Metabolismo de la Glucosa (Enzimas clave)

Características y regulación de las enzimas clave del metabolismo de la glucosa. (Glucólisis, vía de las pentosas y gluconeogénesis)

1. Metabolismo de la Glucosa ENZIMAS CLAVE

2. La glucólisis o glicólisis es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula. Consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, el cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo Glicólisis

3. EC 2.7.1.1 Tipo Transferasa (Subclase quinasa) Coenzimas/Cofactores Mg 2+ ATP Inhibidores G6P ATP Km 0.032-3.8 mM Δ G°´ -16.7 -20.9 ( Músculo cardiaco) Δ G -27.2 ( Músculo cardiaco) Isoenzimas Hexoquinasa 1 Isoforma 1 (HKI): presente en todas las células. Isoforma 2 (HK-R): en eritrocitos. Isoforma 3 y 4 (HKI- ta / tb ): tejido testicular. Isoforma 5 (HKI- td ): tejido testicular. Hexoquinasa 2: predominantemente en músculo esquelético. Su expresión esta modulada por la insulina. Hexoquinasa 3: se encuentra en leucocitos Hexoquinasa 4 (Glucoquinasa) Isoforma 2: principal isoforma expresada en hígado. Isoforma 3: específica del hígado Hexoquinasa (HK) Estructura 3D de hexoquinasa de levadura. Hexoquinasa libre (a) y hexoquinasa unida a glucosa (b).

4. Regulación Hígado Es inhibida por G6P Km=10nM Músculo No es inhibida por G6P Km=o.1mM Regulación glucoquinasa Comparación de la cinética de la hexoquinasa IV (glucoquinasa) y hexoquinasa I

5. EC 2.7.1.11 Tipo Tranferasa Estructura Homotetrámero Coenzimas/Cofactores Mg 2+ Co 2+ Mn 2+ Activadores AMP ADP cAMP FBP F26BP F6P NH + 4 P i Inhibidores ATP Citrato Fofoenolpiruvato Km(mM) 0.0151-0.25 (ATP) 0.047-0.45 (Fructosa 6-fosfato) Δ G°´(kJ/mol) -14.7 -17.2(Músculo cardiaco) Δ G(kJ/mol) -25.9(Músculo cardiaco) Isoenzimas PFK-1 : principal enzima reguladora de la glucólisis. PFK-2: cataliza la formación de fructosa-2,6-difosfato (F2,6P). Fosfofructoquinasa (PFK) Tetrámero de PFK ( Homo sapiens )

6. Regulación Es una enzima alostérica. Presenta: Conformación T: Poca afinidad por F6P. Conformación R:Afinidad por F6P. Relación [F6P] mM vs actividad de PFK Imagen sobrepuesta de los cambios en estado T (azul) y estado R (rojo). *PGC es un inhibidor no fisiológico análogo a PEP

7. EC 2.7.1.40 Tipo Transferasa Estructura Dímero Homotetrámero Tetrámero Coenzimas/Cofactores K + Mg 2+ Mn 2+ ADP ATP Activadores AMP PEP FBP Inhibidores ATP (Músculo) Alanina Km(mM) 0.24-14.1(ADP) 0.0003-2.1(Fosfoenolpiruvato) Δ G°´(kJ/mol) -31.4 -23 (Músculo cardiaco) Δ G(kJ/mol) -13.9 (Músculo cardiaco) Isoezimas En vertebrados se presentan 4: L (Hígado) R (Eritrocitos) M1(Músculos, corazón y cerebro) M2 Piruvato quinasa

8. Regulación En una enzima alostérica En hígado se desactiva por fosforilación en respuesta a glucagón. Inhibición por ATP, acetyl Co-A y ácidos grasos Activación por acumulación de F16BP Inhibición por acumulación de alanina

9. Implicaciones clínicas La deficiencia en piruvato quinasa, debida a una mutación en el gen PK-LR, origina alteraciones únicamente, en los eritrocitos, porque estas células no son capaces de compensar el defecto enzimático. Por ello, la deficiencia de esta enzima es causa principal de la anemia hemolítica no esferocítica que puede provocar incluso la muerte de los pacientes. Los fármacos utilizados para inhibir a la PK (leishmaniosis) Pueden alterar las funciones hepática y renal.

10. Principal fuente de obtención de poder reductor en forma de NADPH y que además permite la obtención de una variedad de monosacáridos. Vía de las Pentosas

11. EC 1.1.1.49 Tipo Oxidoreductasa Estructura Puede existir en forma dimérica o tetramérica Activadores Insulina Inhibidores NADPH 2,3-difosfoglicerato ATP Glucosa Km(µM) 7.07(NADP) 52 (G6P) Δ G(kJ/mol) -17.6 (Hígado) Glucosa 6-fosfato deshidrogenasa

12. Regulación Es regulada por la concentración de NADP + (disposición de substrato). Cuando se consume NADPH, la concentración de NADP + incrementa, lo que incrementa el ritmo de la reacción de la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa y por tanto estimulando la regeneración de NADPH.

13. Implicación clínica La deficiencia de la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa (G6PD) es el trastorno enzimático más frecuente del glóbulo rojo (GR). Tanto la disminución como la ausencia de la enzima aumentan la vulnerabilidad del GR al estrés oxidativo provocado por algunos fármacos o la ingesta de habas. Favismo : Es una intolerancia a la ingestión de habas o a la inhalación del polen de la planta Vicia faba originaria de Asia de la que proviene dicha legumbre . Los individuos sensibles tienen disminuidos los niveles de glucosa6-fosfatodeshidrogenasa (G6PD) y los de glutatión reducido (GSH) de sus glóbulos rojos. El organismo mantiene niveles adecuados de GSH por la acción de la glutatión reductasa , a partir del glutatión oxidado (GSSG), con el NADPH. Al disminuir los niveles de NADPH no puede reducir el GSSG agravando la disminución de GSH.

14. Principal ruta anabólica para la síntesis de glucosa a partir de intermediarios metabólicos, principalmente el piruvato. En mamíferos se lleva a cabo únicamente en el hígado y en la corteza renal. Ocurre principalmente en el citosol, si bien el primer paso ocurre en el interior de la mitocondria. Gluconeogénesis

15. EC   6.4.1.1 Tipo Ligasa Estructura Homotetrámero ~130 Kd (cada subunidad) Coenzimas/Cofactores Biotina ATP Mg 2+ Mn 2+ Activadores Acetil-CoA Biotina Inhibidores L-aspartato Km(mM) 0.22-0.25 (ATP) 1.75-3.2(HCO 3 -) 0.08-0.23(Piruvato) Δ G°´(kJ/mol) -2.1 Piruvato carboxilasa (PC ) Piruvato + HCO 3 - + ATP  Oxalacetato + ADP + Pi

16. Regulación Es regulada por las concentraciones de acetil-CoA, la acumulación de este indica que se requiere la producción de oxalacetato. El acetil-Coa es un potente activador alostérico de esta enzima . Si el ciclo del ácido cítrico esta inhibido (por ATP o NADH) el oxalacetato es utilizado en la gluconeogénesis.

17. Implicación clínica Las células malignas presentan actividad glicolítica incrementada también, se ha encontrado actividad elevada de PC en tumores hepáticos, lo que demuestra que una función elevada anormal de PC de relaciona con la proliferación de células tumorales. Tratamiento por inhibición Uno de los inhibidores probados hasta hoy es la avidina, una glicoprotíena de la clara de huevo. Esta tiene una alta afinidad por la biotina, lo que lo vuelve un potente inhibidor de enzimas dependiente de biotina

18. EC 4.1.1.32 Tipo Liasa Estructura Monómero ~630 residuos Coenzimas/Cofactores GTP Mg 2+ Mn 2+ Activadores Mn 2+ (óptima a 0.7mM) Inhibidores Mn 2+ (a concentraciones mayores de 0.7mM) Km(mM) 0.034-20.6 (GDP) 0.023-0.064(GTP) 6.8-20.7(Oxalacetato) 0.036-1.256 (Fosfoenolpiruvato) Δ G°´(kJ/mol) 0.9 Δ G (kJ/mol) -25 Isoenzimas PEPCK1 o PEPCK-C: Citosólica PEPCK2 o PEPCK-M: Mitocondrial Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK )

19. Cataliza la hidrólisis irreversible del fosfato C-1 presente en la fructosa 1,6-bifosfato. Fructosa 1,6-bifosfato + H 2 O  Fructosa 6-fosfato + P i Fructosa-1,6-bifosfatasa (FBPase-1) EC 3.1.3.11 Tipo Hidrolasa Estructura Tetrámero 36.842 kD 338 aminoácidos Coenzimas/Cofactores Mg 2+ Activadores K+ Citrato Inhibidores Fructosa 2,6-bifosfato AMP Ca 2+ Km(mM) 0.00077-0.0034 Δ G°´(kJ/mol) -16.3 Regulaci ó n PKF vs regulaci ó n FBPase

20. Cataliza la reacción final de la gluconeogénesis. Glucosa 6-fosfato + H 2 O  Glucosa + P i Glucosa 6-fosfatasa (G6Pase ) EC 3.1.3.9 Tipo Hidrolasa Coenzimas/Cofactores Mg 2+ Activadores Mg 2+ Glucosa (en altas concentraciones) Inhibidores Insulina Km(mM) 1-4.3 (Glucosa 6- fosfato) Δ G°´(kJ/mol) -13.8

21. En un efector alostérico para las PFK y para FBPase-1. Fructosa 2, 6-bifosfato Importante Regulador de la glicolisis y la gluconeogénesis

22. La fructosa 2,6-bifosfato es producida a través de la fosforilación de la fructosa 6-fosfato, por la enzima fosfofructoquinasa-2 (PFK-2) y es degradada por fructosa 2,6-bifosfatasa (FBPase-2) Concentraciones de F26BP

23. Los puntos clave para la diferenciación y control de ambas rutas son: Hexoquinasa/Glucosa 6-fosfatasa Fosfofructoquinasa/Fructosa 1,6-bifosfatasa Piruvato quinasa/Piruvato carboxilasa y Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa Glucólisis vs Gluconeogénesis

24. Consulta de características de enzimas en: BRENDA (www.brenda-enzymes.org) y UniProt (www.uniprot.org/) Voet;Voet .(2011).Biochemistry.4 th Edition.USA, JOHN WILEY & SON,INC. Lehninger ; Cox.(2006) Principios de Bioqúimica.4 Edición. Ediciones Omega Jiménez; Et al.(2009).Efectos del Ejercicio sobre los mecanismos celulares para la captación de glucosa en el músculo esquelético.REB 28 (4):115-124 Zeczycki ; Et al. (2010)Inhibitors of Pyruvate Carboxylase . Open Enzym Inhih J.; 3: 8-26 Rodriguéz ; Gallego.(1999) Tratado de Nutrición.Madrid , Dias de Santos Feduchi ; Et.al .(2015) Bioquímica: Conceptos esenciales. 2 da Edición Contretas ; Et al.(2001).Nuevos aspectos en el tratamiento de la diabetes mellitus tipo 2. Archivos Venezolanos de Farmacología y Terapéutica, Volumen 20 - Número 1, (6-26) Universidad de Buenos Aires. Bioquímica (Regulación Metabólica) www.fmed.uba.ar/depto/bioqhum/Seminario%2019%20Integracion%20metabolica%20(2).pdf Bibliografía