Bioquímica del Metabolismo

La gluconeogénesis; Reglamento de la glucólisis y gluconeogénesis

Contenido de esta página:
Reacciones de la gluconeogénesis 
Resumen de vía gluconeogénesis 
regulación Recíproca de gluconeogénesis y glucólisis 
ciclo de Cori
La gluconeogénesis ocurre principalmente en el hígado . La gluconeogénesis se produce en un grado más limitado en el riñón y el intestino delgado bajo algunas condiciones.
Síntesis de glucosa a partir de piruvato utiliza muchos de los mismos enzimas como la glucólisis . Tres reacciones de glucólisis tienen una gran negativa D G en la dirección de avance que son esencialmenteirreversible (ver notas de la conferencia sobre la glucólisis ): hexoquinasa (o glucoquinasa) , fosfofructoquinasa , y piruvato quinasa . Estos pasos deben ser anuladas en la gluconeogénesis. Dos de las reacciones de derivación implican reacciones de hidrólisis simples. 
    

A continuación se muestra la reacción directa catalizada por cada una de estas enzimas glucolisis, seguido por la reacción de derivación catalizada por la enzima gluconeogénesis.

Hexoquinasa o glucoquinasa (glucólisis) cataliza:    glucosa + ATP glucosa-6-fosfato + ADP La glucosa-6-fosfatasa (gluconeogénesis) cataliza:    glucosa-6-fosfato + H 2 O glucosa + P i La glucosa-6-fosfatasa enzima está incrustado en la membrana del retículo endoplasmático (ER) en las células hepáticas. La evidencia indica que el sitio catalítico está expuesto a la luz del RE. Otra subunidad de la enzima se postula para funcionar como una translocasa, proporcionando el acceso de sustrato al sitio activo.

Fosfofructoquinasa (glucólisis) cataliza:    fructosa-6-fosfato + ATP fructosa-1,6-bisfosfato + ADP La fructosa-1,6-bisfosfatasa (gluconeogénesis) cataliza:    fructosa-1,6-bisfosfato + H 2 O fructosa-6-fosfato + P i

Piruvato quinasa (último paso de la glucólisis) cataliza:
   fosfoenolpiruvato + ADP piruvato + ATP
Por derivación de la reacción de piruvato quinasa de la glucólisis , la escisión de 2 ~ P bonos se requiere. El cambio de energía libre asociado a la escisión de uno ~ P vínculo de la ATP es insuficiente para impulsar la síntesis de fosfoenolpiruvato (PEP), ya que PEP tiene una mayor negativo D G de la hidrólisis de fosfato de ATP.
Las dos enzimas que catalizan las reacciones para la derivación de la reacción de la piruvato quinasa son los siguientes:
(A) El piruvato carboxilasa ( gluconeogénesis ) cataliza:     piruvato + HCO ₃ ^- + ATP oxalacetato + ADP + P _i
(B) PEP carboxiquinasa ( gluconeogénesis ) cataliza:     oxalacetato + GTP fosfoenolpiruvato + PIB + CO ₂

Contribuir a la espontaneidad de la vía de dos pasos son los siguientes: La energía libre de la escisión de uno ~ P vínculo de la ATP se conserva en la reacción de carboxilación. descarboxilación espontáneacontribuye a la espontaneidad de la segunda reacción (síntesis PEP). La escisión de un segundo ~ P vínculo de GTP también contribuye a la síntesis de PEP conducción.

El piruvato carboxilasa utiliza biotina como grupo prostético. Vea el diagrama p. 846 de Bioquímica, tercera edición, por Voet y Voet. La biotina tiene una cadena lateral 5-carbono cuyo carboxilo terminal está en un enlace amida a la e grupo amino de una lisina de la enzima.

Las cadenas laterales de lisina biotina y juntos forman un brazo oscilante larga que permite que el grupo funcional de la biotina a balancearse hacia atrás y hacia adelante entre dos sitios activos. Carboxilación La biotina es catalizada en un sitio activo de piruvato carboxilasa.

ATP reacciona con HCO 3 - para producir carboxyphosphate . El carboxilo se transfiere de este ~ P intermedia a N de un grupo ureido del sistema de anillo biotina. En general: biotina + ATP + HCO 3 - carboxybiotin + ADP + P i

Al otro sitio activo de la piruvato carboxilasa, la activa CO 2 se transfiere de biotina en piruvato, que se resumen a continuación y en la derecha: carboxybiotin + piruvato biotina + oxaloacetato

Vista a la derecha una animación de la secuencia de reacción catalizada por la piruvato carboxilasa.

de piruvato carboxilasa

El ejercicio de visualización de proteínas de la derecha se centra en el dominio biotinil de otra enzima carboxilasa, Acetil-Coenzima A carboxilasa. Explorar la estructura de biotinay su fijación a través de una lisina de la cadena lateral.

Biotinil de dominio  de un carboxilasa

Piruvato carboxilasa , que convierte el piruvato en oxaloacetato, se alostéricamente activado por acetil coenzima A . El valor adaptativo de este reglamento se refiere al interconnectness de las vías que se muestran a la derecha. Acetil CoA entra ciclo de Krebs por condensación con el oxalacetato, cuya concentración tiende a ser limitante para el Ciclo de Krebs. Cuando la gluconeogénesis es activa en el hígado, oxaloacetato se desvía para formar glucosa (a través de PEP). Agotamiento oxaloacetato dificulta la entrada acetil CoA en el ciclo de Krebs. El aumento resultante en [acetil CoA] activa piruvato carboxilasa para sintetizar más oxaloacetato.

Avidina , una proteína en las claras de huevo con una b barril estructura, fuertemente se une biotina. El exceso de consumo de huevos crudos puede causar deficiencia nutricional de biotina. La fuerte afinidad de avidina-biotina a es utilizado por los bioquímicos como altamente específico "pegamento". Por ejemplo, si se desea unir 2 proteínas juntos en alguna etapa de un experimento, la biotina puede ser unido covalentemente a una proteína y avidina a la otra.

Complejo avidina-biotina

PEP carboxicinasa cataliza la formación de GTP-dependiente de la fosfoenolpiruvato de oxaloacetato. Vea el diagrama p. 847.

La reacción se cree que proceder en dos pasos: primero oxaloacetato se descarboxila para dar un anión enolato piruvato intermedio. transferencia de fosfato de GTP a continuación, produce fosfoenolpiruvato (PEP).

En bacterianas Carboxykinases PEP, el ATP es donante de fosfato en lugar de GTP. En la estructura cristalina de un E. Coli PEP carboxicinasa a la derecha, el piruvato es en el sitio activo como un análogo de la fosfoenolpiruvato o oxaloacetato.Un ion metálico tal como Mn ++ se requiere para la reacción PEP carboxicinasa, además de un Mg ++ ion que se une con el sustrato de nucleótidos en el sitio activo. El Mn ++se piensa para promover la transferencia de fosfato al interactuar simultáneamente con el átomo de oxígeno enolato y un átomo de oxígeno del fosfato terminal de GTP o ATP.

Explore a la derecha de la estructura de E. Coli PEP carboxiquinasa . Estructura resuelto por LW Tari, A. Mate, H. Goldie y LTJ Delbaere en 1997; AP 1AQ2.Opciones de visualización recomendados: Seleccionar ligando y mostrar como spacefill . Identificar y tomar nota de las posiciones relativas de ATP , piruvato , Mg ++ y Mn ++ . Notaque el fosfato terminal del ATP se transfiere al sustrato para producir oxaloacetato fosfoenolpiruvato (piruvato sustituyendo aquí). Seleccione la proteína , como pantalla de dibujos animados con el color de la estructura . Describir la estructura secundaria única de esta enzima.  Ahora cambiar la visualización de la proteína a spacefill , con el color de la cadena . Especular sobre si un cambio en la conformación de la enzima podría acompañar a la unión de cualquiera de los sustratos.

C   O   N   S  P   Mg   Mn

Insumos gluconeogénesis: 
La fuente de piruvato y oxaloacetato para la gluconeogénesis durante el ayuno o el hambre de hidratos de carbono es principalmente el catabolismo de aminoácidos . Algunos aminoácidos se catabolizados a piruvato, oxalacetato, o precursores de los mismos (ver esquema pág. 844, y la página web en el catabolismo de aminoácidos ). Proteínas musculares pueden romper para suministrar aminoácidos. Estos son transportados a hígado donde son desaminados y se convierten en entradas de la gluconeogénesis.  Glicerol , derivados de la hidrólisis de los triacilgliceroles en las células de grasa, es también una aportación significativa a la gluconeogénesis. 

Vía de la gluconeogénesis se resume a continuación, con la enzima de la gluconeogénesis nombres en rojo y nombres de los reversibles glucólisis enzimas en azul:
Glucolisis y Gluconeogénesis vías son tanto espontánea . Si ambas vías eran activos simultáneamente dentro de una célula que constituiría un " ciclo fútil "que desperdiciar energía. En general, cada vía puede resumirse como sigue (agua y protones ignorando):
La glucólisis:
glucosa + 2 NAD ⁺ + 2 ADP + 2 P _i 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP
La gluconeogénesis: 2 piruvato + NADH + 2 ATP 4 + 2 GTP glucosa + 2 NAD ⁺ + 4 ADP + 2 + 6 PIB P _i
Rendimientos glucólisis 2 ~ P bonos de ATP. gluconeogénesis expende 6 ~ P lazos de ATP y GTP. Un ciclo fútil que consiste en ambas vías perdería 4 ~ P bonos por ciclo .


Para evitar este tipo de residuos, glucolisis y la gluconeogénesis vías están recíprocamente regulados .
Local de control incluye la regulación alostérica recíproca por los nucleótidos de adenina .

• Fosfofructoquinasa (glucólisis) es inhibida por ATP y estimulada por el AMP.
• La fructosa-1,6-bisfosfatasa (gluconeogénesis) es inhibida por AMP.

Esto asegura que cuando ATP celular es alta (AMP sería entonces menor), la glucosa no se degrada para producir ATP. Cuando el ATP es alta, es más útil para la célula para almacenar glucosa en forma de glucógeno.
Cuando el ATP es baja (AMP sería entonces alto), la célula no gasta energía en la síntesis de glucosa.
Global Control en hígado células incluye efectos recíprocos de una cascada de AMP cíclico , provocada por la hormona glucagón cuando la glucosa en sangre es bajo. La fosforilación de enzimas y proteínas reguladoras en el hígado por la proteína quinasa A (cAMP-proteína quinasa dependiente) da lugar a la inhibición de la glucólisis y estimulación de la gluconeogénesis, lo que hace de la glucosa disponible para su liberación a la sangre.
Las proteínas de interés para estas vías que son fosforilados por la proteína quinasa A incluyen:

• La piruvato quinasa , una enzima de la glucólisis que se inhibe cuando está fosforilada.
• CREB (elemento de respuesta a cAMP proteína de unión) que activa, a través de otros factores, la transcripción del gen para PEP carboxicinasa , dando lugar a aumento de la gluconeogénesis .
• Una enzima bi-funcional que hace que degrada y un regulador alostérico, fructosa-2,6-bisfosfato .

Regulación recíproca por la fructosa-2,6-bisfosfato :

• La fructosa-2,6-bisfosfato estimula la glucólisis .
  • La fructosa-2,6-bisfosfato alostéricamente activa la enzima glucólisis fosfofructoquinasa .
  • La fructosa-2,6-bisfosfato también activa la transcripción del gen de la glucoquinasa , la variante de hígado de hexoquinasa que fosforila la glucosa en glucosa-6-fosfato, la entrada a la glucólisis.
• La fructosa-2,6-bisfosfato alostéricamente inhibe la gluconeogénesis enzima Fructosa-1,6-bisfosfatasa .

Recordemos que fosfofructoquinasa , la etapa limitante de la velocidad de la glucólisis vía, se alostéricamente inhibida por ATP . En altas concentraciones, el ATP se une a una baja afinidad sitio regulador , promoviendo la conformación tensa. Dependencia sigmoidal de velocidad de reacción en [fructosa-6-fosfato] se observa a alta ATP, como se muestra a la derecha.  Fosfofructoquinasa actividad en presencia del regulador alostérico controlado globalmente fructosa-2,6-bisfosfato es similar a la observada cuando [ATP] es baja. La fructosa-2,6-bisfosfato promueve la relajado estado, activando fosfofructoquinasa incluso a relativamente alta [ATP ]. Por lo tanto la activación por la fructosa-2,6-bisfosfato , cuya concentración fluctúa en respuesta a las señales hormonales externos, reemplaza control local por la concentración de ATP.

En el tutorial Bioquímica Simulaciones de la derecha, seleccione el módulo en la fosfofructoquinasa , y explorar los efectos de diversas concentraciones de ATP y el activadorfructosa-2,6-bisfosfato en la dependencia de la velocidad de reacción de la concentración de fructosa-6-fosfato.

Nota : Mantenga pulsado el control clave mientras hace clic en el icono de arriba.

El regulador alostérico fructosa-2,6-bisfosfato se sintetiza y se degrada por un bi-funcional de la enzima que incluye dos dominios catalíticos:  Fosfofructoquinasa-2 ( PFK2 ) cataliza dominio: fructosa-6-fosfato + ATP fructosa-2,6-bisfosfato + ADP. La fructosa-Biosphosphatase-2 ( FBPase2 ) cataliza dominio: fructosa-2,6-bisfosfato + H 2 O fructosa-6-fosfato + P i .  El PFK2 bifuncional / FBPase2 ensambla en un homodímero. ( La estructura de la enzima testículo de rata de la derecha fue resuelto por MH Yuen, H. Mizuguchi, YH Lee, PF Cook, K. Uyeda y CH Hasemann en 1998.) Adyacente al dominio PFK2 en cada copia de la enzima de hígado es un dominio regulador sujeto a la fosforilación por cAMP dependiente de la proteína quinasa.¿Qué dominios catalíticos de la enzima están activos depende de si los dominios reguladores son fosforilada, como se resume a continuación la derecha.

cAMP dependiente de la fosforilación de la enzima bi-funcional activa FBPase2 y PFK2 inhibe . [ fructosa-2,6-bisfosfato ] por lo tanto disminuye en las células del hígado en respuesta a una cascada de señales cAMP, activado por el glucagón cuando la glucosa en sangre es bajo. Efectos aguas abajo incluyen: La glucólisis ralentiza porque la fructosa-2,6-bisfosfato no está disponible para activar fosfofructoquinasa. Aumenta la gluconeogénesis a causa de la disminución de la concentración de fructosa-2,6-bisfosfato, que de otro modo inhibir la enzima gluconeogénesis Fructosa-1,6-bisfosfatasa.

Vista a la derecha una animación que muestra la regulación de PFK2 / FBPase2, lo que lleva a la síntesis o degradación de fructosa 2,6-bisfosfato.

Síntesis y degradación de la fructosa-2,6-bisfosfato

Efectos descritos anteriormente y en las notas sobre Resumiendo metabolismo del glucógeno , un inducida glucagón- cAMP cascada tiene los siguientes efectos en el tejido hepático: La gluconeogénesis es estimulada. La glucólisis es inhibida. La degradación del glucógeno se estimula. La síntesis de glucógeno es inhibida. Glucosa libre formó para la liberación a la sangre.

El Ciclo de Cori opera durante el ejercicio. Para una breve ráfaga de ATP utilización, las células musculares utilizan ~ P almacenado como fosfocreatina . Una vez que se agota la fosfocreatina, ATP se proporciona principalmente por la glucólisis , con la entrada procedente de la degradación del glucógeno y de la captación de glucosa de la sangre. (Metabolismo de las grasas aeróbico, discutido en otra parte , es más significativa durante un largo período de esfuerzo tales como una carrera de maratón.) El lactato producido a partir de piruvato pasa a través de la sangre hasta el hígado donde se puede convertir en glucosa . La glucosa puede viajar de regreso al músculo para alimentar glucólisis. El ciclo de Cori cuesta 6 ~ P en el hígado por cada 2 ~ P puesto a disposición en el músculo. El costo neto es 4 ~ P . Aunque costoso en términos de bonos de "alta energía", el ciclo de Cori permite al organismo para dar cabida a grandes fluctuaciones en las necesidades de energía de los músculos esqueléticos entre el descanso y el ejercicio.

El equivalente del ciclo de Cori también opera en el cáncer . Si el desarrollo de los vasos sanguíneos no mantiene el ritmo de crecimiento de un tumor sólido, disminución de la concentración de oxígeno en el tumor conduce a la activación de los procesos de señales que dan como resultado un cambio de metabolismo anaerobio . disipación de energía por el ciclo de Cori, que gasta 6 ~ P en el hígado por cada 2 ~ P producido a través de la glucólisis para la utilización dentro del tumor, se cree que contribuyen a la pérdida de peso que se produce normalmente en el cáncer en etapa tardía, incluso cuando la ingesta de alimentos sigue siendo normal.