17

Tema 12: Metabolisme dels glúcids Biosíntesi de glúcids: la gluconeogènesi, balanç i regulació. Cicle de Cori. Síntesi i degradació del glicògen. Ruta de les pentoses fosfat. Gluconeogènesi: és el pas de dos molècules de piruvat a glucosa. La gluconeogènesi és necessària per mantenir els nivells de glucosa ja que òrgans com el cervell en depenen, en cas que n’hi falti es pot produir un coma diabètic. Les necessitats del cos pel que fa a la glucosa són de 160g/dia dels quals 120g/dia són consumits pel cervell i els 40g/dia són consumits per la resta del cos. Les reserves de glucosa presents en els líquids corporals són d’uns 20 grams i l’emmagatzemament en forma de glicògen és de 190 grams. La gluconeogènesi té lloc en animals superiors. El fetge manté la homeostasi de glucosa ja que fa la major part de la gluconeogènesi, una desena part també és feta per l’escorça del ronyó. Ni el cervell, ni el múscul esquelètic ni el múscul cardíac la solen fer, i si la fan no és pas per mantenir el nivell. La gluconeogènesi és el mateix que la glucòlisi al revés però evitant els processos irreversibles per altres mecanismes. Inversió de la primera etapa de la glucòlisi: Consisteix en una hidròlisi de la glucosa 6-fosfat per donar glucosa i fosfat inorgànic. Aquesta reacció és catalitzada per la glucosa 6-fosfatasa. Aquest enzim no es troba ni al cervell ni al múscul esquelètic per tant la gluconeogènesi en aquest òrgans s’atura a la glucosa 6-fosfat. Aquesta al tenir un grup carregat no pot sortir a l’exterior de la cèl·lula.

PiaGlu

OHfosfataGlufosfatasaaGlu

+

→

+−−

cos

6.cos

6.cos

2

Inversió de la segona etapa de la glucòlisi: Consisteix en una altra hidròlisi.

fosfatFructosa

OHbifosfatFructosaabifosfatasFructosa

−

→

+−

6.

6,1.

6,1.

2

Inversió de la tercera de la glucòlisi: Consisteix en la carboxilació del piruvat fins a formar oxalacetat consumint ATP.

++++

→

+++

HADPPiOxalacetat

OHATPCOPiruvatalmitocondriacarbosilasPiruvat

2

).(.

22

Hi ha també el pas de oxalacetat fins a formar fosfoenolpiruvat consumint GTP.

2

)(.

COGDPiruvatFosfoenolp

GTPOxalacetatcitosòlicnasacarboxiquiiruvatFosfoenolp

++

→

+

Balanç global: +++++→+++ HPiGDPADPiruvatFosfoenolpOHGTPATPPiruvat 2

18

Enzims de la gluconeogènesi: El pas de glucosa 6-fosfat a glucosa 1-fosfat per emmagatzemar-se en glicògen, es catalitza per la hexoquinasa. El pas de glucosa 6-fosfat a glucosa està catalitzat per la glucosa 6-fosfatasa. El pas de fructosa 1,6-bifosfat a fructosa 6-fosfat està catalitzat per la fructosa 1,6-bifosfatasa. El pas de oxalacetat a fosfoenolpiruvat està catalitzat per la fosfoenolpiruvat carboxilasa El pas de malat a oxalacetat està catalitzat en el citosòl per la malat deshidrogenasa citosòlica. El pas de oxalacetat a malat en el mitocondri està catalitzat per la malat deshidrogenasa mitocondrial. El pas de piruvat a oxalacetat està catalitzat per la piruvat carboxilasa. Regulació de la glucòlisi i la gluconeogènesi: Aquestes dos rutes estan regulades conjuntament, fent que quan una funciona l’altra s’adapta funcionant més o funcionant menys; altrament es donarien cicles futils (si anessin a la mateixa velocitat) on es consumeix ATP.

!!!..'.

cos6.cos

6.coscos

2

2

resperATPdHidròlisiPiOHATP

PiaGluOHfosfataGlunsiGluconeogè

ADPfosfataGluATPaGluGlucòlisi

⇒→+

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

+→+−

+−→+

Les etapes que estan regulades són la primera i la segona etapa irreversibles de la glucòlisi: Glucòlisi Efectors al·lostèrics Gluconeogènesi

+ � AMP � - - � Citrat � +

Fosfofructoquinasa I

+ � Fructosa 1,6-bifosfat � -

Fructosa 1,6-bifosfatasa

Fosfoenol piruvat carboxilasa ADP � - Piruvat quinasa

- � ATP Complex piruvat deshidrogenasa - � Acetil-CoA � +

Piruvat carboxilasa

- Per tant si augmenta l’acetil-CoA i augmenta l’ATP, l’oxalacetat va cap a produir glucosa per gluconeogènesi. - Per tant si augmenta l’acetil-CoA però disminueix l’ATP, l’oxalacetat va cap al cicle de Krebs per produir ATP. Principals percussors de gluconeogènesi:

Cicle de Cori: El lactat es produeix en el múscul esquelètic d’animals superiors quan es fa una contracció forta, ja que es necessita molta energia que s’obté a partir de la glucòlisi, el cicle de Krebs i la cadena del transport electrònic; però per això cal molt oxigen. Si no hi ha prou oxigen, el múscul a part de funcionar aeròbiament, fa la fermentació làctica de manera anaeròbia. Llavors una part de la glucosa es transforma fins a piruvat i una altra es transforma fins a lactat. La transformació fins a lactat li serveix per oxidar el NADH de la glucòlisi, per tal que aquesta no s’aturi. L’organisme per aprofitar el lactat el pot fer sortir de la cèl·lula muscular, i per la sang anar fins al teixit hepàtic que té la capacitat de fer la gluconeogènesi de manera més efectiva. La cèl·lula hepàtic redueix el lactat a piruvat, llavors fa la gluconeogènesi fins a produir glucosa que pot ser utilitzada allà on calgui. Aquest cicle de reaprofitament del lactat es coneix com a cicle de Cori.

19

Cicle de la Glucosa – Alanina: (té cert paral·lelisme amb el cicle de Cori) El múscul esquelètic quan està en contracció forta es produeix una certa degradació de les proteïnes musculars. Aquestes es degraden en aminoàcids que alliberen el ió amoni (NH4

+) al medi i que resulta extremadament tòxic. Aquest es captat pel glutamat que amb el piruvat que passa a alanina, el glutamat passa a α-cetogluterat en un procés de transaminació. Amb això s’aconsegueix treure els ions amoni del medi. Aquesta alanina pot passar a la sang i anar fins a les cèl·lules hepàtiques on hi ha transportadors específics que els permeten l’entrada. Allà l’alanina passa a piruvat invertint la transaminació amb el pas de α-cetogluterat a glutamat. Aquest procés allibera l’amoni que passa al cicle de la urea. I el piruvat torna a passar a glucosa i a través de la sang pot tornar a ser utilitzat. Cicle de Cori: Cicle de la Glucosa – Alanina:

Transformacions de la glucosa: El metabolisme del glicògen consisteix en la síntesi i degradació d’unions entre la glucosa α-1,4 i ramificacions en α-1,6. El glicògen s’emmagatzema al fetge de forma més concentrada i el múscul esquelètic de forma menys concentrada perquè n’hi ha més. Dins les cèl·lules d’aquests òrgans s’acumula en grànuls, aquestes també contenen els enzims de degradació i síntesi d’aquest polímer. Aquests processos permeten conservar i mantenir els nivells de glucosa en sang. La síntesi i degradació del glicògen té lloc emprant rutes completament diferents tot i que estan regulades coordinadament. La regulació té lloc essencialment per dos processos principals, la modificació covalent reversible dels enzims que participen en aquests processos a través de la fosforilació, i també es troben sota el control hormonal que afecta aquesta modificació covalent reversible dels enzims en els animals superiors. Les hormones afecten a les cèl·lules provocant la transducció de senyals. Les hormones produeixen una senyal des de que arriben a la superfície cel·lular i provoquen una sèrie de canvis a l’interior de la cèl·lula - Degradació del glicògen: La degradació del glicògen té lloc per alliberament d’unitats de glucosa del polímer.

No s’alliberen per hidròlisi sinó per fosforòlisi, és a dir, amb la presència de fosfat inorgànic. Aquesta reacció està catalitzada per la glicògen fosforilasa en un procés que s’anomena fosforòlisi i que només degrada els enllaços α (1�4). Ja que no pot amb les ramificacions α (1�6) que han de ser alliberades amb enzims desramificants.

1

. )(1.cos)( −+− →+ nafosforilasGlicògen

n GlicògenfosfataGluPiGlicògen

L’avantatge és que quan es degrada el glicògen s’obté la glucosa fosforilada que pot passar a glucosa 6-fosfat sense haver de gastar l’ATP del primer pas de la glucòlisi a través d’una isomerasa que s’anomena fosfoglucomutasa que té activitat transferasa i α(1�6) glucosidasa ja que té dos centres actius en el mateix enzim.

20

La glicògen fosforilasa no pot actuar a la ramificació quan arriba a 4 glucoses de ramificació, llavors la transferasa posa a una altra ramificació de 4 glucoses, 3 de les 4 glucoses que no havia pogut fosforilar formant una ramificació de 7 unitats que queden disponibles per la glucògen fosforilasa. - Biosíntesi del glicògen: La biosíntesi del glicògen comença a partir de la glucosa 6 fosfat que pot venir a partir de la gluconeogènesi o de la glucòlisi. Aquesta isomeritza a glucosa 1-fosfat per l’enzim anomenat fosfoglucomutasa. Aquesta és transferida a un nucleòtid alliberant-se fosfat inorgànic (el nucleòtid és UTP�UDP+Pi). L’enzim que catalitza aquesta reacció és l’UDP-glucosa fosforilasa, formant un gluconucleòsid. Amb aquesta reacció es transfereix la glucosa a un nucleòtid, la qual cosa constitueix un pas imprescindible per construir la molècula de glicògen. Llavors es pot transferir la glucosa a una molècula de glicògen alliberant l’UDP. Aquesta reacció està catalitzada per la glicògensintasa.

n

tasaGlicògen

n GlicògenUDPGlicògenagluUDP )()(cossin

1 + →+− −

Una molècula de glicògen es comença a partir d’una molècula de glucoproteïna a la qual llavors es talla la proteïna.

La unió sempre té lloc per l’extrem no reductor per tant només pot sintetitzar l’enllaç glucosídic des de α(1�4). L’enzim que introdueix les ramificacions α(1�6) és l’enzim ramificador amilo(1�4,1�6)transglicosilasa. Aquest enzim agafa un fragment d’entre 5 i 9 residus de glucosa i el posa a un altre residu més intern. Les ramificacions afavoreixen més punts per la degradació o síntesi. Les ramificacions fan que la molècula sigui molt més soluble al existir una concentració més elevada a l’exterior.

21

Regulació coordinada del metabolisme del glicògen: El mecanisme de regulació es dóna de forma covalent i reversible per fosforilació i defosforilació que s’introdueixen a les cadenes laterals. La glicògen sintetasa activa és la no fosforilada amb els seus grups hidroxi. La glicògen sintetsa inactiva és la fosforilada. La glicògen fosforilasa activa és la fosforilada. La glicògen fosforilasa inactiva és la defosforilada. Per passar d’una forma a l’altre s’utilitzen proteïnes quinases que catalitzen la transferència d’un grup fosfat de l’ATP fins a una serina o tirosina. Per fer el pas invers hi ha una hidròlisi realitzada per les fosfatases que en presència d’aigua alliberen els grups fosfat. La cascada de transducció de senyals té com objectiu l’amplificació dels senyals i la regulació en molts punts.

cAMP: missatger secundari. C2: subunitats catalíques inactives. R2: subunitats reguladores que són proteïnes quinases depenents d’AMPc. 2C: 2 subunitats catalítiques actives. Glucogen sintasa quinasa i glucogen fosforilasa quinasa són afectades per la fosforilació amb ATP. Algunes proteïnes quinases poden fer aturar la síntesi de glucogen per més d’una proteïna a part de la glicogen sintasa quinasa.

22

Apèndix sobre la regulació de glicògen a nivell hormonal: Es basa en les cascades de transducció de senyals, aquestes provoquen per exemple, una resposta de degradació de glicògen. En aquest exemple l’adrenalina (missatger primari) s’uneix a una proteïna receptora de membrana formant el complex receptor–adrenalina que canvia de conformació per interaccionar amb una altre proteïna de membrana i aquesta interacciona amb una proteïna G que canvia el GDP per GTP, provocant-li uns canvis conformacionals que permet que pugui interaccionar amb l’amilat ciclasa activar-la i passar d’ATP a AMPc (missatger secundari, que està al citosòl). Hormones del metabolisme del glicògen: Insulina: hormona proteica que és sintetitzada pel pàncreas i participa en la síntesi de glicògen principalment en el fetge i fent la funció contraria a la de l’adrenalina. Adrenalina: és una hormona no proteica, és una amina derivada de l’aminoàcid tirosina que surt de la medul·la espinal i actua principalment en el múscul i també en el fetge. Glucagó: hormona proteica secretada i sintetitzada pel pàncreas per la degradació de glicògen en el fetge.

Ruta de les pentoses-fosfat: La ruta de les pentoses-fosfat és una via d’oxidació de la glucosa que a diferencia de les altres rutes té l’objectiu d’obtenir poder reductor, i no pas energia. També permet obtenir sucres de 5 carbonis, en concret, la ribosa 5-fosfat, un component bàsic de tots els nucleòtids. Aquest poder reductor s’utilitza juntament amb l’ATP per fer a través de l’anabolisme compostos reduïts a partir de compostos oxidats. El poder reductor (NADH, FADH2, ...) són coenzims reduïts però que van a la cadena del transport electrònic, però el que es fa servir realment és el NADPH, que és idèntic al NADH però té un fosfat que està esterificant un dels hidroxi de les riboses. El NADPH s’obté a partir de la ruta de les pentoses fosfat. Branques de la ruta de les pentoses fosfat: - Branca oxidativa de la ruta de les pentoses fosfat: permet obtenir poder reductor i la ribosa 5-fosfat.

fosfatRibosa

fosfatRibulosaCOHNADPHNADP

natfosfogluco

lactonanofosfoglucoHNADPHNADPfosfataGlu

aldocetocióisomeritza

oxidativalaciódescarboxiredox

ésterldetrencament

redox

− →

−+++ →+

→

−−−++ →++−

→

++

+

5.*)*(*

*)*(*5.(**)

(**)6(*)

(*).66.cos

.

..

'..

2

δ

Tots els enzims d’aquesta via es troben en el citosòl de la cèl·lula. Balanç global de la branca oxidativa de la ruta de les pentoses fosfat:

22 2225.226.cos COHNADPHfosfatRibosaOHNADPfosfataGlu +++−→++− ++

Si la cèl·lula només necessita poder reductor però no es necessita ribosa la via es s’atura. Per tal de que no s’acumuli la ribosa hi ha una ruta per convertir la ribosa en intermediaris de la glucòlisi, en concret, gliceraldehid 3-fosfat i fructosa 6-fosfat. Aquesta ruta és la branca no oxidativa.

23

- Branca no oxidativa de la ruta de les pentoses fosfat: Es necessiten dos enzims la transcetolasa que transfereix unitats de dos carbonis a uns altres sucres i la transaldolasa que transfereix unitats de tres carbonis a un altre sucre.

6345

4637

7355

CCCC

CCCC

CCCC

asaTranscetol

asaTransaldol

asaTranscetol

+ →←+

+ →←+

+ →←+

Balanç global de la branca no oxidativa de la ruta de les pentoses fosfat:

fosfathidGliceraldefosfatFructosa

fosfatRibosafosfatXilulosaAldolasaiasaTranscetol

−+−

→←

−+−−

3.6..2

5.3.2

..

Branca oxidativa Branca no oxidativa

Regulació de la ruta de les pentoses fosfat: - Branca oxidativa: l’enzim glucosa 6-fosfat deshidrogenasa que és el primer enzim clau de la ruta està regulat al·lostericament positiu per NADP+. - Branca no oxidativa: no hi ha una regulació precisa, sinó que funciona segons la disponibilitat de substrat ja que l’objectiu de la ruta és no acumular ribosa 5-fosfat.

24

Tema 13: La fotosíntesi Visió global de la fotosíntesi. Pigments fotosintètics. Descripció de la fase lluminosa: fotosistemes, transport electrònic i fotofosforilació. Descripció de la fase fosca: el Cicle de Calvin. Fotorespiració. Ruta del C4. La fotosíntesi és la síntesi de matèria orgànica a partir de la radiació de la llum, aigua i diòxid de carboni. La fotosíntesi es dóna en plates verdes i bacteris fotosintètics.

2222 )( OOCHCOOH +→+

Es requereix la participació de moltes proteïnes i mecanismes aportadors de llum. Es dóna en el cloroplasts . És una reacció biosintètica de reducció, per tant cal energia de l’ATP i poder reductor del NADPH. Té lloc en dues etapes, una en presència de llum i la altra fase en absència de llum o fase fosca. La fase en presència de llum permet obtenir la energia i el poder reductor que cal per a la segona. La fase fosca o en absència de llum utilitzant els productes de la fase lluminosa produeix sucres a partir de CO2. El NADPH es produeix per un mecanisme semblant al de la cadena del transport electrònic, però en aquest cas qui cedeix els electrons és l’aigua. El ATP es produeix en bombes de protons que aprofiten el gradient de pH per fer funcionar una ATP sintasa que produeix ATP. Clarament hi ha un mecanisme semblant al de la cadena de transport electrònic i a la fosforilació oxidativa però amb la diferencia que aquí els electrons provenen de la fotoexcitació dels pigments fotosintètics. Localització dels elements fotosintètics: Membrana tilacoide: s’hi troben les molècules captadores de llum, és a dir tots els pigments associats en el que s’anomenen fotosistemes. També hi ha les molècules que participen en la cadena del transport electrònic. També hi ha la ATP sintasa específica dels cloroplasts que és força semblant a la dels mitocondris. Estroma: hi ha els enzims que permeten la síntesi de glucosa a partir de diòxid de carboni, és a dir, els enzims del cicle de Calvin. Pigments fotosintètics: Clorofil·la: és un anell de tetrapirrol formant un anell de porfirina, és a dir, una estructura formada per 4 anells de pirrol. Forma una estructura semblant a la del grup Hemo però es diferencia perquè té Mg en comptes de Fe. També conté una cadena hidrogencarbonada de fitol. La clorofil·la a i b absorbeixen respectivament entre 400-500 nm i 600-700 nm, la resta de l’espectre de radiació de la llum s’absorbeix pels altres pigments.

Ficoeritrobilines, ficocianobilines i carotens: tenen una alternança de enllaços dobles i simples, les molècules que ho presenten globalment s’anomenen poliens. Aquesta alternança de enllaços dobles i simples els permet captar la radiació solar al alterar els electrons excitant-los. Absorbeixen l’espectre de la llum entre 400 i 700 nm.

Els pigments s’organitzen en unitats fotosintètiques que s’anomenen fotosistemes, són agrupacions de clorofil·la. Hi ha dos tipus de clorofil·la segons la seva reacció en rebre la radiació.

Transferència d’energia de ressonància en un complex de captació de la llum

Quan una molècula de clorofil·la rep radiació, un electró s’excita; i quan aquest torna al seu estat fonamental l’energia que perd s’utilitza per excitar una altra molècula. Les molècules que capten la radiació s’anomenen antenes i el procés de transferència de l’energia s’anomena ressonància. Aquest procés passa fins que arriba a la clorofil·la centre de reacció del fotosistema. En aquesta l’energia s’utilitza per excitar un electró de l’estat fonamental, que no torna a l’estat fonamental sinó que es transferit a un acceptor d’electrons. El fotosistema es converteix en un oxidant potent.

25

Hi ha dos fotosistemes: Fotosistema I (P700): aquest fotosistema pot acceptar longituds d’ona per sobre del 680 nm i la relació entre la clorofil·la a i la b és alta, per tant, hi ha més clorofil·la a. Fotosistema II (P680): la relació de clorofil·la a respecte la b és menor hi ha clorofil·la c. La reacció d’acceptació dels electrons va ser descoberta l’any 1937 per Robert Hill.

Reacció de Hill: 222 22 OAHAOH llum +→+

En aquesta reacció es va fer servir un acceptor d’electrons artificial que és una molècula oxidant que en el cas concret de la reacció de Hill s’anomena reactiu de Hill. Quan aquesta reacció es dóna de forma natural en els cloroplasts aquest oxidant és el NADP+. En aquestes reaccions els electrons van d’un gradient de potencial positiu a un de negatiu, això suposa una energia lliure positiva que per tant cal aportar a través de la radiació solar.

+∆

+=

−=

++→++

++

G

VOOHE

VNADPHNADPE

HONADPHNADPOH llum

82.0)/(º

32.0)/(º

222

22

22

En aquesta reacció el NADP+ es redueix a NADPH mentre que l’aigua s’oxida a oxigen, tal i com es veu pels potencials estàndards els electrons tendeixen a anar des del parell NADP+/NADPH cap el parell aigua/oxigen. Perquè la reacció es doni a l’invers cal aportar l’energia de la radiació solar.

Fotosistema I (P700)�acceptor de la clorofil·la del centre de reacció (Ao)�filoquinona, molècula unida a una proteïna redox (A1)�diferents centres ferro-sofre (FX, FA, FB)�ferrodoxina (Fd)�ferredoxina-NADP+ oxidoreductasa(FNR)�NADP+ Fotosistema II (680)�feofitina (Ph)�plastoquinona (QA, QB, QH2), equivalents de la ubiquinona de la cadena del transport electrònic mitocondrial�complex citocrom bf (citocrom III o citocrom reductasa), citocrom b, f i diferents centres Fe-S que també actuen com a bomba de protons�plastocianina (Pc)�fotosistema I Tanca la cadena el fotosistema I. Els fotosistema I queda amb un alt poder oxidant que té la capacitat de trencar l’aigua amb la deshidrogenasa de l’aigua. Aquest enzim té un centre dimanganès (MnC) i dos donadors d’electrons a P680.

Aquest enzim és equivalent al complex IV o citocrom oxidasa de la cadena de transport electrònic del mitocondri on també hi ha formes semireduïdes d’O2.

++

−+

++↑→+

↑++→

HNADPHONADPOH

OeHOHllum 2222

442

22

22

26

Aquest procés s’anomena esquema en Z, per la forma que pren la gràfica dels potencials. Per cada electró que arriba al complex del citocrom bf es transporten 2 protons. Llavors per cada molècula d’aigua que s’hidrolitza, dels 4 electrons que surten se’n obtenen 8 protons, que més els quatre que s’obtenen directament de la hidròlisi donen un total de 12 protons per molècula d’aigua. Això genera una energia en forma de gradient de concentració de protons que quan surten cap a fora de a l’estroma per una ATP sintasa molt semblant a la mitocondrial. Per cada 3 protons que tornen a l’estroma es produeix una molècula d’ATP. L’ATP sintasa del tilacoide consta de dos subunitats, CFo i CF1: - CFo: es troba enmig de la membrana lipidica del til·lacoide. - CF1: es projecta cap a l’exterior i està formada per 3 subunitats α, 3 β, 1 γ i 1 ε. El gradient electroquímic de pH és el component principal del mecanisme, ja que el potencial de membrana es nul, ja que membrana del tilacoide es permeable a ions com el clorur i el magnesi. L’ATP i el NADPH ja es queden en l’estroma que és el compartiment adequat per formar els sucres. Esquema de les reaccions que es produeixen en els til·lacoides:

Cicle de Calvin: (Diòxid de carboni � Glucosa) Inicialment quan es va fer per primera vegada l’experiment proporcionant a unes algues en suspensió diòxid de carboni macat amb C14, es va veure que el primer compost que es formava era el 3-fosfoglicerat. Però després es va veure que primer el diòxid de carboni es fixava sobre un sucre de 5 carbonis anomenat ribulosa 1,5-bifosfat, llavors aquesta molècula de sis carbonis formada pel diòxid de carboni i la ribulosa 1,5-bifosfat s’hidrolitzen en dos molècules de tres carbonis que són el 3-fosfoglicerat.

3265 2

2 CCCOC OH →→+ +

L’enzim que catalitza la fixació del diòxid de carboni és la ribulosa 1,5-bifosfat carboxilasa (RuBisCo). La RuBisCo és un enzim molt complex que es troba de forma molt elevada (15000) en la membrana til·lacoidal del costat de l’estroma. Constitueix un 15% del total de proteïna present en el cloroplast. És l’enzim més abundant de tota la biosfera i clau per la producció de biomassa.

fosfathidGliceraldeceratBifosfogliratFosfoglice PiNADPNADPHADPATP − →− →− +→→ +

3.3,13

Enzims principals del cicle de Calvin: Els enzims que catalitzen aquestes reaccions són en el primer cas la fosfoglicerat quinasa i en la segona reacció la gliceraldehid 3-fosfat deshidrogenasa. Per a la regeneració del acceptor calen aldolases i transcetolases. Després cal la regeneració de la RuBP

27

Balanç energètic de 6 voltes del cicle de Calvin:

++++→+++ NADPPiAPOHCOHNADPHATPCO 1218181212186 612622

Regulació del cicle de Calvin: La regulació es dóna per la RuBisCo que és un enzim al·lostèric que respon a 3 canvis diferents: + increment de pH. + Mg2+ + NADPH produït pel fotosistema I Fotorespiració: En la fotosíntesi els cloroplasts consumeixen diòxid de carboni i alliberen oxigen. En els mitocondris es dóna el consum d’oxigen i l’alliberament de diòxid de carboni. Aquest consum d’oxigen no és exclusiu del mitocondri ja que també es pot realitzar en la fotorespiració, la fixació d’oxigen per part de la RuBisCo. La RuBisCo té una activitat carboxilasa (fixació CO2) que és 4 vegades més eficient que la oxigenasa (O2). Aquest fet és com si per una imperfecció del centre actiu de l’enzim aquest pogués fixar CO2 per formar 3-fosfoglicerat o O2 formant fosfoglicolat que no és gaire útil. Cicle del C4: Moltes plantes tropicals i moltes herbes no fan la fotorespiració i per tant poden créixer més. Fan el que s’anomena cicle del C4 o cicle de Hatch–Slack on l’enzim anomenat fosfoenolpiruvat carboxilasa (PEP carboxilasa) que treballa a concentracions de CO2↓↓, fixa aquest sobre el fosfoenol piruvat donant oxalacetat.

PirCONADPHNADPMalat

ernesméslulescèlatTransporta

NADPMalatNADPHOxalacetat

OxalacetatCOPEP

oxdescarbox

DHmalat

lasaPEPcarboxi

++ →+

+ →+

→+

+

+

2

.

.

2

int..·..

L’objectiu és obtenir concentracions de CO2 elevades en les cèl·lules més internes, ja que hi ha menys d’aquest al tancar els estromes per tal de no deixar escapar l’aigua. Un cop tenen el CO2 concentrat en les cèl·lules més internes sense O2 l’efecte de la RuBisCo és màxim, ja que casi no hi ha activitat oxigenasa, és tot activitat carboxilasa.

La piruvat difosfat diquinasa intervé en el pas de piruvat � PEP, en el procés de recuperació del PEP.

28

Tema 14: Metabolisme del lípids Catabolisme dels àcids grassos: la beta-oxidació. Regulació. Cetogènesi. Biosíntesi dels àcids grassos, regulació. Biosíntesi del colesterol i derivats.

Fosfolípids i esfingolípids: membranes biològiques. Derivats d’àcids grassos: hormones i missatgers intracel·lulars.

Funcions dels àcids grassos:

En general molècules combustibles per l’obtenció d’energia. Els àcids grassos estan emmagatzemats en triglicèrids, ésters amb el glicerol. Els triglicèrids són dipòsits d’energia metabòlica molt concentrada ja que es manté molta més energia que no pas del glicògen o el midó perquè son molècules molt reduïdes i anhidres. Per 1 gram de greix anhidre obtenim 6 vegades més energia que 1 gram de glicògen hidratat. En els mamífers els triglicèrids es troben en el citosòl de les cèl·lules del teixit adipós, en els adipòcits, que estan especialitzades en la emmagatzemament dels triglicèrids i contenen els enzims encarregats de la síntesi i degradació de triglicèrids però no degraden els àcids grassos. La degradació es fa a partir de lipases que trenquen els enllaços éster per hidròlisi, aquestes també es troben en les parets de l’intestí. El glicerol i l’àcid gras passen a la sang fins al fetge, tot i que l’àcid gras viatja associat a proteïnes formant lipoproteïnes. En el fetge s’hi duu a terme la degradació dels àcids grassos. En el fetge el glicerol es transforma amb intermediaris de glucòlisi o gluconeogènesi.

fosfathidGliceraldefosfatcetonaDihidroxiaNADfosfatGlicerol

ADPfosfatGlicerolATPGlicerolnasadeshidrogefosfatGlicerol

quinasaGlicerol

−↔ →+−

+− →+−+ 3..3.

3.

.3.

.

Segons calgui o no energia aquest gliceraldehid seguirà la ruta de la glucòlisi per obtenir ATP o la ruta de la gluconeogènesi per formar glucosa, respectivament. Per els àcids grassos no hi ha els enzims necessaris per la degradació d’aquests en el citosòl de la cèl·lula del fetge sinó en el mitocondri. Entrada de l’àcid gras al mitocondri: 1.- Unió de l’àcid gras al CoA per un enllaç tioéster.

)().(

)2()(sin.

CoAAcilCoASCORadenilatAcilAMPCORCoACOOHR

PiPpiAMPCoAAcilCoASCORCoAATPCOOHRAMPSHCoAPpiATP

tasaAcilCoA

−−−− →−− →+−

++−−−− →++−→−→

2.- Per entrar l’acil-CoA al mitocondri cal associar-lo a un transportador que és la arnitina, una amina quaternària.

Funcionament Carnitina: Estructura Carnitina:

La unió entre la carnitina i l’acil-CoA és catalitzada per la carnitina aciltransferasa I, un cop atravessada la membrana mitocondrial interna, un enzim anomenat carnitina aciltransferasa II torna a formar l’acil-CoA i allibera la carnitina.

Esquema de la β-oxidació dels àcids grasos.

29

La degradació de l’àcid gras dins de la matriu del mitocondri es dóna en dos fases, la β-oxidació i el cicle de Krebs. En la primera es trenca la cadena de l’àcid gras per alliberar unitats de 2 carbonis, en concret acetil-CoA que és un intermediari del cicle de Krebs, començant per l’extrem carboxi. C-C-C-C-C-C-//C-COOH Per tant, un àcid gras de 16C com l’àcid palmític haurà de donar 7 voltes de β-oxidació. Els coenzims reduïts (NADH i FADH2) poden anar directament a la cadena del transport electrònic ja que ja es troben en el compartiment cel·lular adequat.

( ) CoAAcetiln

NADHFADHn

oxidacióvoltesn

CnGrasÀcid −++−

→−−

⇒22

)1(.

2

)1()(. 2β

Balanç de la degradació d’àcids grassos:

ATPgrasàctransportATPATPATPTotal

SHCoAOHCOATPPiADPOCoAPalmitoilTotal

OHCOATPSHCoAPiADPOCoAAcetil

ATPATPATPxFADHATPxNADHSHCoACO

voltesKrebsdeCicle

PalmitoildeloxidaciólaperATPobtenenS

HATPxNADHATPxFADHCoAAcetil

Voltes

HNADHFADHCoAAcetilCoAMiristoilOHNADFADSHCoACoAPalmitoil

Volta

CPalmitoilOxidació

129...2131:.

81461613113113123:

104169689696168

968)162(8)743(24816

).8.(..*.2

.....35.'

7)213(7)142(78

.7

...

.1

)16(:*.1

222

222

22

2

22

=−

−+++→+++−

+++−→+++−

⇒+=+=+−+

−

+=+=+−

++++→+++−+

−−

+

++

β

β

Regulació de la β-oxidació: La regulació es dóna a nivell del transport de l’àcid gras al mitocondri. És a dir, en l’enzim carnitinacil transferasa I, que és inhibit al·lostèricament per el malonil-CoA, un percussor de la biosíntesi d’àcids grassos. β-oxidació àcids grassos poliinsaturats i nº senar C. Formació de cossos cetònics al fetge:

Del l’acetil CoA de la β-oxidació, es pot treure E a partir del cicle de Krebs, o bé amb la formació de cossos cetònics fer condensació d’acetil-CoA per esterificació. Aquests cossos cetònics són: acetoacetat, acetona (expulsada pels pulmons en respirar) i β-hidroxibutirat. Si la [glucosa]↓, no es pot utilitzar per obtenir E però en cal per el cervell, la resta del cos continua obtenint energia a través de la β-oxidació. Llavors si [acetil-CoA]↑ però [oxalacetat]↓ perquè cal mantenir el nivell basal de glucosa (gluconeogènesi) pel cervell; l’acetil-CoA produït per β-oxidació no pot entrar al cicle de Krebs i forma cossos cetònics per cetosi. L’acetoacetat i el β-hidroxibutirat poden ser utilitzats al cap d’un temps pel cervell en substitució de la glucosa.

30

Biosíntesi d’àcids grassos: Característiques principals: 1.- No és la inversió de la ruta degradativa ja que hi ha nous enzims. 2.- Es duu a terme en el citosòl. 3.- Els intermediaris de la biosíntesi estan units covalentment als grups tiol d’una proteïna anomenada proteïna transportadora de grups acil (ACP). Aquesta proteïna té un braç llarg que en el seu extrem hi ha el grup tiol que fa la esterificació. Aquesta proteïna és un complex multienzimàtic que fa que no hi hagi difusió dels reactius i els substrats millorant així la eficiència. 4.- En animals superiors aquest complex multienzimàtic s’anomena complex àcid gras sintasa. 5.- La nova cadena d’àcid gras es va formant a partir de unitats de dos carbonis que s’addicionen en forma de malonil-CoA. Hi ha una descarboxilació entre les unitats que s’addicionen. La cadena però comença directament a partir de dos unitats de acetil-CoA, la resta d’unitats provenen de l’acetil-CoA que passa a malonil-CoA. 6.- El poder reductor que s’utilitza és el NADPH. 7.- L’àcid gras sintasa s’atura quan acaba de sintetitzar un àcid gras de 16 carbonis i de cadena saturada tal i com és l’àcid palmític. Formació del Malonil-CoA:

+−− +++−−−− →+++−−− HPiADPCoASCOCHOOCOHATPHCOCoASCOCH acarboxilasCoAacetil2

..

233

L’enzim que catalitza la reacció que permet el pas d’acetil-CoA a malonil-CoA s’anomena acetil-CoA carboxilasa i és també l’enzim regulador de la biosíntesi. Està format per 3 subunitats: la proteïna transportadora de biotina ( el grup prostètic és una molècula de biotina), la biotina carboxilasa i la transcarboxilasa. Per tant no hi ha una transferència directa del grup carbonil sobre el acetil-CoA.

CoAMalonilCoAAcetilPiHADPHCOATP

− →−++→+ +−

3

Àcid gras sintasa: L’àcid gras sintasa és un complex multienzimàtic que en el centre s’hi troba la proteïna transportadora de grups acil (ACP), aquesta té un braç acabat amb un grup tiol que s’encarrega de transportar el malonil-CoA. També hi ha altres subunitats: ACP acetiltransferasa ACP maloniltransferasa Enoli-ACP transferasa 3-hidroxiacil-ACP-deshidratasa β-cetoacils-ACP-reductasa β-cetoacil-ACP-sintasa (també té un grup tiol de la cisteïna per tal de condensar les unitats de 2 carbonis).

31

Mecanisme del braç oscil·lant del complex de l’àcid gras sintasa del eucariotes:

Proteïna transportadora de grups acil (ACP): el grup prostètic és la 4’-fosfopanteteína que està covalentment unida al grup hidroxil d’un residu de Ser de la ACP.

Balanç de la síntesi de palmitat (16C):

PiADPOHSHCoANADPPalmitatNADPHATPCoAAcetil

HPiADPCoAMalonilATPCOCoAAcetil

OHSHCoANADPCOPalmitatHNADPHCoAMalonilCoAAcetil

7768141478

7777777

681477147

2

2

22

+++−++→++−

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

+++−→++−

+−+++→++−+−

+

+

++

Regulació de la biosíntesi d’àcids grassos: La regulació de la síntesi d’àcids grassos té lloc a nivell de l’enzim acetil-CoA carboxilasa al·lostèricament + pel citrat i – pel palmitat. Aquest enzim també pot ser fosforilat per inactivar-lo i defosforilat per activar-lo, només per una cascada de transducció de senyals sota control hormonal. Producció d’àcids grassos més llargs de 16 carbonis i amb insaturacions: L’àcid gras més llarg que es pot fer sense insaturacions en vertebrats a partir del palmític (C16) és l’esteàric (C18). L’àcid gras més llarg que es pot fer amb insaturacions en vertebrats a partir del palmític és el palmitoleïc (C16 ∆

9). L’àcid gras més llarg que es pot fer amb insaturacions en vertebrats a partir de l’esteàric és l’oleic (C18 ∆

9). Els enzims necessaris per aquestes rutes surten del reticle endoplasmàtic. L’organisme necessita ingerir en la dieta àcids grassos amb més insaturacions com el linoleic, que no podem produir i s’anomenen àcids grassos essencials. Aquests deriven de prostaglandines i tenen funció reguladora.

32

Orígens de l’acetil-CoA: Els aminoàcids també produeixen acetil-CoA per la degradació d’esquelets carbonats del aminoàcids.

L’acetil-CoA que es troba dins del mitocondri pot sortir a l’exterior per les llançadores de grups acetil.

Transport d’unitats d’acetil i d’equivalents de reducció emprats en la síntesi d’àcids grassos

1 Citrat sintasa 2 Citrat liasa 3 Malat deshidrogenasa citosòlica i mitocondrial 4 Enzim màlic L’avantatge de tenir dos rutes per tancar la ruta es que es pot produir part del NADPH que es necessari per la síntesi d’àcids grassos, juntament amb el NADPH produït en la ruta de les pentoses fosfat. Biosíntesi de triglicèrids (teixit adipós principalment): Es necessiten glicerol 3-fosfat i acil-CoA, que es poden obtenir:

PiAMPCoAAcilSHCoAATPGrasÀc

ADPfosfatGlicerolATPGlicerol

NADfosfatGlicerolHNADHfosfatcetonaDihidroxia

tasaCoAacil

quinasaglicerol

nasadeshidrogefosfatglicerol

++− →−++

+− →+

+− →++−

−

+−+

sin.

.

.3.

.

3.

3.

Síntesi de triglicèrids:

SHCoAdTriglicèriCoASCORgliceroldiacil

gliceroldiacilfosfatidatL

SHCoAfosfatidatLCoAAcilfosfatGlicerol

erasaaciltransffosfatglicerol

PiOH

erasaaciltransffosfatglicerol

−+ →−−−+−

− →−

−+− →−+−

−

→

−

.3.

.3.

.2,1

.2,1

223.

2

33

Tema 16: Integració del Metabolisme Visió global del metabolisme. Control integrat del metabolisme mitjançant hormones. Missatgers secundaris involucrats en el control del metabolisme: traducció de senyals. Paper dels òrgans clau en diferents situacions metabòliques. Rutes metabòliques animals: 1.- Glucòlisi: localitzem els seus enzims al citosòl, l’objectiu d’aquesta ruta és la producció d’energia en forma d’ATP. Està regulada en la fosfofructoquinasa 1 i la piruvat quinasa. Funciona quan la càrrega energètica de la cèl·lula és baixa. És una ruta degradativa relacionada amb les necessitats de la cèl·lula. El balanç global es que per 1 molècula de glucosa n’obtenim 2 de piruvat, 2 d’ATP i 2 de NADH. Aquest piruvat pot ser oxidat de forma anaerobia per obtenir lactat o alcohol en les fermentacions. També pot ser oxidat de forma aerobia a l’interior del mitocondri si passa a través de les llançadores a través del cicle de Krebs i la cadena de transport electrònic, però abans cal la descarboxilació del piruvat fins a acetat. 2.- Cicle de Krebs: en aquesta ruta localitzada en el mitocondri hi convergeixen el metabolisme de glúcids, àcids grassos i aminoàcids. Forma part del catabolisme ja que se’n obté energia però també s’obtenen alguns intermediaris que són precursors de biomolècules, per tant, és una ruta amfibòlica. El balanç global és que per cada acetil-CoA s’obtenen 1 GTP, 3 NADH i 1 FADH2. 3.- Ruta de les pentoses-fosfat: la funció d’aquesta ruta localitzada en el citosòl és obtenir poder reductor en forma de NADPH. Està regulada per la concentració del [NADPH]/[NADP+]↑ que afecta al primer enzim de la ruta. El balanç global és que per cada molècula de glucosa s’obté ribosa 5-fosfat per la branca oxidativa, que si no es necessita per fer nucleòtids, per la branca no oxidativa entra a formar part de metabòlits de glucòlisi. 4.- Gluconeogènesi: la funció d’aquesta ruta localitzada en el citosòl és obtenir glucòlisi per una ruta que és parcialment idèntica a la inversió de la ruta glucolítica però amb la diferència que els enzims que hi participen són diferents i s’eviten les reaccions irreversibles. També cal destacar que hi ha una coordinació entre la producció de glucòlisi i de gluconeogènesi per tal de que no es donin cicles fútils en que només es dóna la hidròlisi d’ATP sense treball; els enzims que regulen aquestes rutes funcionen coordinadament. 5.- Síntesi de gradació de glicògen: aquesta ruta localitzada en el citosòl conté els enzims de síntesi, glicògen sintasa, i de gradació, glicògen fosforilasa, del glicògen. Aquests processos estan regulats per la unió covalent reversible de grups fosfats en la fosforilació i defosforilació, lligada al control hormonal que provoca les cascades de transducció de senyals. 6.- Síntesi de gradació d’àcids grassos: la síntesi d’àcids grassos es dóna en el citosòl a través del complex àcid gras sintasa que està regulat en l’etapa de pas de l’acetil-CoA transportat al citosòl per la transportadora de grups acetil-CoA, a malonil-CoA, catalitzada per l’acetil-CoA carboxilasa. La degradació es dóna la β-oxidació i en el cicle de Krebs en que els àcids grassos primerament són degradats a unitats de 2 carbonis, NADH i FADH2, procés que està regulat pel transport de l’àcid gras al mitocondri per la carnitina. Punts de connexió de les rutes: Glucosa 6-fosfat, piruvat i acetil-CoA.

34

Perfils metabòlics dels òrgans més importants: - Cervell: utilitza com a font d’energia només glucosa, i després d’un període d’adaptació utilitza cossos cetònics, que entre 3 i 4 dies de inanició comença a consumir-los juntament amb la glucosa; i després de varies setmanes els consumeix principalment més que no pas glucosa. No emmagatzema res i tampoc no exporta res. Només fa la glucòlisi, el cicle de Krebs i la cadena del transport electrònic; i després d’un període d’adaptació la degradació de cossos cetònics. No pot utilitzar àcids grassos perquè viatgen juntament amb proteïnes i la membrana de les neurones no permet el pas de substàncies apolars. - Múscul: utilitza com a font d’energia la glucosa, els àcids grassos i els cossos cetònics. Emmagatzema les reserves més importants de glicògen, que només fa servir pel seu propi funcionament ja que no té la glicògen 6-fosfatasa i per tant no pot regular el nivell de glucosa a la sang. Fa les rutes de la glucòlisi, la gluconeogènesi fins a glucosa 6-fosfat, la β-oxidació, el cicle de Krebs i la degradació de proteïnes. En contracció pot fer la glucòlisi anaeròbia quan està en repòs utilitza els àcids grassos. A diferència del múscul esquelètic, el múscul cardíac no emmagatzema res, només fa la glucòlisi aeròbia i no pas l’anaeròbia; utilitza com a font d’energia àcids grassos al teixit adipós, alanina del múscul esquelètic, lactat del múscul esquelètic, glucosa i cossos cetònics. Per això fa les rutes de glucòlisi, β-oxidació, degradació de cossos cetònics, aprofitament d’alanina i lactat. - Teixit adipós: emmagatzema triglicèrids, necessita glucosa i àcids grassos (acomplexats amb proteïnes) que li arriben per la sang. Llavors es transforma a glicerol 3-fosfat i acil-CoA per formar triglicèrids que poden ser degradats per una lipasa i tornar a passar a la sang quan convingui i en el fetge tornar a ser aprofitats. Les rutes metabòliques que duu a terme són la glicòlisi, la β-oxidació, la biosíntesi i degradació de triglicèrids. - Fetge: fa de magatzem de glicògen que pot alliberar en forma de glucosa a la sang per tal de mantenir els nivells d’aquesta ja que disposa de la glicògen 6-fosfatasa. Utilitza com a fons d’energia la degradació de cetoàcids per donar glucosa i els cossos cetònics produïts per altres òrgans. Pot fer pràcticament totes les rutes metabòliques com són la síntesi i degradació de glicògen, glucòlisi, gluconeogènesi, cadena de transport electrònic, producció i degradació de cossos cetònics, β-oxidació d’àcids grassos, síntesi d’àcids grassos i també el cicle de Cori i el cicle de la glucosa - alanina.