vía de la pentosa rosfato. De este modo, se obtiene NADP' que normalmente es escaso debido a la naturaleza irreversible de las primeras reacciones en la vía. Tantbién puede inducirse la síntesis dc enzimas glucoca-6-fosfato deshidrogenasa y 6-fosfogluconato deshidrogenasa por la insulina durante circunstancias relacionadas con el "estado nutricional" (cuadro 2 1-1).
En casi todos los tejidos es posible la síntesis de ribosa La vía de la pentosa fosfato proporciona ribosa para la sintesis de nucleótidos y ácidos niicleicos (figura 22-2). La fuente es el intermedio ribosa-5-fosfato que reacciona para formar PRPP, utilizado en la biosintesis de nucleótidos (capitulo 36). El te-jidomuscular contiene cantidades muy pequeiías de glucosa-6-fosfato deshidrogenaa y 6-fosfogluconaro deshidrogenasa. No o'bstante,el musculo esquelético como miichos otros tejidos, es capaz de sintetizar ribosa 5-fosfato para la síntesis de nucleótidos. Es probable que esto se lleve a cabo por inversibn de la fase no oxidatíva de la vía pcntosa fosfato utilizando la fructosa-6-fosfato. Por tanto. no es necesario tener una via de pcntosa fosfato funcionando completamente para que un tejido cintetice ribosa fosfatos. La ribosa no ES un constituyente sanguíneo significativo de la circulacihn general. Por tanto, los tejidos deben satisfacer su propio requerimiento de este precursor importante de nucleótidos.
LA VIADE PENTOSA FOSFATO COLABORA CON G L U T A T I ~ N PEROXIDASA EN LA PROTECCIÓN DE LOS ERITROCITOS CONTRA HEM~LISIS La via de la pentosa fosfato en el eritrocito proporciona NADPH para la reducci6n del glutatitin oxidado a glutatión reducido catarizada por la glutation rcductasa,
y orrus vías dcl
mefaboltsmo de hexosns 218
una enzima flavoproteinica que contiene FAD. A su vez el glutariiin reducido remueve M:O2 del eritrocito en una reacción catalizadapor laglutation peroxidasa, una enzima que contiene el oligoelemento, seleniri (figura 22-3 j. Esta reaccihn es importante, ya quc la aciimulación de HzOz puede reducir la duración de la vida del eritrocito al incrementar la velocidad de oxidación de la hemoglobina a metahernoglobina.
EL GLUCURONATO, UN PRECURSOR DE PROTEOGLUCANOS Y DE GLUCURONIDOS CONJUGADOS, ES UN PRODUCTO DE LA VIA DEL ÁCIDO URONICO Aparte de las vias principales del metabolismo de la gliicosa-6-fosfato que se han descrito, existe una vía para la conversicin de glucosa en ácido glucurónico,acido ascórhico y pentosas, conocida come la vía del ácido uránico. Es tambibn una ruta oxidativa alterna para la glucosa, pero al igual que la via pentosa fosfato, no conduce a la generacibn de ATP. En la vía del acido uronico, el acido glucuronico se forma ñ partir de la glucosa por las reacciones que se muestran en la figura 2 2 4 . La glucosa-6-fosfato se convierte en glucosa-lfosfato, la cual reacciona entonces con el hifosfato de uridina ( U n ) formando el nuclebtido activo, difosfato de uridina y glucosa (UDPGlc}. Esta ultima reacción se cataliza por la enzima UDPGlc pirnfosforilasa. Todos estos pasos hasta aqui son los mismos señalados anteriormente en la vía de Ia glucogénesis hepática (capitulo 20). El UDPGlc se oxida en el carbono 6 por una operaci~nen dos pasos para convertirlo en acido glucurbnico. El producto de la oxidacihn, catatizada por una enzima dependiente del NAD, la UDPGlc deshidmgenasa, es por tanto UDP-glucuronato. El UDP-glucuronato es la forma "activa" del glucuronato para las reacciones que implican la incorporacibn de Bcido glucurónico a los proteoglucanor o para las reacciones en las cuales el glucumnato se conjuga con siistratos como las hormonas esteroides, ciertos medicamentos o la bilirrubina (figura 34-1 3).
FOSFATO DE -PENTOSA
PEROXIDASA
NADP*
2G-SH
Figura 22-3. Funcrbn de la via de la pentosa fosfato en la reaccibn catalizada por glutatibn peroxidasa de los eritrocitos. (G-S-S-G, glutatión oxidado; G-SH, glutatibn, Se, cofactor de celenro )
Bioquirnica de Harper
250
{Capitrrln 22)
H:c-o-QMUTPGA
1
H-C-OH
H-C-OH
-
1
o- - -
1
H-C-OW UTP
u
PP,
CH,OH
1
-
Gluwsa 1 -fosfato
/
2NADf 2NADH
CH.OH
+
Undindifosfatoglucosa (UDPGlc)
2H*
/
{-O O
Uridindfosfato glucuronato
GLUCUR~NIDOS H,O Pfokoglucanas UDP
n 7-0
NADH + H' NAO+
$ - O
~
~
q
-
0
~
~ - 5O 7 HO-5 - W
NADP' NAQPH + He
c=o H - 5 -0H HO-$ -H
m
'CH20H L-Xilosa
H-7-OH
H-C-OH HO-{ - H
3-Ceto-~~gulonatn
NADPH + Ht
PENTOSURIA
II
O
~Glucuronato
Oxalato
4 Glucolato
NAOP' BLOQUEO EN LA
C-O
'CH,OH L-Gulonato
Glucolaldehido
Gulonolactona BLOQUEO EN PRMATES Y COBAYOS O'
f
Y
BLOQUEO EN EL SER HUMANO
2-C~~PL-gulonolactona
wxiiosa 1-fosiato
-
?H,OH
t 'FHzDH
i
O 12Hl
HO-C-H
Xrlitol
HO-C-H
&CH,OH aXiioca 5-fosfato
L-Aswrbato
" CH,OH L-Deshtdroascorbato:
Via pentosa fosfato
Figum 22-4. Via del Bcido urbnico. (Indica el destino del carbono 1 de la glucosa, @
En una reacción dependiente del NADPH, el glucuronato se reduce a L-gulonato. Este último compuesto es el precursor directo del ascorbato en aquellos animales que son capaces de sintetizar esta vitamina. En el ser humano y otros primates, así come en los cobayoc, el hcido ascórbico no puede sintetizarse debido a la ausencia de la enzima ~gulonolactonaoxidasa. El gulonato se oxida a 3-ceto-L-gulonato que es entonces descarboxilado para formar la pentosa t-xilulosa. La L-xilulosa se convierte en el D-isomero mediante una reduccidn dependiente del NADPH que la convierte en xilitol, el cual entonces se oxida en una reaccion dependiente del NAD pasando a D-xilulosa; este último compuesto, después de convertirse en ~xilulosa-5-fosfatose metaboliza posteriormente en la vía pentosa fosfato.
PO^^-.)
LA INGESTIÓN DE CANTIDADES MASIVAS DE FRUCTOSA TIENE CONSECUENC~ASMETABOLICAS PROFUNDAS Las dietas abundantes en sacarosa o en jarabes de fnictosa alta (HFS), que se utilizan en la elaboración de alimentos y bebidas, conducen al ingreso en la vena porta de grandes cantidades de fructosa (y glucosa). La fmctosa se glucoliza por el hígado con mayor rapidez que la glucosa. Esto se debe al hecho de que no requiere el paso en e1 metabolismo de glucosa catalizado por fosfofnictocinasa, que es donde se ejerce el control sobre la velocidad del catabolismo de glucosa (figura 22-5). Esto ocasiona que la fmctosa
Vio de la pen~osufo.rfato y
orrm vías de¡ metabolismo
de hexo.sas
25 J
Dieta
t
[FRUGTUOCIMASA\ BLOQUEO EN LA FRUCTOSURlA ESENCIAL
AFP
FRUCTUOSA 1-P
Fructosa 1.6 bisfosfato
BLOQUEO EN INTOLERANCIA HEREDITARIA A LA FRUCTOSA
OIH1DROXIACETONA FOSFATO
TRIQSA 1SOMEWSA
ATP
GLICERALDEH~DO3-FOSFATO 4
t
DGLICERALDEH~DO
pEEiÑzq
Figura 22-5, Metabolismo de la fructoca La aldolasa A se encuentra en todos los tejidos a excepción del higado, donde sblo existe aldolasa B. (No se encuentra en el higado )
inunde Ias vías en el hígado causando incremento de la síntesis de hcidos grasos, de Ia esterificacih de &os y de la secreci6n de VLDL, que pueden elevar lo5 triacilgliceroles siricos y al fina! eleva las concentraciones de colesterol de LDL (figura 27-7). La cantidad adicional de glucosa captada por el torrente sanguíneo estimula Ia secrecibn de mhs insulina, que potencia todos estos efectos. Una cinasa especifica, la fructocinasa, se encuentra en el higado y efectúa la transferencia del fosfato desde el ATP a la hctosa, formando h c t o s a 1-fosfato. Tarnbidn se ha demostrado en el riilon e intestino. Esta enzima no fosforila a la glucosa y, a
diferencia de la glucocinasa, su actividad no se afecta por el ayuw o por la insulina, lo que puede explicar por qué la fructosa desaparece a una velocidad normal de la sangre de los pacienres diabdticoc. La Km de la enzima para la h c t o s a en el higado es muy baja, lo cual indica una gran afinidad de la enzima por su sustrato. Es probable que ésta sea la ruta principal para la fosforilacion de la fi-uctosa. La h c t o s a - 1 -fosfato se desdobla en D-glicesaldehida y fosfato de dihidroxiacetona por la aldolasa B, enzima que se encuentra en el higado. La enzima tambikn ataca a la fnictosa 1,6 bisfosfato. El D-gliceraldehido puede entrar en la serie de reacciones de la
252
Bioauim ica de H a r ~ e r
gluclilisis por medio de otra enzima presente en el hígado, la triocinasa, la cual cataliza su fosforilación a gliceraldehido 3-fosfato. Los dos triosafosfatos, el fosfato de dihidroxiacetona y el gliceraldehido 3-fosfato, pueden degradar por la vía de la glucólisis o comhinarsc por la influencia de la aldosa y convertirse en glucosa. Lo último es el destino de mucha de In fructosa metabolizada en el hígado. La hexocinasa cataliza la fosforilacion de la mayon'a de los anícares hexosas, inclusive la fnictosa. Sin embargo, en presencia de glucosa se inhibe en gran medida la fosforilación de la fnictosrt. Mhs aún, es probable que por esta vía parte de la fnictosa se pueda metabolizar en tejido adiposo y rnusculo. La fnictosa libre se encuentra en el plasma s ~ m i n ayl una cantidad significativa se secreta hacia la circulación fetal en los ungulados y ballenas donde se acumula en los líquidos amniótico y alantoideo. En todas estas situaciones representa una fuente potencial de energía.
LA GALACTOSA ES NECESARIA PARA LA S~NTESISDE LACTOSA, GLUCOL¡PIDOS, PROTEOGLUCANOS Y GCUCOPROTE~NAS La galactosa proviene de la hidrblisis en el intestino del disacarido lactosa, el anicar de la leche. En el hígado se convierte facilmente en glucosa. La facultad del hígado para llevar a cabo esta conversibn puede usarse como un examen del funcionamiento hepático en la prueba de tolerancia a la galactosa. La vía mediante la cual la galactosa se convierte en glucosa se muestm en la figura 2 2 4 . La galactosa se fosfwila mediante la galactocinasa usando ATP como donador de fosfato. El producto galactosa- 1 -fosfato, reacciona con el difosfato de uridina y glucosa (UDPGlc), para formar cl difosfato de uridina y galactosa (UDPGal) y glucosa- l -fosfato. En este paso, catalizado por una enzima llamada galactosa-1-fosfato uridiltrans-
Galactosa
t GalaCtOSa-l
I 7 UDPGlc?
BLOQUEO EN GAIACTOSEML':
-1osfato
FOSFOGLUCOMCITASA
-
6-FOSFATASA Glucosa-6-fosfato
B
UDPGlc
Glucosa
NAD'
-
Glucosa
UDPGal
Lactosa
6-Fosfato de giuwsa
-
Figura 22-6. Via de convercibn de A:
c 1-Fosfato de glucosa
Glucosa
Galactosa a glucosa en el hígado. B: Glucosa a galaciosa en la glandula mamaria
Yía de da pentosa fusfafo y otras vim del rnerubo/ismo de hexo.rus
ferasa, la galactosa se transporta a una posición en la
UDPGlc, reemplazando a la glucosa. La conversibn de galactosa en glucosa tiene lugar en una reacción del nucleótido que contiene galactosa catalizada por una epimerasa. El producto es UDPGlc. La epimerización probablemente implica una oxidacibn y reducción en el carbono 4, con N AD como coenzima. Finalmente, la glucosa se libera de la UDPGlc bajo la fonria de glucosa- 1-fosfato, probablemente desp~itsde !a incosporación al glucógeno seguida por fosforólisis. Debido a que la reaccihn con epimema es reversible, la glucosa pucde convertirse en galactosa, de modo que la gaiactosa preformada no es esencial en la dieta. La galactosa se necesita en el organismo no sólo para la formacidn de laciosa, sino también como un constituyente de los glucolipidos (cerebrosidos), proteoglucanos y glucoprotcinas. En la sintesis de lactosa en la glándula rnamaria, la glucosa se convierte en UDPGal por las enzima descritas anteriormente. La UDPGal se condensa con la glucosa para dar lactosa catalizada por la factosa sintasa (figura 2 2 4 ) .
La glucosa es precursor de todos los aminoazúcares (hexosaminas) Los aminoazúcares son componentes importantes de las glucoproteinas (capítulo 56), de ciertos glucoesfingolipidos (por ejemplo, gangliósidos) (capítulo 16), y de glucosaminoglucanos (capihllo 57). Los aminoazúcares principales son glucosamina, galactosamina y manosamina (todas éstas son hexosarninas) y el compuesto de nueve carbonos hcido siilico. El acido sihlico más importante que se encuentra en los tejidos humanos es el ácido IV-acetilneurarnínico (NeuAc). En la figura 22-7 se muestra un resumen de las interrelaciones entre los aminoazúcares; las siguientes son sus caracteristicas sobresalientes: 1) la glucosamina es el aminoanicar principal. Se forma como glucosamina 6-fosfato a partir de la fnictosa-6fosfato, utilizando a la glutamina como donador del grupo amino; 2) los aminoazúcares aparecen principalmente en la forma N-acetilada. El donador del radical acetilo es la acetil-COA; 3) la N-acetil manosarnina 6-fosfato se forma por epimerización de la glucosamina 6-fosfato; 4) NeuAc se forma por la condensación de rnanosamina 6-fosfato con fosfoenolpiruvato; 5) la galactosamina se sintetin por epimerización de UD?-A'-acetilglucosamina (WDPClcNAc) a UDPN-acetilgalactosamina (UDPGlcNAc); 6) los azúcares de nucleótidos son las formas en que Tos aminoazúcare5 se utilizan para la biosintesís de las glucoproteinas y de otros compuestos complejos; los anícares de nucl&tidos importantes, que contienen aminoazúcares con UDPGlcNAc, UDPGalNAc y CMP-NeuAc.
233
ASPECTOS CL~NICOS El deterioro de la vía de la pentosa fosfato conduce a hemolisis Una mutación presente en algunas poblaciones cauQ una deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidro,-enasa. con la consecuente perturbación en la formación de NADPH. Esta anormalidad se manifiesta como hemolisis cuando el individuo susceptible se sujeta a oxidantes, como el antipalhdico primacrina, aspirina o sulfonamidas o cuando ingiere habas (Y~ciafuvu -favismo), La glutatión peroxidasa es un antioxidante natural que se encuentm en numerosos tejidos y depende del suministro de NADPW. Ataca a perhxídos organices ademis del MzO?.Junto con la vitamina E, achía como parte de la defensa corporal contra la peroxidaciún lipidica (figura 16-27). Se tienen informes de cierta relación entre la frecuencia de algunos canceres y la presencia de concentraciones sanguineas bajas de selenio y de la actividad de la glutation peroxidasa. La medicí6n sanguínea de la actividad de la transcetolasa refleja el grado de deficiencia de tiamina. El unico trastorno donde su actividad se eleva es en la anemia perniciosa.
La interrupción de la vía del ácido urónico se produce por defectos enximáticos y por algunos fármacos En la pentosuria esencial, enfermedad hereditaria poco común, aparecen en la orina cantidades considerables de L-xilulosa. Este hallazgo puede explicarse por la ausencia cn pacientes pentosíiricos de la enzima necesaria para catalizar la reducción de L-xilulasa a xilitol. La administración parentera! de xilitol puede conducir a oxalosis que consiste en deposito de oxalato de calcio en encéfalo y rifiones. Esto se debe a la conversibn de n-xilulosa a oxalato a travCs de la formación de xilulosa l -fosfato. glucoaldehído y glucolato (figura 2 2 4 ) . Varios medicamentos incrementan de manera importante la velocidad de entrada de glucosa a la vía del ácido urónico. Por qjcrnplo, la administracibn de barbital o de clorobutanol a ratas causa un aumento significativo en la conversión de glucosa a glucuronato, 1.-giiIonato y accorbato. Se sabe que la arninopirina y antipirina aumentan la excreción de 1.-xilulosa en sujetos pentoslirícos.
La carga hepática con fructosa puede potenciar hipertriacilgliceralemia, hipercolesterolemia e hiperuricemla Ya se hizo referencia a los efectos de la fructosa sobre el metabolismo hepático en la promocion de la síntesis de triacilglicerol y secreción de VLDL e hipemiaciIglicerolemia, que puede 1levar a incremen-
254
Bioqtrimicu de Hurper
ATP GLUCOSA
(Capitulo 22)
GLUCOSA 1-FOSFATD ADP
t
GLUCOSA 6-FOSFATC
-
Ciclo del Bcido
citnco
Glucdl~sis FRUGTOSA 6-FOSFATO
PIRWVATO
CO1+H,O
UTP
GLUTAMATO Glucosamina
GLCICOSAMINA* p,
-
Acetil-COA
N-ACETICGLUCOSAM INA
N-ACETIL-
N-ACEflLGLUCOSAMINA
FLUCOSAMINA 6-FOSFATO
GLUCOSAMINOGLUCANOS (COMO HEPARINA)
1 -FOSFATO
b P>
N-ACETILMANOSAMINA
6-FOSFATO
UDP-
N-AC ETILGLUCOSAIAINA
FOSFOENOLPIRUVATO
NAO+
t Aciua N-ACETILNEURAM~NICO
1
-
GLUCOSAMINOGLUCANOS (AC100 HIALURGNICO) GLUCOPROTEINAS
1
-1
UDP N-AC ETILGALACTOSAMINA
9-FOSFATO
inhibitorio
ÁCIDO s r A ~ l c o GANGL16SlDOS GFUCOPROTEINAS
GLUCOSAMINOGLUCANOS (CONDROITINAS) GLUCOPROTE~NAS
Figura 22-7. Resumen de las interrelaciones en el metabolismo de los aminoazúcares ('Análogo al UDPGlc.) Es posible que otros nucleotidos d e purina o pirimidtna estén enlazados de manera similar a azúcares o aminoazúcares. Ejemplos son timidina de difosfalo (TDP)-glucosamina y TDP-N-acetitglucosamina
tos en las concentraciones de colesterol LDL, todo lo cual puede considerarse como potencialmente aterogénico (capitulo 28). Además, la sobrecarga aguda del higado con fructosa, como puede suceder con la infusión intravenosa o ingesta muy grande de ella, da lugar a secuestro de fosfato inorganico en el 1-fosfato de f r u c t o s a y disminuci6n de la síntesis de ATP. En consecuencia, se suprime la inhibicibn por el ATP de la enzima de la degradacibn del nuclebtido de adenina y se promueve la formacibn de hcido urico, produciéndose hipeniricemia, la cual es causa de gota
(capinilo 36). Estos efectos son de particular importancia en personas que tienen predisposici6n a la hipertriacilglicerolemia o hipemricernia.
Los defectos en el metabalismo de fructosa causan patología (figura 2 2 6 ) La carencia de fnictocinasa hepatica causa fructosuria esencial y la ausencia de aldolasa hepitica E, que
:a fos fato y otras vIas del rnetaholi.vmo de hexosas * 2.55 Vía de la pcnro~
degrada a la fmctosa 1-fosfato, conduce a intolerancia hereditaria a la fructosa. Las dietas deficientes en fructosa y sacarosa son benéficas en los dos trastornos. El defecto en la aldolasa €3 no afecta de manera tan nociva la actividad hacia el 1,ó-bisfccfato d e fructosa, así sólo hay ligero deterioro de la gluconeogenesis. Una consecuencia de la intolerancia hereditaria a fructosa y otro padecimiento causado por deficiencia de fructosa-l,dbisfosfatasa es una hipoglucemia inducida por fmctosa a pesar de la presencia de abundante resetva de glucógeno. Al parecer, la acumulaci6n de fructosa l-fosfato y fructosa 1,6-hisfosfato inhibe la actividad de la fosfori lasa hephtica por mecanismos alostéricos.
La catarata diabética se relaciona con la presencia de fructosa y sorbitol en el cristalino Normalmente, el cristalino humano contiene fructosa y sorhitol; la patogenia de la catarata diabética puede incluir un aumento en Ba concentracibn de éstas. La via del sorbitol (poIiol) (no localirada en el higaiio) es responsable de Ia fomacibn de fiuctosa a partir de glucosa (figura 22-5) y su actividad, aumenta confonne la concentración de glucosa aumenta en la diabetes, en aquellos tejidos que no son sensibles a la insulina; es decir, cristalinos, nervios periféricos y glomérulos renales. La aldosa reductasa cataliza la reducción de glucosa a sorbitol por la NADPH, seguida por oxidación de1 sorbitol a fructosa en presenciadeNAD4 y sorbitol rleshidrogenasa (polio1 deshidrogenasa). El sorbitol no se difunde con facilidad a través de las membranas celulares y, por tanto, se acumula para producir daño osmotico. De manera sirnulthnea, las concentraciones de rnioinositol bajan. La acurnulaci6n de sorbitol, disminucion de mioinositol y catarata diabctica pueden evitarse en ratas diabéticas mediante la adrninistraciiin de inhibidores de la aldosa reductasa, y se están oliteniendo resultados promisorios en la practica clínica. La aldosa reductasa se encuentra en la placenta de la oveja y ocasiona la secrecibn de sorbitol a la sangre fetal. La presencia de sorbitol deshidrogenasa en el hígado, incluyendo el fetal, conduce a la conversibn del sorbitol a hctosa. Esta vía es responsable tambidn de la presencia de fructosa en el liquido seminal. Cuando el sorbitol se administra por via intravenosa, se convierte a fructuosa y no a glucosa; por el contrario, si se administra por via oral, gran parte escapa a la absorción en el intestinoy se fermenta por las bacterias del colon a productos como acetato e hidrógeno. Los edulcorantes "exentos de azúcar" que contienen sorbitol pueden causar dolor abdominal (intolerancia al sorbitol).
Las deficiencias enzimáticas en la vía de la galactosa causan galactosemia En las galactosemias existe incapacidad para metabolizar esta hexosa y pueden deberse a deficiencia hereditaria de galactocinasa, uridilo transferasa o 4epimerasa (figura 22-6A), aunque la me-jor conocida es la deficiencia de uridilo transferasa. La galactosa, cuya concentracion sanguinea aumenta, se reduce por la aldosa reductasa en el ojo al polio1 con-espondiente (galactitol), que se acumula generando cataratas. El estado general es m& grave si la galactosemia se debe a deficiencia de uridilo transferasa, dado que hay acumulación de galactosa 1-fosfato y perdida de fosfato inorgánico hepatico. Por ultimo, ocurre insuficiencia hepática y deterioro mental. En la deficiencia de uridiE transferasa, la epimerasa eszá presente en cantidades adecuadas, por lo que la persona galactosémica aun puede formar UDPGal a partir de glucosa. Esto explica por qué es posible que los niiios afectados muestren crecimiento y desarrollo normales a pesar de la dieta exenta de galactosa para controlar los sintomas de la enfermedad. Se han descrito varios defectos gentiticos que causan deficiencia parcial m& que tofal, de la transferasa. Como normalmente la enzima esta presente en exceso, una reduccirin de su actividad de 50% o menos no causa síntomas o signos de enfermedad, por tanto, el defecto se identifica 5610 en homocigotos. Se han encontrado deficiencias eritrocitarias de epimerasa, pero en estos individuos aun existe en hfgado y otros drganos y aI parecer este tercer trastorno es asintomático.
RESUMEN 1) La vía de la pentosa fosfato, cuyas enzimas se encuentran en el citosol, puede realizar la oxidación completa de la glucosa y sus productos principales son NADPH y COL.La via no genera ATP. 2) Esta via tiene una fase oxidativa que es irreversible y genera NADPH y una fase no oxidativa, que es reversible y proporciona precursores de ribosa para la síntesis de nucle6tidos, incluyendo RNA y DNA. La vía completa existe s61o en los tejidos que requieren NADPH para slntesis reductorris; por ejemplo, lipogknesis o esteroidogenesis; en tanto que, la fase no oxidativa se encuentra en todas las dlulac que requieren ribosa. 3) En los eritrocitos, la vía tiene la importante hnci6n de evitar la hem6lisis ya que suministra NADPH para mantener al glutation en el estado reducido. A
su vez, el glutatión sirve como sustrato de la glutatiiin peroxidasa, que es esencial para eliminar a la H202, nociva para la celula. 4) La vía del acido urónico suministra ácido glucurónico necesario para la conjugacibn con numerosas sustancias endógenac y exógenas, que se eliminan en la orina como glucurbnídos. 5) La h c t o s a tiene fácil acceso a las vias metabolicas, esquivando el paso principal de control de la
gliicólisis. cata1izado por fosfofnictocinasa. Por tanto, estimula la síntesis de ácidos grasos y la secrecibn de triacilglicerol hepático. Igual que la galactosa, forma con facilidad glucosa en el higado. 6 ) La galactosa se sintetiza a partir de la glucosa en la glándula mamaria y en otros tejidos donde se requiere para la formacidn de glucolipidos, proteoglucanos y glucoprotetnas. I
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