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CONTROL DE LA GLUCÓLISIS, PFK1

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by

Saray Rodríguez Pérez

on 20 February 2015

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CONTROL DE LA FOSFOFRUCTOQUINASA-1
GLUCÓLISIS Y PFK-1
ETAPA 2
OBTENCIÓN DE ENERGÍA
ETAPA 1
FOSFORILACIÓN, DESESTABILIZACIÓN Y ESCISIÓN.
PFK-1
Tetrámero: 340 KDa.

Monómeros
muy inestables -->
dimerización --> mantenimiento estructura terciaria (actividad catalítica mínima) --> Se asocian en
tetrámeros activos.

Cataliza
transferencia de grupo fosforilo
desde ATP a fructosa 6-fosfato --> fructosa 1,6-bisfosfato.

En mamíferos procede de la duplicación, fusión en tándem y divergencia de un
gen procariota.
En bacterias tiene la
mitad del tamaño
. En mamíferos tiene
lugares adicionales (alostéricos)
para ATP (inhibidor) y fructosa-2,6-bifosfato (F2,6BP), el mayor activador.

Equilibrio
entre estructuras oligoméricas afectado por condiciones físicas y químicas:
concentración de enzima,

pH, temperatura
y
ligandos alostéricos
.

Alteración de PFK-1
relacionada

con
cambios en metabolismo y fisiología
celulares

(aumenta en respuesta a señales de proliferación y a glucólisis elevada).

Glucosa importada al interior celular puede seguir diversas vías metabólicas:
- Catabolizada: glucólisis.
- Vía de las pentosas fosfato (PPP):
sintetiza esqueleto de ribosa de nucleótidos y permite reducir agentes (NADPH).

En hígado y músculo:
biosíntesis de glucógeno
mediante transformación glucosa-6-fosfato --> glucosa-1-fosfato.

Secuencia de reacciones:
1

molécula de glucosa (hexosa)--> 2 de piruvato,
produciendo
2 ATP.


Anaeróbico.

En
citoplasma.

En
eritrocitos, médula renal o cerebro
es la única fuente de energía metabólica.

Consta de
2 grandes etapas.

GLUCÓLISIS
FILAMENTOS DE ACTINA
Asociación
a
F-actina: estabiliza conformación tetramérica -->
aumenta
eficiencia catalítica
--> mayor
producción de lactato
.

Asociación parcialmente responsable del
“efecto Warburg”
: característica de células tumorales, que tienen habilidad para proliferar (producen mucho lactato, que inhibiría la PFK-1 si no estuviera asociada al citoesqueleto).

Estimulación del
músculo esquelético
con
epinefrina, insulina o serotonina
aumenta fracción de PKF unida a f-actina.
Por el contrario, asociación con
microtúbulos
o banda 3 (grupo de intercambiadores aniones)
estabiliza

dímeros
--> inhibición de PFK-1.
Regula
dinámica entre glucólisis y gluconeogénesis
en
hígado
:
activa PFK-1 e inhibe F1,6BPasa
.

Sintetizada y degradada por
6-fosfofructo-2-quinasa/fructosa-2,6-bisfosfatasa (PFKFB): enzimas bifuncionales
controladas recíprocamente por fosforilación de un residuo de
serina.

Control coordinado de glucólisis y gluconeogénesis:
dominios quinasa y fosfatasa misma cadena polipeptídica que dominio regulador
.

Niveles de glucagón o insulina provocan cascada que activa e inhibe uno y otro dominio de la enzima.

Mamíferos: 4 genes codifican
varias isoenzimas de PFKFB con = organización de dominios
(cada una con 2 regiones catalíticas).
FOSFORILACIÓN
PFK fosforilada por
quinasas (PKAs) en residuos de serina, treonina o tirosina -->

estabilización de conformación tetramérica
.

Epinefrina --> fosforilación residuos de serina; insulina y serotonina --> fosforilación residuos de tirosina.

Modifica patrón de activación por F6P -->
menos susceptible a inhibición por ATP.

Aumenta afinidad por la f-actina: regula fracción de enzima asociada.

Hormonas como epinefrina, insulina o serotonina
estimulan PKA dependiente de cAMP que fosforila PFK1,
haciendo que
no sea inhibida por lactato (act. física).

CALCIO Y
CALMODULINA

GLUCOSILACIÓN.
Glucosilación de PFK-1 en
Ser529 -->

aumento
flujo de las
vías pentosas fosfato.

Protege células de muerte mediada por ROS.

Si se inhibe glucólisis, aumenta la PPP y producción de NADPH -->
combate estrés oxidativo.

pH
Disminución del pH
aumenta efecto inhibidor del ATP sobre PFK-1.

pH desciende
cuando músculo funciona de forma
anaerobia -->

cantidad excesiva de ácido láctico
. Inhibición de glucólisis y fermentación láctica
protege el músculo de daños por acumulación de ácido
.

Protones sólo tienen importancia en la inhibición en
músculo

(no se produce lactato en
hígado).

ÁCIDO LÁCTICO
Producto final en
fermentación.

Induce
disociación de tetrámeros a dímeros --> reduce actividad
enzimática

Mecanismo de
retroalimentación negativa
hacia la proporción glucolítica.

ÁCIDO CÍTRICO
Generado en ciclo de ácidos tricarboxílicos (KREBS).

Señal: indica si
materiales de construcción abundan o escasean
(glucólisis proporciona esqueletos carbonados para biosíntesis).

Nivel alto de citrato citoplasmático --> abundancia de precursores de biosíntesis-->no necesita degradar más glucosa.

Intensifica efecto inhibidor del ATP
.

Inhibe PFK-1: interacción de sitios evolucionados desde un centro alostérico duplicado (centro de unión del fosfoenolpiruvato).
FÁRMACOS
Actúan
directamente sobre enzima
o sobre su

habilidad

para
unirse a elementos del citoesquleto (promueven unión a microtúbulos o desprendimiento de filamentos de actina).

Fármacos que inhiben PFK
disocian los tetrámeros en dímeros -->
afecta a habilidad para asociarse a citoesqueleto. Ej:
clotrimazol, el ácido acetilsalicílico, vinblastina, praxitel o lidocaína.
Contrarrestan el efecto Warburg en células tumorales.
CARGA ENERGÉTICA: ATP Y AMP
Se une a
lugar regulador
específico
distinto del centro catalítico
-->
reduce afinidad de PFK-1 por F6P.

AMP invierte efecto inhibidor
del ATP: compite por lugar de unión del ATP.

Carga energética disminuye --> aumenta actividad de la enzima.

Regulación de PFK en hígado = músculo esquelético, pero
en hígado no resulta tan importante
(niveles de ATP en hígado no fluctúan tanto).

Glucosa + ATP --> Glucosa 6-fosfato + ADP +H+

Glucosa entra en la célula mediante proteínas transportadoras específicas

Catalizada por
hexoquinasa
(músculo) o una
glucoquinasa
(hígado): transfiere grupo gamma fosforilo del ATP al hidroxilo del C6 de la glucosa.

Impide que la glucosa salga de la célula.

Irreversible:
punto de control de la glucólisis.




Glucosa 6-fosfato <-->fructosa 6-fosfato.

Isomerización
de la glucosa: aldosa --> cetosa.

Catalizado por
fosfoglucosa isomerasa
.

Reversible
.




Fructosa 6-fosfato + ATP --> Fructosa 1,6-bisfosfato + ADP + H+

Fosforilación.

Catalizada por
fosfofructoquinasa 1 (PFK-1)
, enzima alostérico.

Irreversible:
punto de control glucolítico.



Fructosa 1,6-bisfosfato <--> dihidroxiacetona fosfato + gliceraldehído 3-fosfato

Catalizada por
aldolasa
(reacción inversa a una condensación aldólica)

Reversible.




Isomerización
de
dihidroxiacetona fosfato a gliceraldehído 3-fosfato
(cetosa <--> aldosa).

Catalizada por
triosa fosfato isomerasa
.

Reversible.



Gliceraldehído 3-fosfato + Pi +NAD+ <-->1,3-bisfosfoglicerato + NADH + H+

Gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa
cataliza dos procesos:
oxidación de aldehído a ác. carboxílico por NAD+
y
unión del ác. carboxílico con ortofosfato para formar acilfosfato (1,3-bisfosfoglicerato, 1,3-BPG)-->
alto potencial de transferencia de grupo fosforilo.

Reversible.





1,3-bifosfoglicerato + ADP <--> 3-fosfoglicerato + ATP.

Fosfoglicerato quinasa
cataliza transferencia grupo fosforilo del acilfosfato del 1,3-bisfosfoglicerato al ADP formando ATP, y quedando 3-fosfoglicerato.

Reversible.



3-fosfoglicerato <--> 2-fosfoglicerato

Fosfoglicerato mutasa
cataliza cambio de posición del grupo fosforilo.

Reversible.



2-fosfoglicerato <--> fosfoenolpiruvato + H₂O

Deshidratación
.






Reversible.


Fosfoenolpiruvato + ADP +H+ --> piruvato + ATP
Fosforilación a nivel de sustrato.
Catalizada por
piruvato quinasa.
Piruvato aparece primero en forma enol y luego se tautomeriza rápidamente y de forma no enzimática para dar la forma ceto, predominante a pH 7.
Irreversible: 3º punto de control glucolítico.




Isoformas de PFK-1
3 genes distintos de PFK-1--> 3 isoformas:
PFK-M:
cromosoma 1, músculo, 85'2kD.
PFK-L:
cromosoma 21, hígado, 85'0kD.
PFK-C:
cromosoma 10, plaquetas y placenta, 85'6kD.

Expresión de estas isoformas
específica para cada tejido
; músculo esquelético es único en presentar PFK-M,
mezcla de las 3 isoformas en resto de tejidos.

Diferentes isoformas pueden formar homotetrámeros y heterotetrámeros dependiendo del tipo celular.

Cada isoforma tiene
propiedades cinéticas diferentes
.
Mutación de PFK-M
Provoca
depósito de glucógeno
.
Glucosa es desviada hacia la
vía glucogenogénica.
Afecta más a células
musculares
y a las que disponen de heterodímeros.
Dependencia
de otras fuentes de carbono: ácidos grasos o cuerpos cetónicos.

UNA RUTA ALTERNATIVA: PFKFB3 Y TIGAR

PFKFB3: 1 dominio quinasa. Elevación PFKFB3 -->elevación F2,6BP.
Envuelta en lipogénesis de adipocitos y síntesis de
triglicéridos, y relacionada con resistencia a la insulina, la obesidad y la diabetes.
TIGAR : proteína p53 inducible, solo comparte actividad fosfatasa con la familia PFKFB --> funciona como F2,6BPasa y F1,6BPasa. Reduce glucólisis.
Efecto TIGAR depende de actividad de todas las otras PFKFBs.
Su actividad se puede limitar con los supresores de p53.
Promueve la vía de las pentosas fosfato. Su expresión eleva los niveles más elevados de NADPH y
un aumento de habilidad reguladora de niveles celulares de ROS --> reducir estrés oxidativo.
Sobreexpresión de PFKFBs quinasa-deficiente en el corazón lleva a una glucólisis reducida, elevada glucogénesis y sensibilidad reducida a la insulina (resistencia).
Elevando la glucólisis, menos glucosa es atrapada para la vía de las pentosas fosfato -->reducción glutatión -->mayor estrés oxidativo en neuronas.
¿Por qué es el AMP y no el ADP el que estimula la actividad de la PFK?

Cuando el ATP se utiliza rápidamente,
adenilato ciclasa
puede formar ATP a partir de ADP:


ADP + ADP --> → ATP + AMP

Se recupera algo de ATP
, y el AMP se convierte en señal de que el nivel energético es bajo.

ADP actúa como un
activador
a concentraciones del orden de
uM

pero inhibe PFK a mM
.

Catalizada por
enolasa:
forma doble enlace (deshidratación) creando un enolfosfato (fosfoenolpiruvato), más inestable que el 2-fosfoglicerato y elevando potencial de transferencia del grupo fosforilo.

CONTROL DE PFK-1
CONTROL ALOSTÉRICO.
MODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLE.
CONTROL TRANSCRIPCIONAL.

Además, distinguimos:
ACTIVADORES.

INHIBIDORES.
1. CONTROL ALOSTÉRICO
El regulador se une a un sitio distinto del centro activo del enzima: el centro alostérico.
Proceso muy rápido (segundos).


pH (ÁCIDO LÁCTICO).
ÁCIDO CÍTRICO.
CARGA ENERGÉTICA.
FRUCTOSA-2,6-BISFOSFATO.
FRUCTOSA-2,6-BISFOSFATO
PFK puede
unirse a CaM
en
músculo
: 2
sitios de distinta afinidad
(3nM y 1uM). Unión depende de
[Ca 2+] intracelular elevada
.

2 sitos de unión ocupados
--> estabiliza conformación dimérica (rompen tetrámeros formando dímeros cuando CaM se une al sito de alta afinidad) -->
PFK inhibida
.

Dímeros con 1 CaM/monómero

no inhibidos
: actividad catalítica = tetrámeros.

Tan relevante como F2,6BP en activación de PFK en músculo:
contrarresta efectos inhibitorios de ATP, citrato y lactato más eficientemente que F2,6BP.

CaM
se une a dímeros formados por inhibidores --> formas activas.

Hormonas como insulina desencadenan fluctuación transitoria de Ca 2+ intracelular (apertura de canales de calcio dependientes de voltaje).
2. MODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLE
GLUCOSILACIÓN.
FILAMENTOS DE ACTINA.
FOSFORILACIÓN.
FÁRMACOS.
INSULINA.
GLUCAGÓN, EPINEFRINA Y NOREPINEFRINA.
CALCIO Y CALMODULINA.
3. CONTROL TRANSCRIPCIONAL
Es bastante más lento que el control alostérico, tardando horas o días en vez de segundos a minutos.

INSULINA.
GLUCAGÓN.
HIF1.
HIF1
Factor inducible por hipoxia.


Estabilizado en las
células cancerígenas.

Induce una
elevada transcripción de los genes que codifican PFKFB
, en un grado distinto dependiendo del tipo celular.

GLUCAGÓN
Inhibe la expresión de los tres enzimas glicolíticos
.

Estimula la expresión de dos enzimas gluconeogénicos, la
fosfoenolpiruvato carboxiquinasa y la fructosa-1,6-bisfosfatasa.

El promotor del gen de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa contiene secuencias reguladoras que responden a insulina, glucagón (a través de los elementos de respuesta al AMPc), glucocorticoides y hormona tiroidea.

INSULINA
Origina la expresión de un gen y la
inducción de la biosíntesis del complejo de ácido graso sintasa y acetil-CoA carboxilasa.

El
glucagón antagoniza
este efecto.

Estos mecanismos tardan varios días en manifestarse por completo.
Fundamentalmente en
hígado
.

GLUCAGÓN, EPINEFRINA Y NOREPINEFRINA
Hormonas hiperglucemiantes

Cuando se produce una disminución de la glucosa en la sangre -->
inhiben la glucólisis y estimulan la gluconeogénesis
en el
hígado.

Aumenta
la concentración de
AMPc
formado a partir de ATP mediante la

adenil ciclasa
-->
fosforilación y desactivación de la piruvato quinasa.

También
fosforila a PFK2
(en un residuo de serina),
desactivándola y
activando a FBP2asa --> baja el nivel de F2,6BP.

INSULINA
Cuando los niveles de glucemia son elevados.
Provoca una separación del grupo fosforilo de PFK2.
Activa PFK2 e inhibe FBP2asa.
El incremento de F2,6BP incrementa el ritmo de la glucólisis.

CONTROL DE FOSFOFRUCTOQUINASA -1 (PFK-1)
RODRÍGUEZ PÉREZ, SARAY.
RUTLLÁN FARÍAS, ALEJANDRO.
SANTANA GARCÍA, ALBA.
UROZ DE LA IGLESIA, MARTA LUNA.

1ºA GRADO EN MEDICINA.
UNIVERSIDAD LAS PALMAS DE GRAN CANARIA.
CURSO 2014-2015.
LOS ÁCIDOS GRASOS
Ácidos grasos poliinsaturados regulan la inhibición de la expresión de enzimas clave de la glucólisis y la lipogénesis (
PFK, piruvato quinasa y la enzima PFKFB).
Estos mecanismos tardan varios días en manifestarse por completo, e incrementando el efecto directo e inmediato de los AGL y de hormonas como insulina y glucagón.
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