Regulación del Metabolismo de Carbohidratos: Glucogenogénesis, Glucólisis, Ciclo de Krebs y Vía de las Pentosas

Mecanismos generales de regulación enzimática

Control alostérico: unión de pequeñas moléculas (metabolitos, iones) a centros reguladores de enzimas alostéricas, produciendo modificaciones en respuesta a la señal (activando o inhibiendo).

Modificación covalente: las propiedades catalíticas de las enzimas se alteran por la unión covalente de un grupo químico que las modifica (Pi), en respuesta a la acción hormonal. El ATP actúa como dador de fosforilo en reacciones catalizadas por proteínas quinasas. La eliminación de los grupos fosforilo por hidrólisis es catalizada por fosfatasas.

Glucogenogénesis

Glucosa → glucógeno

Enzima de control: glucógeno sintasa.

Control alostérico

Aumento de glucosa-6-fosfato (G-6-P): activa la enzima.

Modificación covalente

• Glucagón (hígado): fosforilación → inactiva.
• Adrenalina (músculo): fosforilación → inactiva.
• Insulina (hígado): desfosforilación → activa.

Enzima fosforilasa b quinasa: se activa por 1) modificación covalente y 2) aumento de iones Ca²⁺ en el músculo, por intermedio de la proteína reguladora calmodulina.

Glucogenólisis

Glucógeno → glucosa + glucosa-1-P

Enzima de control: glucógeno fosforilasa.

Músculo

• Alostérico (fosforilasa b): ATP inhibe; G-6-P inhibe; aumento de AMP activa.
• Modificación covalente: adrenalina → fosforilación → activa.

Hígado

• Alostérico (fosforilasa a): el nivel de glucosa inhibe o activa según la glucemia.
• Modificación covalente: glucagón (fosforilación → activa) / insulina (desfosforilación → inactiva).

Fosfoproteína fosfatasa PP1

La PP1 invierte los efectos reguladores de las enzimas quinasas y controla ambas vías, gluconeogénesis y glucogenólisis. Su actividad fosfatásica presenta dos regulaciones:

• Subunidad G: dirige a la PP1 hacia las partículas de glucógeno, desfosforilando a la glucógeno sintasa y a la fosforilasa quinasa.
• Inhibidor I: pequeña proteína. La fosforilación de la subunidad G y del inhibidor por la PKA bloquea la actividad catalítica de la PP1.

Acción de la insulina sobre la PP1: desfosforila, activando a la glucógeno sintasa y simultáneamente inhibiendo la degradación del glucógeno.

Glucólisis

Reacción global: G + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi → 2 piruvato + 2 ATP + 2 H₂O + 2 NADH + 2 H⁺

Enzima de control: fosfofructoquinasa (PFK), con 3 puntos de control: 1) G → G-6-P; 2) F-6-P → F-1,6-bisP; 3) PEP → piruvato.

Hexoquinasa

• Alostérico: el aumento de G-6-P la inhibe.
• Control covalente: no posee.
• Otras características: posee distintas isoenzimas I, II y III.

Fosfofructoquinasa

• Alostérico: aumento de AMP activa; aumento de F-2,6-bisP activa; aumento de citrato y de ATP inhibe.
• Modificación covalente: no posee.

Piruvato quinasa

• Alostérico: el aumento de AMP activa todas las isoenzimas; el aumento de F-1,6-bisP activa la enzima hepática; el aumento de alanina y de ATP inhibe todas las isoenzimas; el aumento de fenilalanina inhibe la isoenzima muscular.
• Control covalente: glucagón (fosforilación → inhibe); insulina (desfosforilación → activa).

Enzima tándem (bifuncional)

Es una enzima con función quinasa y fosfatasa alternativa, regulada por el grado de fosforilación, que a su vez está controlado por señales hormonales. Su efecto final es regular la cantidad del activador alostérico de la PFK, el metabolito F-2,6-bisP.

• ↑ G → ↑ insulina → desfosforilación de ET → (+) actividad quinasa de ET → ↑ F-2,6-bisP → ↑ glucólisis
• ↓ G → ↑ glucagón → fosforilación de ET → (+) actividad fosfatasa de ET → ↓ F-2,6-bisP → ↓ glucólisis

Descarboxilación oxidativa del piruvato (DOP)

Se realiza en la matriz mitocondrial: piruvato + CoA-SH + NAD⁺ → acetil-S-CoA + NADH + H⁺ + CO₂

Complejo piruvato deshidrogenasa (PDH)

1. Piruvato descarboxilasa (cofactor: TPP, grupo prostético).
2. Dihidrolipoil transacetilasa (grupo prostético: ácido lipoico; segundo sustrato: CoA-SH).
3. Dihidrolipoil deshidrogenasa (grupo prostético: FAD; segundo sustrato: NAD⁺).

Controles de la PDH

Alostérico:

• Aumento de ATP, acetil-CoA y NADH + H⁺: activan la quinasa, que inhibe la PDH.
• Aumento de piruvato: inhibe la quinasa, activando la PDH.
• Aumento de AMP, CoA-SH, NAD⁺ y Ca²⁺: activan la fosfatasa, que activa la PDH.

Control covalente: insulina (desfosforilación → activa la PDH); glucagón (fosforilación → inhibe la PDH).

Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico)

Reacción global: acetil-S-CoA + 3 NAD⁺ + FAD + 2 H₂O + GDP + Pi → 2 CO₂ + 3 NADH + 3 H⁺ + FADH₂ + CoA-SH + GTP

Control

• Citrato sintasa: alostérica (aumento de ATP inhibe; aumento de ADP activa).
• Isocitrato deshidrogenasa: alostérica (aumento de ATP y NADH inhibe; aumento de ADP y Ca²⁺ activa).
• α-cetoglutarato deshidrogenasa: alostérica (aumento de NADH y succinil-S-CoA inhibe; aumento de Ca²⁺ activa).

Secuencia de intermediarios: citrato, isocitrato, α-cetoglutarato, succinil-CoA, succinato, fumarato, malato, oxalacetato, citrato.

• Isocitrato → α-cetoglutarato (NADH)
• α-cetoglutarato → succinil-CoA (NADH)
• Succinil-CoA → succinato (GTP)
• Succinato → fumarato (FADH₂)
• Malato → oxalacetato (NADH)

Cadena de transporte de electrones (fosforilación oxidativa)

Se realiza en la membrana interna mitocondrial. Está formada por 4 complejos enzimáticos (3 bombeadores de H⁺, excepto el complejo 2, succinato-CoQ reductasa) y por 2 transportadores de electrones (CoQ y citocromo c). En este proceso se produce la síntesis de ATP y la regeneración de cofactores.

Gluconeogénesis

Reacción global: 2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 4 H₂O + 2 NADH + 2 H⁺ → G + 2 NAD⁺ + 4 ADP + 2 GDP + 2 Pi

Puntos de control

1. Piruvato → fosfoenolpiruvato
2. Fructosa-1,6-bisP → fructosa-6-P
3. Glucosa-6-P → glucosa

Enzimas reguladoras

• Piruvato carboxilasa: alostérica (aumento de acetil-CoA activa; aumento de ADP inhibe; aumento de ATP activa).
• Fructosa bisfosfatasa: alostérica (aumento de AMP y ATP inhibe; aumento de F-2,6-bisP inhibe; aumento de citrato activa).
• Glucosa-6-fosfatasa: alostérica (aumento de G-6-P activa).

Vía de las pentosas fosfato (VHMP)

Se desarrolla en el citoplasma de todas las células.

Fase oxidativa

Glucosa-6-fosfato + 2 NADP⁺ + H₂O → ribulosa-5-fosfato + 2 NADPH + CO₂

Control: glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, alostérica (aumento de NADPH inhibe).

Fase no oxidativa

3 ribulosa-5-P → 2 fructosa-6-P + gliceraldehído-3-P. Actúan las transcetolasas y transaldolasas.

Reacción total

3 G-6-P + 6 NADP⁺ + 3 H₂O → 2 fructosa-6-P + gliceraldehído-3-P + 6 NADPH + 3 CO₂

Balance de productos

• Ribosa = NADPH: avanza hacia la vía oxidativa.
• NADPH > R5P: la G-6-P se oxida completamente a CO₂ (fase oxidativa). Prosigue la fase no oxidativa, y los metabolitos obtenidos ingresan a la gluconeogénesis para obtener G-6-P, de modo que vuelve a ocurrir la fase oxidativa y se obtiene NADPH.
• Ribosa-5-P más que NADPH: a partir de la G-6-P se realiza glucólisis, en la que se obtienen los metabolitos intermediarios que ingresan por la fase no oxidativa a la VHMP y se obtiene la ribosa-5-P.
• NADPH > R5P: la G-6-P se convierte en piruvato (fase oxidativa + fase no oxidativa → glucólisis → piruvato).

A partir de una molécula de glucosa se obtienen 6 CO₂ (2 de la DOP y 4 del ciclo de Krebs).