METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMEN LIC. NUTRICIÓN – ANALISTA BIOLÓGICO QCA. BIOLÓGICA PARA COMPLETAR EL METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS Bolilla 5 Metabolismo del Glucógeno: Glucogenolisis y Glucogenogénesis Biosíntesis de Glucosa: Gluconeogénesis, reacciones, costo energético PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMEN  

METABOLISMO DE LOS CARBOHIDRATOS TERMINOLOGÍA GLICOLISIS: Degradación anaeróbica de glucosa, fructosa, galactosa hasta piruvato. VÍA GLICOLÍTICA GLUCONEOGENESIS: Síntesis de glucosa a partir de otros precursores diferentes a hidratos de carbono GLUCOGENOGENESIS: Conversión de glucosa en glucógeno GLUCOGENOLISIS: Degradación de glucógeno a glucosa

Destinos metabólicos de la glucosa Glicólisis -Via Glicolitica Glucógeno Glucógeno- génesis Glucógeno- lisis Glucosa Glucosa-6-fosfatasa (solo en hígado) Via de las Pentosas Ribosa-5-P GLUCOSA-6-P Gluconeo- genesis Glicólisis -Via Glicolitica Piruvato

METABOLISMO DEL GLUCOGENO GLUCOGENOLISIS DEGRADACION GLUCOGENOGENESIS BIOSINTESIS La síntesis y degradación de glucógeno está cuidadosamente regulada entre sí para cumplir con las necesidades energéticas de la célula

¿Es ventajoso tener una estructura ramificada? Estructura del Glucógeno Gránulos de Glucógeno (hepatocito) GLUCÓGENO Está presente en citosol formando gránulos (100-400 A°) Es un polímero de la glucosa de alto peso molecular, soluble en agua Es muy ramificado: cada 8-12 unidades de Glucosa presenta una unión a 1-6 o punto de ramificación Micrografía electrónica mitocondria ¿Es ventajoso tener una estructura ramificada? Presenta gran número de glucosa terminales ó extremos (no reductores) Los extremos son de fácil acceso a enzimas de la degradación Esto posibilita una degradación rápida También aumenta la velocidad de síntesis Ramificación de la molécula de Glucógeno: 10%

Estructura del Glucógeno unión (a 1-6) unión (a 1-4) Cadena lineal Punto de Ramificación Extremos No Reductores

Estructura del Glucógeno Extremos No Reductores

Tamaño de los depósitos FUNCIONES DEL GLUCÓGENO Función general Almacena el exceso de Glucosa de la dieta Cubre las necesidades de Glucosa a corto plazo (hipoglucemia, hipoxia) GLUCÓGENO HEPÁTICO GLUCÓGENO MUSCULAR Función principal -Mantiene la concentración de Glucosa en sangre (tras las comidas y en las primeras fases del ayuno) -Combustible de reserva para la contracción muscular intensa Otras funciones -Almacena Glu en períodos de excesos (después de las comidas) -Hígado: Posee la enzima que desfoforila Glu-6P -Libera Glu a la sangre (intervalos entre comidas) -Asegura la provisión de Glu en todos los tejidos -Músculo: Carece de la fosfatasa que desfoforila Glu-6P -No puede liberar Glu a la sangre -Se degrada para obtener energía en el músculo Tamaño de los depósitos -10% peso húmedo del hígado -duran sólo 12-24 hs durante el ayuno!! -1-2% peso húmedo del músculo

METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS - Gluconeogenesis BIOSÍNTESIS DE CARBOHIDRATOS - GLUCOGENOGENESIS Los procesos de biosíntesis no son nunca la simple inversion de las correspondientes rutas catabólicas

BIOSÍNTESIS DEL GLUCOGENO GLUCOGENOGENESIS ¿Dónde ocurre? Principalmente en las células animales En el citosol Es una vía importante en hígado y músculo ¿Cuándo ocurre? Proceso activo después de una ingesta rica en Hidratos de Carbono

GLUCOGENOGENESIS ¿Qué requiere? Cuatro Enzimas UTP como nucleótido activador de Glucosa Molécula de Glucógeno preexistente ó Un “cebador” (proteína) para iniciar la síntesis si no hay una molécula de Glucógeno preexitente ATP como dador de energía La biosíntesis de glucógeno está coordinada recíprocamente con la degradación

¿Qué enzimas intervienen? GLUCOGENOGENESIS ¿Qué enzimas intervienen? 1) Fosfoglucomutasa 2) UDP-glucosa pirofosforilasa (glucosa-1-P uridil transferasa) 3) Glucogeno sintasa 4) Enzima ramificante La UDP-glucosa es el sustrato de la enzima glucógeno sintasa Se inicia con glucosa-6-fosfato que se convierte en glucosa-1-fosfato por acción de una mutasa.

GLUCOGENOGENESIS ¿Qué etapas presenta? 1) Fosforilación de Glucosa en el C-6 por acción de hexoquinasas 2) Formación de Glucosa-1P, a partir de Glucosa-6P por acción de fosfoglucomutasa 3) “Activación” de Glucosa-1P, a UDP-Glucosa por acción de UDP-glucosa pirofosforilasa 4) Elongación de la cadena de Glucógeno: adición de Glucosa en una molécula de Glucógeno preexistente o a la proteína Glucogenina por acción de glucógeno sintasa 5) Formación de ramificaciones por acción de enzima ramificante

GLUCOGENOGENESIS Etapa 1) Fosforilación de Glucosa en el C-6 por acción de hexoquinasas Repasar Vía Glicolítica…… Etapa 2) Formación de Glucosa-1P Fosfoglucomutasa (Mg2+, Glu 1,6 bisP) Glucosa-6-P Glucosa-1-P Etapa 3) “Activación” de Glucosa-1P UDP-glucosa pirofosforilasa Glucosa-1-P + UTP UDP-Glucosa + PPi 2 Pi pirofosfatasa

Etapa 3) FORMACION DE UDP-Glucosa LUIS LELOIR (1906-1988), Premio Nobel en Química Año 1970, discípulo de Houssay Identificó el papel de la UDP.-Glu Glucosa-1-fosfato Glucosa-6-fosfato Glucosa Hexoquinasa Fosfoglucomutasa UDP-Glucosa UDP-Glu fosforilasa UTP UDP

Etapa 3) FORMACION DE UDP-Glucosa

Etapa 4) Elongación de la cadena de Glucógeno Glucógeno sintasa GLUCOGENOGENESIS Etapa 4) Elongación de la cadena de Glucógeno Glucógeno sintasa UDP-Glucosa + Glucógeno (n) (preexistente ó “Glucogenina”) Glucógeno (n+ 1) + UDP Unión a-1,4

Etapa 4) REACCION DE LA GLUCOGENO SINTASA Uridina n UDP-glucosa Glucógeno (extremo no reductor) Uridina Glucógeno sintasa UDP Nuevo extremo no reductor Glucógeno (n+1)

GLUCOGENOGENESIS Etapa 5) Formación de ramificaciones Enzima ramificante : Amilo a(1,4 1,6) glucosil transferasa Forma enlaces glicosídico a(1,6) para las ramificaciones de la molécula de glucógeno

Etapa 5) Ramificación: una enzima ramificante (amilo (1,4 →1,6)- glucosil transferasa) traslada una cadena terminal de unos seis o siete residuos de glucosa, a un grupo hidroxilo situado en la posición 6 de un residuo de glucosa en el interior del polímero formándose enlaces (1->6) en los puntos de ramificación. Enzima ramificante Extremos no reductores Punto de ramificación (α-1,6) 20

GLUCOGENOGENESIS Gasto Energético Glucosa-6-P 1 ATP Activación de glucosa 1 UTP (UDP + ATP = UTP + ADP) Hidrólisis PP a 2 Pi (se rompe una unión de alta energía) Por cada unidad de GLU que se utiliza en la síntesis de glucógeno, se gastan: 2 ATP y 3 uniones ricas en energía.

Regulación de la GLUCOGENOGENESIS REGULACION ALOSTERICA: sobre Glucógeno sintasa Glu-6-P (+) Ca++ (-) Glucogeno (-) REGULACION POR MODIFICACION COVALENTE: FOSFORILACION/DESFOSFORILACION de la Glucógeno sintasa. REGULACION HORMONAL: INSULINA, GLUCAGON (Hepatocitos), ADRENALINA (Cels. Musculares).

REGULACIÓN HORMONAL Y POR MODIFICACIÓN COVALENTE Cuando la Glucógeno sintasa (GS) está fosforilada es poco activa (GSb), mientras que cuando se encuentra desfosforilada es muy activa (GSa). Esta regulación está sometida a control hormonal. P (+) Fosfatasa INSULINA Sintasa B (poco activa) P Sintasa A (muy activa) (+) Quinasa ADRENALINA GLUCAGÓN ATP ADP

Regulación Hormonal de la GLUCÓGENO-GENESIS Glucógeno sintasa (+) Insulina (-) Adrenalina ó Glucagón Hormonal (+) Glucosa-6-fosfato (-)Ca++ (-) Glucógeno Alostérica

DEGRADACION DEL GLUCOGENO GLUCOGENOLISIS ¿Cuándo se activa? SE ACTIVA CUANDO LA CELULA NECESITA ENERGIA Y NO DISPONE DE GLUCOSA (entre comidas, actividad muscular intensa) ¿Dónde ocurre? TIENE LUGAR EN EL CITOPLASMA DE LAS CELULAS ES UN PROCESO MUY ACTIVO EN HIGADO Y MUSCULO ESQUELETICO

GLUCOGENOLISIS ¿Qué etapas presenta? 1- Liberación de unidades de glucosa-1-fosfato : acción de glucógeno fosforilasa 2- Transferencia de unidades del trisacárido terminal al extremo de la rama vecina: acción deTransferasa 3- Hidrólisis de las uniones a 1,6 glicosídicas: acción de alfa- 1,6 glicosidasa 4- Formación de glucosa-6-fosfato a partir de la glucosa-1-fosfato :por fosfoglucomutasa 5- Liberación glucosa a partir de la glucosa-6-fosfato: En hígado por acción de glucosa-6-fosfatasa

GLUCOGENOLISIS REACCIONES Eliminación de GLUCOSA del extremo no reductor (uniones a-1,4) Hidrólisis de los enlaces glucosídicos en los puntos de ramificación (uniones a-1,6)

Enzimas que intervienen en el proceso de degradación del GLUCOGENO GLUCOGENO FOSFORILASA AMILO-a (1,6) GLUCOSIDASA FOSFOGLUCOMUTASA

REACCIONES DE LA GLUCOGENOLISIS GLUCOGENO FOSFORILASA AMILO- a(1,6)-GLUCOSIDASA GLUCOGENOn + Pi GLUCOGENOn-1 + GLUCOSA-1-P uniones a-1,4 SE ELIMINA UN PUNTO DE RAMIFICACIÓN GLUCOGENOn + Pi GLUCOGENO n-1 + GLUCOSA uniones a-1,6

Glucógeno fosforilasa

Glucógeno fosforilasa Fosfogluco- mutasa (1,41,4) glucanotransfersa Enzima desramificante n Glu-6-P (16) glucosidasa Enzima desramificante Glu-6-P Hexoquinasa

GLUCOGENO FOSFORILASA Es una enzima que se regula covalentemente Es activa cuando está fosforilada Es inactiva cuando está desfosforilada

REGULACION DE LA GLUCOGENOLISIS REGULACION ALOSTERICA : AMP/ATP b) REGULACION HORMONAL: Intervienen 3 hormonas 1)INSULINA 2) GLUCAGON (Hepatocito) 3) ADRENALINA (Células musculares)

Regulación covalente de la glucógeno fosforilasa FOSFORILASA (b) FOSFORILASA (a) (inactiva) (activa) 4 Pi P P ATP ADP P P

REGULACION POR MODIFICACION COVALENTE Modificación de la actividad de la glucógeno fosforilasa mediante fosforilación: la fosforilasa B (poco activa) no está fosforilada, mientras que la fosforilasa A (muy activa) se encuentra FOSFORILADA. Esta regulación está sometida a control hormonal. Fosforilasa fosfatasa (PPT) Fosforilasa quinasa Glucagón (higado) Adrenalina Ca2+, AMP (músculo) Insulina (+)

Adrenalina (músculo) Glucagón (hígado) Célula hepática o muscular

GLUCOGENOLISIS ¿COMO SE REGULA EN MUSCULO? Cuando el músculo necesita una rápida provisión de energía (carrera, estados estrés emocional, agresión física) Aumentan los niveles de AMP Se libera ADRENALINA Se activa la Glucógeno fosforilasa y se libera glucosa-1-fosfato

GLUCOGENOLISIS ¿Cuándo y cómo se regula en HIGADO? Cuando BAJAN los niveles de glucosa sanguínea Se libera glucagón del páncreas Se activa la adenilato ciclasa y en consecuencia la glucógenolisis. Sobre glucosa 1-fosfato actúa una fosfatasa y se libera glucosa libre en sangre.

¿Qué sucede cuando AUMENTAN los niveles de glucosa sanguínea? Se libera Insulina del páncreas Se estimula la actividad fosfatasa Se inhibe la glucógeno fosforilasa

La biosíntesis y degradación están coordinadamente reguladas GLUCOSA Fosforilación ACTIVA Fosforilación INACTIVA GLUCOSA-6-P GLUCOGENO n-1 UTP GLUCOSA-1-P UDPG UDPG-pirofosforilasa Enzima desramificante GLUCOGENO (n) Glucógeno sintetasa UDP Glucógeno fosforilasa Enzima ramificante Pi GLUCOGENO n+1

METABOLISMO DEL GLUCOGENO HEPATICO Y CONTROL DE LA GLUCEMIA Cuando se ingieren carbohidratos con la dieta y los niveles de glucemia aumentan: La actividad de la glucógeno fosforilasa-A hepática disminuye rápidamente y, después de un tiempo (o tiempo de latencia) aumenta rápidamente la actividad glucógeno sintasa.

TP N° 3 - PROBLEMAS DE APLICACIÓN 4- Glucogenólisis: A partir del glucógeno por la acción secuencial de dos enzimas se libera glucosa-1-fosfato y glucosa: a- ¿En qué situaciones fisiológicas se activa esta vía? b- Mediante un esquema realice las reacciones involucradas. Nombre las enzimas. c- Una de ellas es un ejemplo importante de regulación por modificación covalente. Analice su comportamiento con un esquema simple.  

5- Glucogenogénesis: En animales, el exceso de glucosa disponible de los glúcidos de la dieta se almacenan en forma glucógeno. a- ¿En que situaciones fisiológicas se activa esta vía? b-. Considerando el punto de inicio de la síntesis como glucosa-6-fosfato, esquematice las reacciones involucradas señalando las enzimas que las catalizan. c- Una de ellas se regula de manera recíproca a la enzima de la glucogenólisis. Analice su comportamiento

6- En condiciones de hipoglucemia se libera la hormona glucagón, debido a su acción se incrementan los niveles de AMPc intracelular. Fundamente cómo se encontrarán los siguientes procesos en esta condición y sus consecuencias para la glucemia: a) glucogenogénesis. b) glucogenólisis

7- En condiciones de hiperglucemia, se libera la hormona insulina 7- En condiciones de hiperglucemia, se libera la hormona insulina. Esta hormona, entre otros efectos, activa enzimas con acción de proteínas fosfatasas. Argumente cómo se encontrarán los siguientes procesos en tal condición y señale sus consecuencias para la glucemia: a) glucogenogénesis. b) glucogenólisis

Bibliografía 1- BLANCO A., “Química Biológica”, Ed. El Ateneo, 8a edic., Bs. As. (2007). 2- LEHNINGER, A.L., "Principios de Bioquímica", Ed. Omega, 4ª ed. (2008). 3- LIM M.Y., “ Lo esencial en Metabolismo y Nutrición”, Ed. Elsevier, 3ra. ed., Barcelona (2010). 4- Docentes de Química Biológica, “QUIMICA BIOLOGICA Orientada a Ciencias de los Alimentos”, Nueva Editorial Universitaria de la Universidad Nacional de San Luis.

Estructura del glucógeno OH enzima ramificante enlace 1,6 extremo no reductor OH