Regulación de la Glucólisis
La Glucólisis es una de las rutas metabólicas mas conservadas en los seres vivos y es un proceso finamente regulado que permite mantener los niveles de ATP relativamente constantes y a un nivel adecuado para cubrir las necesidades de la célula. Este equilibrio se lleva a cabo mediante la regulación alostérica de tres enzimas de la ruta de Glucólisis: La Hexocinasa (primera reacción de la glucólisis), la Fosfofructocinasa (tercera reacción) y la Piruvato Cinasa (décima y última reacción). Durante este mecanismo de regulación, la célula censa los niveles de ATP y NADH, que le sirven como indicativo de los niveles de energía que tiene.
Otros mecanismos de regulación del proceso de la Glucólisis se llevan a cabo de manera hormonal por la insulina, el glucagón y la epinefrina. También se ha visto que la presencia de ciertos metabolitos tiene cierta influencia sobre la actividad de ciertas enzimas. En última instancia, el control en la expresión de los genes de algunas de las enzimas de la Glucólisis también servirán para regular este proceso.
La Glucólisis genera como productos energéticos al ATP, NADH y Piruvato. Este último puede continuar su proceso de degradación en Ciclo de Krebs, convertirse en aminoácidos o entrar a una ruta fermentativa. Por otro lado, los intermediarios de la ruta de la Glucólisis pueden dirigirse hacia otra rutas del metabolismo para generar biomasa en forma de ácidos nucleicos, proteínas o lípidos.
El metabolismo de la glucosa va mas allá de las necesidades energéticas o de la formación de bloques de construcción para la célula. Incluye procesos de señalización para otros aspectos del ambiente celular como el estado de la cromatina, afectando el estado de acetilación de las histonas, o la activación de rutas dependientes de receptores de tirosin-cinasa cambiando el estado redox que lleva a la oxidación de la cisteína catalítica y por lo tanto de la inactivación de proteínas fosfatasas.
La configuración bioquímica de la Glucólisis permite que cada paso en la ruta genere compuestos específicos que se pueden canalizar a diferentes rutas del metabolismo, de tal forma que para muchas células (por ejemplo bacterianas) toda la demanda de biomasa y energía necesarias para la subsistencia de la célula se pueden obtener a partir del metabolismo de la glucosa y unas pocas sales.
La Glucocinasa, una isoforma de la Hexocinasa, es regulada por una proteína reguladora denominada GKRP (por sus siglas en inglés: Glucokinase Regulatory Protein) que afecta la actividad catalítica y la compartamentalización subcelular. Cuando hay bajas concentraciones de glucosa, la GKRP se une a la Glucocinasa para transportarla al interior del núcleo. Cuando los niveles de glucosa aumentan, la Glucocinasa es transportada nuevamente al citoplasma celular.
La Fosfofructocinasa puede ser inhibida fuertemente por el ATP, que es uno de sus sustratos. ¿Cómo es posible que una enzima sea inhibida por su sustrato? Bueno, esta enzima tiene dos sitios de unión para el ATP: el sitio activo (para llevar a cabo la reacción) y el sitio alostérico (para su regulación). El sitio catalítico tiene una afinidad por el ATP de ~0.15 mM, mientras que el sitio alostérico tiene una afinidad de ~2.5 mM. Considerando que el rango de concentración intracelular de ATP oscila entre 2 y 5 mM, podemos esperar que el ATP constantemente esté inhibiendo la actividad de la Fosfofructocinasa tan pronto los niveles de ATP comienzan a subir. Sin embargo, esto no es así ya que los efectos activadores del ADP, AMP y cAMP contrarrestan los efectos inhibitorios del ATP.
Otras moléculas que pueden inhibir a la Fosfofructocinasa son el citrato y el lactato. Recordemos que el citrato se produce en el Ciclo de Krebs dentro de la mitocondria y puede ser exportado al citoplasma mediante la Lanzadera Citrato-Malato. La presencia de citrato en el citoplasma celular se debe a que el Ciclo de Krebs se está saturando, lo que indica que hay altos niveles de Acetil-CoA (reflejo de la abundancia de recursos energéticos por degradación de carbohidratos, lípidos o aminoácidos). La presencia de lactato se puede deber a varios factores, entre ellos la acumulación de Acetil-CoA, pues este inhibe al Complejo Piruvato Deshidrogenasa.
Podemos apreciar que los principales metabolitos que regulan la actividad de la Fosfofructocinasa son "marcadores" del estatus metabólico de la célula, de tal forma que aquellos que reflejan una necesidad energética (por ejemplo, ADP o AMP) activan a la enzima mientras que los que reflejan un exceso de energía (por ejemplo, ATP o citrato) la inhiben.
La Fosfofructocinasa también puede ser regulada indirectamente por la influencia de las hormonas insulina y glucagón, que tienen efectos sobre la producción del activador alostérico Fructosa 2,6-Bisfosfato. La Fructosa 2,6-Bisfosfato es producida por la enzima Fosfofructocinasa 2 a partir de la Fructosa 6-Fosfato. En realidad, la Fosfofructocinasa 2 es una enzima bifuncional, tiene un dominio de Cinasa y uno de Fosfatasa que realiza la reacción inversa.
En presencia de glucagón, se produce un aumento en la concentración de AMP cíclico (cAMP) que activa a una enzima llamada Proteína Cinasa A que es capaz de colocar un grupo fosfato a la Fosfofructocinasa 2, inhibiendo su actividad de Cinasa y activando la acción de Fosfatasa. Esto tiene como efecto la conversión de Fructosa 2,6-Bisfosfato en Fructosa 6-Fosfato. Debido a que ya no está presente el activador alostérico (Fructosa 2,6-Bisfosfato), se inhibe la acción de la Fosfofructocinasa y por tanto la Glucólisis.
Por otro lado, cuando hay insulina se produce una disminución del cAMP, lo que lleva a la activación del dominio Cinasa de la Fosfofructocinasa 2, que ahora es capaz de producir Fructosa 2,6-Bisfosfato. Esto activa a la Fosfofructocinasa y con ello a la Glucólisis.
Finalmente, la Fosfofructocinasa es susceptible de ser fosforilada por proteínas cinasas. Esta fosforilación no tiene efectos directos sobre su actividad enzimática, pero sí afecta la estabilidad de su oligomerización, necesaria para su actividad.
Su principal activador alostérico es la Fructosa 1,6 bisfosfato (producida en el paso tres de la Glucólisis por la enzima Fosfofructocinasa), aunque también puede ser activada por ADP. La unión del Fosfoenolpiruvato, Magnesio (Mg++) y protones (H+) también puede modular su función.
Por otro lado, esta enzima es inhibida por ATP y aminoácidos como la alanina, es decir, esta enzima se inhibe cuando la célula tiene energía u otras moléculas que pueden proporcionar energía al ser canalizadas hacia Ciclo de Krebs.
Curiosamente, la Piruvato Cinasa de Toxoplasma gondii es activada de manera alostérica por la glucosa 6-fosfato (producida por la Hexocinasa en la primer reacción de la Glucólisis). También existen sutiles diferencias en los procesos de regulación de la Hexocinasa y la Fosfofructocinasa en diversos organismos. Esta observación nos muestra que, a pesar de la ubicuidad de las enzimas glucolíticas en todas las células, el proceso global de regulación ha sido moldeado por la evolución para adaptarse a los estilos de vida de los diferentes seres vivos.
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BIBLIOGRAFIA
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Valentini, G., Chiarelli, L. R., Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, D. J., ... & Mattevi, A. (2002). Structure and function of human erythrocyte pyruvate kinase: molecular basis of nonspherocytic hemolytic anemia. Journal of Biological Chemistry, 277(26), 23807-23814.
Otros mecanismos de regulación del proceso de la Glucólisis se llevan a cabo de manera hormonal por la insulina, el glucagón y la epinefrina. También se ha visto que la presencia de ciertos metabolitos tiene cierta influencia sobre la actividad de ciertas enzimas. En última instancia, el control en la expresión de los genes de algunas de las enzimas de la Glucólisis también servirán para regular este proceso.
El estudio de la Glucólisis
La Glucólisis es una de las rutas metabólicas más estudiadas y es una ruta modelo que nos ayuda a comprender los principios fundamentales de cómo la célula puede llevar a cabo funciones vitales mediante las rutas metabólicas y su regulación. Fue la primer ruta metabólica en ser estudiada, desde la década de los 1950's, y ahora se sabe mucho de su función y proceso de regulación, sin embargo, aún se siguen descubriendo cosas nuevas.La Glucólisis genera como productos energéticos al ATP, NADH y Piruvato. Este último puede continuar su proceso de degradación en Ciclo de Krebs, convertirse en aminoácidos o entrar a una ruta fermentativa. Por otro lado, los intermediarios de la ruta de la Glucólisis pueden dirigirse hacia otra rutas del metabolismo para generar biomasa en forma de ácidos nucleicos, proteínas o lípidos.
El metabolismo de la glucosa va mas allá de las necesidades energéticas o de la formación de bloques de construcción para la célula. Incluye procesos de señalización para otros aspectos del ambiente celular como el estado de la cromatina, afectando el estado de acetilación de las histonas, o la activación de rutas dependientes de receptores de tirosin-cinasa cambiando el estado redox que lleva a la oxidación de la cisteína catalítica y por lo tanto de la inactivación de proteínas fosfatasas.
La configuración bioquímica de la Glucólisis permite que cada paso en la ruta genere compuestos específicos que se pueden canalizar a diferentes rutas del metabolismo, de tal forma que para muchas células (por ejemplo bacterianas) toda la demanda de biomasa y energía necesarias para la subsistencia de la célula se pueden obtener a partir del metabolismo de la glucosa y unas pocas sales.
Regulación de la Glucólisis
Como se mencionó anteriormente, el principal mecanismo de regulación de la Glucólisis se encuentra a nivel de tres de sus enzimas: la Hexocinasa, la Fosfofructocinasa y la Piruvato Cinasa. Veremos ahora cómo ocurre esta regulación.Regulación de la Hexocinasa
La Hexocinasa cataliza la reacción de fosforilación de la glucosa para convertirla en glucosa 6-fosfato, y tiene un mecanismo de regulación bastante simple, aunque elegante. Se activa por la presencia de la glucosa, que es su sustrato. Cuando la célula incorpora glucosa, es necesario fosforilarla para que quede confinada dentro de la célula, y entonces se activa la Hexocinasa. Por otro lado, la Hexocinasa es inhibida por la glucosa 6-fosfato, que es su producto, de esta manera, cuando ya hay mucha glucosa 6-fosfato, se deja de producir. Este mecanismo de regulación funciona como una especie de "acelerador-freno": si se necesita el producto, se activa la enzima, pero una vez que hay mucho producto, entonces se inhibe a la enzima.La Glucocinasa, una isoforma de la Hexocinasa, es regulada por una proteína reguladora denominada GKRP (por sus siglas en inglés: Glucokinase Regulatory Protein) que afecta la actividad catalítica y la compartamentalización subcelular. Cuando hay bajas concentraciones de glucosa, la GKRP se une a la Glucocinasa para transportarla al interior del núcleo. Cuando los niveles de glucosa aumentan, la Glucocinasa es transportada nuevamente al citoplasma celular.
Regulación de la Fosfofructocinasa
La Fosfofructocinasa añade un segundo grupo fosfato a la fructosa 6-fosfato convirtiéndola en fructosa 1,6-bisfosfato. Tiene uno de los mecanismos de regulación mas complejos que existen en las enzimas y representa un punto de regulación muy importante y sensible en la Glucólisis. Esta enzima se puede activar por la presencia de ADP, AMP, cAMP (AMP cíclico) y Fructosa-2,6-Bisfosfato (su principal molécula activadora). Otros activadores importantes de la Fosfofructocinasa son la fructosa 1,6-bisfosfato y la glucosa 1,6-bisfosfatoLa Fosfofructocinasa puede ser inhibida fuertemente por el ATP, que es uno de sus sustratos. ¿Cómo es posible que una enzima sea inhibida por su sustrato? Bueno, esta enzima tiene dos sitios de unión para el ATP: el sitio activo (para llevar a cabo la reacción) y el sitio alostérico (para su regulación). El sitio catalítico tiene una afinidad por el ATP de ~0.15 mM, mientras que el sitio alostérico tiene una afinidad de ~2.5 mM. Considerando que el rango de concentración intracelular de ATP oscila entre 2 y 5 mM, podemos esperar que el ATP constantemente esté inhibiendo la actividad de la Fosfofructocinasa tan pronto los niveles de ATP comienzan a subir. Sin embargo, esto no es así ya que los efectos activadores del ADP, AMP y cAMP contrarrestan los efectos inhibitorios del ATP.
Otras moléculas que pueden inhibir a la Fosfofructocinasa son el citrato y el lactato. Recordemos que el citrato se produce en el Ciclo de Krebs dentro de la mitocondria y puede ser exportado al citoplasma mediante la Lanzadera Citrato-Malato. La presencia de citrato en el citoplasma celular se debe a que el Ciclo de Krebs se está saturando, lo que indica que hay altos niveles de Acetil-CoA (reflejo de la abundancia de recursos energéticos por degradación de carbohidratos, lípidos o aminoácidos). La presencia de lactato se puede deber a varios factores, entre ellos la acumulación de Acetil-CoA, pues este inhibe al Complejo Piruvato Deshidrogenasa.
Podemos apreciar que los principales metabolitos que regulan la actividad de la Fosfofructocinasa son "marcadores" del estatus metabólico de la célula, de tal forma que aquellos que reflejan una necesidad energética (por ejemplo, ADP o AMP) activan a la enzima mientras que los que reflejan un exceso de energía (por ejemplo, ATP o citrato) la inhiben.
La Fosfofructocinasa también puede ser regulada indirectamente por la influencia de las hormonas insulina y glucagón, que tienen efectos sobre la producción del activador alostérico Fructosa 2,6-Bisfosfato. La Fructosa 2,6-Bisfosfato es producida por la enzima Fosfofructocinasa 2 a partir de la Fructosa 6-Fosfato. En realidad, la Fosfofructocinasa 2 es una enzima bifuncional, tiene un dominio de Cinasa y uno de Fosfatasa que realiza la reacción inversa.
En presencia de glucagón, se produce un aumento en la concentración de AMP cíclico (cAMP) que activa a una enzima llamada Proteína Cinasa A que es capaz de colocar un grupo fosfato a la Fosfofructocinasa 2, inhibiendo su actividad de Cinasa y activando la acción de Fosfatasa. Esto tiene como efecto la conversión de Fructosa 2,6-Bisfosfato en Fructosa 6-Fosfato. Debido a que ya no está presente el activador alostérico (Fructosa 2,6-Bisfosfato), se inhibe la acción de la Fosfofructocinasa y por tanto la Glucólisis.
Por otro lado, cuando hay insulina se produce una disminución del cAMP, lo que lleva a la activación del dominio Cinasa de la Fosfofructocinasa 2, que ahora es capaz de producir Fructosa 2,6-Bisfosfato. Esto activa a la Fosfofructocinasa y con ello a la Glucólisis.
Finalmente, la Fosfofructocinasa es susceptible de ser fosforilada por proteínas cinasas. Esta fosforilación no tiene efectos directos sobre su actividad enzimática, pero sí afecta la estabilidad de su oligomerización, necesaria para su actividad.
Regulación de la Piruvato Cinasa
La Piruvato Cinasa cataliza el último paso de la Glucólisis, convierte al Fosfoenol-piruvato en Piruvato generando una molécula de ATP. Esta enzima funciona como homotetrámero en forma de diamante y presenta un cambio conformacional sustancial al pasar de su forma inactiva a la activa. Su reacción es irreversible, por lo que representa un punto de regulación en la Glucólisis.Su principal activador alostérico es la Fructosa 1,6 bisfosfato (producida en el paso tres de la Glucólisis por la enzima Fosfofructocinasa), aunque también puede ser activada por ADP. La unión del Fosfoenolpiruvato, Magnesio (Mg++) y protones (H+) también puede modular su función.
Por otro lado, esta enzima es inhibida por ATP y aminoácidos como la alanina, es decir, esta enzima se inhibe cuando la célula tiene energía u otras moléculas que pueden proporcionar energía al ser canalizadas hacia Ciclo de Krebs.
Curiosamente, la Piruvato Cinasa de Toxoplasma gondii es activada de manera alostérica por la glucosa 6-fosfato (producida por la Hexocinasa en la primer reacción de la Glucólisis). También existen sutiles diferencias en los procesos de regulación de la Hexocinasa y la Fosfofructocinasa en diversos organismos. Esta observación nos muestra que, a pesar de la ubicuidad de las enzimas glucolíticas en todas las células, el proceso global de regulación ha sido moldeado por la evolución para adaptarse a los estilos de vida de los diferentes seres vivos.
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BIBLIOGRAFIA
Bakszt, R., Wernimont, A., Allali-Hassani, A., Mok, M. W., Hills, T., Hui, R., & Pizarro, J. C. (2010). The crystal structure of Toxoplasma gondii pyruvate kinase 1. PLoS One, 5(9), e12736. Liu, X., Kim, C. S., Kurbanov, F. T., Honzatko, R. B., & Fromm, H. J. (1999). Dual mechanisms for glucose 6-phosphate inhibition of human brain hexokinase. Journal of Biological Chemistry, 274(44), 31155-31159. Locasale, J. W. (2018). New concepts in feedback regulation of glucose metabolism. Current opinion in systems biology, 8, 32-38.
Muñoz, M. E., & Ponce, E. (2003). Pyruvate kinase: current status of regulatory and functional properties. Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology, 135(2), 197-218. Payne, V. A., Arden, C., Wu, C., Lange, A. J., & Agius, L. (2005). Dual role of phosphofructokinase-2/fructose bisphosphatase-2 in regulating the compartmentation and expression of glucokinase in hepatocytes. Diabetes, 54(7), 1949-1957.
Sola‐Penna, M., Da Silva, D., Coelho, W. S., Marinho‐Carvalho, M. M., & Zancan, P. (2010). Regulation of mammalian muscle type 6‐phosphofructo‐1‐kinase and its implication for the control of the metabolism. IUBMB life, 62(11), 791-796.
Valentini, G., Chiarelli, L. R., Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, D. J., ... & Mattevi, A. (2002). Structure and function of human erythrocyte pyruvate kinase: molecular basis of nonspherocytic hemolytic anemia. Journal of Biological Chemistry, 277(26), 23807-23814.
great
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