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• Daniel Vela

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Metabolismo del glucógeno Glucosa

http://www.sccollege.edu/pic/$Private/816_liver.jpg

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Bibliografía Voet, D., J. Voet y C. Pratt Capítulo 15.1, 15.2 y 15.3 McKee, T. y J. McKee. Capítulo 8.5 Mathews. Capítulo 15. Metabolismo del glucógeno (incluye gluconeogénesis) Champe, et al., 3ª. Ed. Biochemistry. Glycogen metabolism Murray, et al. Harper, Bioquímica ilustrada. Capítulo 18. Metabolismo del glucóneno

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Introducción El cuerpo humano necesita constantemente de glucosa para llevar a cabo procesos metabólicos Glucosa es la fuente de energía preferencial en: - Cerebro - Eritrocitos (células con pocas o sin mito) - Tejido muscular bajo condiciones anaeróbicas (ejercicio) Tres fuentes principales de glucosa: - Dieta (esporádico) - Gluconeogénesis (fuente constante, proceso lento) - Degradación de glucógeno (rápida movilización)

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Fuentes de glucógeno en cuerpo Se encuentra principalmente: - Músculo esquelético (fuente energía sólo para la contracción) - Hígado (mantiene los niveles de azúcar en sangre (~5 mM en la sangre)

Células en general (poca cantidad para su uso individual)

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¿Dónde estamos?

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Glucógeno - Se sintetiza después de ingerir alimento Æ glucogénesis hepática - Una parte es sintetizada a partir de moléculas C3 lactato y alanina - Se almacena en principio en el hígado - Proporciona un suministro constante de Glu (12-18h) El hígado puede almacenar glucosa para abastecer al cerebro medio día. En condiciones de ayuno prolongado, la demanda de glucosa se satisface por gluconeogénesis Roma-2008

Glucosa 6-fosfato Se sintetiza por: - Degradación de glucosa, - Degradación de glucógeno - Gluconeogénesis G-6-P es precursor de la síntesis de glucógeno y de la vía de las pentosas

Glucosa se metaboliza a piruvato y se incorpora como Acetyl-CoA al ciclo del Ac cítrico Lactato y aminoácidos se convierten a piruvato y a su vez, son precursores de la gluconeogénesis Roma-2008

Estructura del glucógeno A-D-glu

Gránulos de aprox. 400 a millones de daltons Enlaces α-1,4 glucosídicos 1 cada 12 residuos aprox. Ramifica cada 8-10 residuos, enlaces α 1,6 glucosídico Su extremo reductor está enlazado a una proteína glucogénina con un enlace beta a un residuo de tirosina Gránulos de glucógeno, hacia las ramas externas, contienen enzimas que lo sintetizan y la que lo degradan

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Enlaces… 1,4 y 1,6 Enlaces α-1,4 Enlaces α-1,6

Su estructura ramificada incrementa su solubilidad lo que permite su rápida síntesis y degradación http://www.center.osaka-wu.ac.jp/~ymakino/

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Glucógeno Polímero de D-glucosa con enlaces α(1-4) con ramificaciones α(16) cada 8-14 residuos. Los gránulos intracelulares forman unidades que contienen las enzimas que lo degradan y regulan este proceso. Presente principalmente en: células del músculo y células hepáticas.

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Glucógeno

Molécula de glucógeno

Glucógeno fosforilasa

α- Moléculas esféricas de glucógeno

La hendidura sólo puede alojar 4 ó 5 residuos,por ello no puede degradar ramificaiones

β- proteínas metabólicas asociadas

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Glucogenólisis: degradación Requiere tres enzimas: 1.

Glucógeno fosforilasa. Sustituye el enlaces 1,4 glucosídicos de un residuo, por un grupo P Æ G-1-P Una unidad de glucosa a la vez es liberada. Sólo si está a 5 unidades del punto de Qué enlaces rompe y qué enlaces forma ramificación la desramificadora?

2. Desramificadora de Glucógeno. Elimina ramificaciones y permite que los residuos sean accesibles a la fosforilasa: 4 α-glucanotransferasa y Amilo α-1,6-glucosidasa VOET: glucosiltransferasa: α 1,4 transglucosilasa 3. Fosfoglucomutasa. Convierte G-1-P en G-6-P

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1. Glucógeno fosforilasa

Tiene como cofactor al Piridoxal-5’-fosfato (PLF) Derivado de la Vit-B6 Libera una unidad de glucosa sólo si está alejada al menos 5 unidades de un punto de ramificación http://www.rcmm.dote.hu/gergely.htm

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1. Glucógeno fosforilasa 1. Formación de un complejo cuaternario E-Pi-glucógeno (BH+ cadena lateral de un aa (Lys?) mantiene el PLP neutro) 2. Formación de un ión oxonio (H3O+) involucrado en la catálisis ácida por el Pi 3. Reacción del oxonio con el Pi para formar la G-1-P Roma-2008

Desramificación Desrramificación: 2 enzimas: 4- α-glucotransferasa Amilo-α-1,6-glucosidasa VOET: UNA enzima glucosiltransferasa…!!! α 1,4 transglucosilasa

El último residuo, es hidrolizado, no es fosforilado

http://www.center.osaka-wu.ac.jp/~ymakino/

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Glucógeno fosforilasa T y R

Estado T la subunidad fosforilasa b dimérica sin efectores alostéricos Estado R con AMPc unido (reglulación de glucogenólisis y glucogénesis) (inhibe la glucogénesis) Solo el grupo fosfato participa en la catálisis. Actúa como catalizador ácido base general. Roma-2008

1. Glucógeno fosforilasa Dos formas: - Fosforilada: Fosforilasa a. Tejidos con mayor demanda energética (músculo activo). Fosforilada - Defosforilada: Fosforilasa b. Músculos inactivos. No fosforilada Regulada por interacciones alostéricas y modificaciones covalentes (forforilación y defosforilación) Inhibidores alostéricos: ATP y G-6-P Activador alostérico: AMP Inhibidor alostérico en hígado: Glucosa Inhibidor: 1,5-gluconolactona (análogo geométrico de la media silla del ión oxonio) Los inhibidores y actúan en forma ligeramente diferente en las dos formas OJO: Los residuos de glucosa se eliminan desde el extremo NO reductor Roma-2008

Control de la glucóneno-fosforilasa Baja afinidad por sustrato

Alta afinidad por sustrato

Regulada por modificaciones alostéricas y covalentes, fosforilación y desfosforilación El AMP promueve el desvío T a R

La fosforilasa b (menos activa) por AMP activa alostéricamente y el ATP y G-6-P inhibe alostéricamente. Bajo condiciones fisiológicas está en su forma T La fosforilasa a (mas activa), no responde comunmente a estos efectores y está mayormente en la forma R, a menos que haya Roma-2008 un alto nivel de glucosa

Enzima desramificadora Oligo (α1-6) a (α1-4) Glucantransferasa. Se transfieren tres residuos de glucosa con unión α(1-4) terminales desde la rama que ya no puede catalizar la fosforilasa, hacia el extremo no reductor La rama que se alargó, queda disponible para la fosforilasa El residuo α(1-6) es hidrolizado por la misma enzima. Produce: una cadena alargada y una molécula de Glu libre Roma-2008

Velocidades de rxn La velocidad de reacción del glucógeno fosforilasa es mucho mayor que la velocidad de la desramificadora. Bajo condiciones de alta demanda metabólica, las ramas externas del glucógeno (casi la mitad de los residuos) se degradan en unos pocos segundos en el músculo. La degradación completa, que incluye las reacciones de desramificación, es más lenta. Por ello, el músculo sólo puede aguantar su esfuerzo máximo por unos pocos segundos Roma-2008

3. Fosfoglucomutasa

1.

El OH del C-6 de la Glu ataca el P de la fosfoenzima

2. Se forma el intermediario G-1,6 biP. El OH de la Ser de la enzima ataca al fosforilo del C-1 3. Se forma la G-6-P y se regenera la fosfoenzima

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3. Fosfoglucomutasa La glucosa-6-P resultante: es impermeable a la membrana. Clase, porqué…?? La G-6-P se produce en el citosol y la G-6-Pasa reside en la mb del retículo endoplásmico, por lo que la G-6-P debe ser importada al RE por una translocasa. La G-6-P es hidrolizada a Glucosa + Pi y regresa al citosol y puede ser distribuida a otros tejidos. Enzima endémica de hígado y riñón

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Glucosa-6-fosfatasa en RE En hígado y riñón: Cataliza el último paso de la glucogenólisis y de la ruta de gluconeogénesis G-6-P entra al RE vía un transportador, es hidrolizada por la G-6fosfatasa por una enzima transmembranal

La enfermedad de deficiencia de almacenaje de glucógeno tipo Ia se debe a un defecto en la fosfatasa y la tipo Ib a un defecto en el transportador de G-6-P http://www.icp.be/grm/Carbohydrate/contributions.htm

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Síntesis de glucógeno Es una ruta termodinámicamente desfavorable ∆G positivo

3 enzimas: 1.

UDP-glucosa pirofosforilasa,

2. Glucógeno sintasa OJO: Voet pág. 481, dice desramificadora. Es un error

3. Enzima ramificadora del glucógeno Roma-2008

1. UDP-glucosa fosforilasa Como tiene un ∆G positivo, requiere de un paso exergónico como es la ruptura de un nucleósido trifosfato –uridin trifosfato (UTP) para formar PPi El O del fosforilo de G-1-P ataca al átomo α-fósforoso de UTP y forma UDP-glucosa y pirofosfato inorgánico PPi El PPi es hidrolizado por la pirofosfatasa inorgánica

UDP-glucosa Roma-2008

2. Glucógeno sintasa Cataliza la transferencia del grupo glucosilo de la UDP-glucosa a los extremos no reductores del glucógeno

Este proceso incluye la formación de un ión oxonio por la eliminación de UDP.

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2. Glucógeno sintasa Glucógeno sintasa: en condiciones de alimentación normal, Activada alostéricamente por: G-6-P Glucógeno sintasa también es controlada alostéricamente: Inhibida por ↑ concentraciones de ATP, ADP y Pi (Voet, p. 486) Glucógeno sintasa fosforilada = inactiva Glucógeno sintasa des-fosforilada= activa Sólo genera enlaces α(1Æ4) y produce α-amilosa La enzima desfosforilada puede activarse por G-6-P Se inhibe por la 1,5-gluconolactona (análogo geométrico de la media silla del ión oxonio) Extiende una cadena glucano ligada α(1-4) existente (no une a dos glucosas) Roma-2008

Síntesis… Se requiere de una cadena de glucógeno. Aparentemente se incia por la transferencia de glucosa desde la UDP-glucosa a un residuo específico de tirosina en una proteína cebadora “glucogenina” La glucogenina extiende la cadena glucosa por más de siete residuos de glucosa, donados por UDPG lo que forma al cebador Esto inicia la síntesis del glucógeno por extensión del cebador.

http://www.reactome.org/figures/glycogen_synthesis.jpg

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Nucleación de glucógeno Glucogenina G Requiere de un cebador de (α-1,4) cadena de poliglucosa de al menos ocho residuos (primera rama adherida a la glucogenina

Glucogenina

Cada nueva cadena se ramifica en cadenas (12 a 14 residuos) Las cadenas internas tienen dos ramificaciones α1,6 Una partícula madura, lista para continuar el proceso de síntesis posee aprox. 55,000resiuos de glucosa

Glucógeno Roma-2008

3. Enzima ramificadora Amilo-1,4Æ1,6) transglucosilasa

Se forma por transferencia de un segmento de 7 residuos desde un extremo, hasta el grupo C6-OH de un residuo glucosa en la misma cadena o en otra

Cada segmento puede llegar de una cadena de al menos 11 residuos y el nuevo punto está alejado al menos 4 residuos

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Control hormonal La unión de adrenalina a los receptores adrenérgicos (β) aumenta la [AMPc] que promueve degradación de glucógeno en G-6-P (músculo) ó en glucosa (hígado) Hace más activa a la fosforilasa. El hígado responde de manera similar al glucagón

En el hígado, la unión de adrenalina a los receptores adrenérgicos (α) aumenta la [Ca2+] citosólica que también promueve la degradación del glucógeno A altas [Gluc] en sangre, la insulina promueve que las células lo internalicen, en le hígado se promueve la síntesis de glucógeno

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Patologías

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Regulación Glucógeno sintasa a (des-fosforilada = activa) Glucógeno sintasa b (fosforilada = inactiva)

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Regulación

Inactiva síntesis de glucógeno

Adrenalina y glucagon desencadenan la síntesis de AMPc e inhiben la síntesis del glucógeno al fosforilar la Glucógeno sintasa b.

http://sandwalk.blogspot.com/2007/05/regulating-glycogen-metabolism.html Roma-2008

Regulación

Adrenalina y glucagon, además de bloquear la síntesis de glucógeno, promueven la degradación del mismo al fosforilar la glucógeno fosforilasa a http://sandwalk.blogspot.com/2007/05/regulating-glycogen-metabolism.html Roma-2008

Papel de la insulina Por cada cinasa hay una fosfatasa

La insulina tiene el efecto contrario de glucagon y adrenalina. Cuando los niveles de azúcar sanguínea son altos, la insulina se enlaza a su receptor y de mb y desencadena una ruta de activación de la fosfatasa-1. Se desfosforilan las tres enzimas y activan la síntesis de glucógeno Roma-2008

Regulación hormonal

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Regulación Insulina Glucagon Adrenalina Glucógeno sintasa Glucógeno fosforilasa

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Ver estas ligas…

http://dwb.unl.edu/teacher/nsf/c11/c11links/web.indstat e.edu/thcme/mwking/glycogen.html

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http://www.med.unibs.it/~ marchesi/glycogen.html

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Fructosa en nuestra dieta Why is fructose such a strong signal for release of glucokinase. Remember, glucokinase is "not interested" in reacting with fructose. It is specific for glucose. Starch, which yields glucose during digestion, has been a main energy source for mankind since the agricultural revolution 8000-10000 years ago. Fructose is found in small quantities in many fruits and honey. The amount of fructose in our former diets was far lower than starch-derived glucose found in the food we have eaten for thousands of years. Combine an apple (5-7% fructose) and some wheat, potatoes or corn, and you get translocation of glucokinase and an active glucose metabolizing system (with a little fructose taken along for the ride). Fructose seems to have acted as a signal substance, used to activate glucose metabolism. The enzyme required to initiate fructose metabolism, fructokinase, is only found in quantity in the liver (and sperm cells). Furthermore, it is not under metabolic control. If fructose comes to the liver, it will be taken up and very quickly metabolized! The rapid metabolism of sugar at today’s very large levels appears to be responsible for excessive fatty acid synthesis in the liver. Because fructose metabolism "fills" glycolysis with substrate at a very high rate, frequent use of sucrose (remember sucrose is a dimer of fructose and glucose) or fructose promotes fat production. Measurement of plasma triglyceride levels has shown these to be increased by the chronic ingestion of sugar. There is a reliable correlation between sugar consumption, dyslipidemia and metabolic syndrome.

http://www.medbio.info/Horn/Time%201-2/carbohydrate_metabolism%20March%202007.htm

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