Gluconeogénesis: qué es, características, etapas (reacciones), precursores y regulación
¿Qué es la gluconeogénesis?
La gluconeogénesis es un proceso metabólico que se presenta en casi todos los seres vivos, incluyendo plantas, animales y diversos tipos de microorganismos. Consiste en la síntesis o formación de glucosa a partir de compuestos que contienen carbono que no son carbohidratos, como los aminoácidos, glucogénicos, el glicerol y el lactato.
Se trata de una de las vías del metabolismo de los carbohidratos del tipo anabólico. Sintetiza o forma moléculas de glucosa presentes principalmente en el hígado y, en menor proporción, en la corteza de los riñones de los seres humanos y animales.
Este proceso anabólico se produce siguiendo el sentido inverso de la vía catabólica de la glucosa, teniendo enzimas específicas diferentes en los puntos irreversibles de la glucólisis.
La gluconeogénesis es importante para aumentar los niveles de glucosa en la sangre y en tejidos en casos de hipoglicemia. Asimism,o amortigua el descenso de la concentración de los carbohidratos en los ayunos prolongados o en otras situaciones adversas.
Características de la gluconeogénesis
Es un proceso anabólico
La gluconeogénesis es uno de los procesos anabólicos del metabolismo de los carbohidratos. Mediante su mecanismo se sintetiza la glucosa a partir de precursores o sustratos, formados por moléculas pequeñas.
Se puede generar glucosa a partir de biomoléculas simples de naturaleza proteica, como los aminoácidos glucogénicos y el glicerol, proviniendo el segundo de la lipólisis de los triglicéridos en el tejido adiposo.
También el lactato funciona como sustrato, y en menor proporción, los ácidos grasos de cadena impar.
Provee suministros de glucosa
La gluconeogénesis tiene gran importancia para los seres vivos, en especial para el cuerpo humano. Esto se debe a que sirve para proveer en casos especiales la gran demanda de glucosa que el cerebro requiere (120 gramos por día, aproximadamente).
¿Qué partes del organismo demandan glucosa? El sistema nervioso, la médula renal, entre otros tejidos y células, como los glóbulos rojos, los cuales utilizan la glucosa como única o principal fuente de energía y de carbono.
Las reservas de glucosa, como el glucógeno, almacenadas en el hígado y los músculos apenas alcanzan para un día. Esto sin considerar dietas ni ejercicios intensos. Por esta razón, a través de la gluconeogénesis, el organismo se abastece de glucosa formada a partir de otros precursores o sustratos no carbohidratos.
Asimismo, esta ruta interviene en la homeostasis de la glucosa. La glucosa formada por esta vía, además de ser fuente de energía, es el sustrato de otras reacciones anabólicas.
Un ejemplo de esto es el caso de la biosíntesis de biomoléculas. Entre ellos los glucoconjugados, los glucolípidos, las glucoproteínas y los aminoazúcares y otros heteropolisacáridos.
Etapas (reacciones) de la gluconeogénesis
Ruta sintética
La gluconeogénesis se lleva a cabo en el citosol o citoplasma de las células, principalmente del hígado y en menor medida en el citoplasma de las células de la corteza renal.
Su ruta sintética constituye gran parte de las reacciones de la glucólisis (ruta catabólica de la glucosa), pero en sentido contrario.
Sin embargo, es importante resaltar que las 3 reacciones de la glucólisis que termodinámicamente son irreversibles, serán en la gluconeogénesis catalizadas por enzimas específicas diferentes a las que intervienen en la glucólisis, lo que hace posible que se den las reacciones en sentido inverso.
Son específicamente aquellas reacciones glucolíticas catalizadas por las enzimas hexoquinasa o glucoquinasa, fosfofructoquinasa y piruvato quinasa.
Revisando los pasos cruciales de la gluconeogénesis catalizados por las enzimas específicas, se tiene que la conversión del piruvato en fosfoenolpiruvato requiere una serie de reacciones.
La primera sucede en la matriz mitocondrial con la conversión del piruvato en oxaloacetato, catalizada por la piruvato carboxilasa.
A su vez, para que el oxaloacetato pueda participar, debe convertirse a malato por la malato deshidrogenasa mitocondrial. Esta enzima se transporta por la mitocondria hacia el citosol, donde se transforma nuevamente a oxaloacetato por la malato deshidrogenasa que se encuentra en el citoplasma celular.
Acción de la enzima fosfoenolpiruvato carboxiquinasa
Mediante la acción de la enzima fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK) el oxaloacetato es convertido a fosfoenolpiruvato. Las respectivas reacciones se resumen a continuación:
Piruvato + CO2 + H2O + ATP => Oxaloacetato + ADP + Pi + 2H+
Oxaloacetato + GTP => Fosfoenolpiruvato + CO2 + GDP
Todos estos eventos hacen posible la transformación del piruvato a fosfoenolpiruvato sin la intervención de la piruvato quinasa, que es especifica para la vía glucolítica.
Sin embargo, el fosfoenolpiruvato se transforma en fructosa-1,6-bisfosfato por la acción de las enzimas glucolíticas que catalizan estas reacciones de forma reversible.
Acción de la enzima fructosa-1,6-bisfosfatasa
La siguiente reacción que suple la acción de la fosfofructoquinasa en la vía glucolítica, es la que transforma la fructosa-1,6-bisfosfato en fructosa-6-fosfato. La enzima fructosa-1,6-bisfosfatasa cataliza esta reacción en la ruta gluconeogénica, la cual es hidrolítica y se resume a continuación:
Fructosa-1,6-bisfosfato + H2O => Fructosa-6-fosfato + Pi
Este es uno de los puntos de regulación de la gluconeogénesis, ya que esta enzima requiere de Mg2+ para su actividad. La fructosa-6-fosfato sufre una reacción de isomerización catalizada por la enzima fosfoglucoisomerasa que la transforma en glucosa-6-fosfato.
Acción de la enzima de glucosa-6-fosfatasa
Para finalizar, la tercera de estas reacciones es la conversión de la glucosa-6-fosfato en glucosa.
Esta procede mediante la acción de la glucosa-6-fosfatasa que cataliza una reacción de hidrólisis y que sustituye la acción irreversible de la hexoquinasa o glucoquinasa en la vía glucolítica.
Glucosa-6-fosfato + H2O => Glucosa + Pi
Esta enzima glucosa-6-fosfatasa se encuentra unida al retículo endoplasmático de las células del hígado. También necesita del cofactor Mg2+ para ejercer su función catalítica.
Su ubicación garantiza la función del hígado como sintetizador de glucosa para suplir las necesidades de otros órganos.
Precursores gluconeogénicos
Cuando en el organismo no existe suficiente oxígeno, como puede suceder en los músculos y eritrocitos en el caso de un ejercicio prolongado, se produce la fermentación de la glucosa; es decir, la glucosa no se oxida completamente en condiciones anaeróbicas y por lo tanto, se produce el lactato.
Este mismo producto puede pasar a la sangre y de allí llegar al hígado. Allí actuará como sustrato gluconeogénico, ya que al entrar al ciclo de Cori el lactato se convertirá en piruvato. Esta transformación se debe a la acción de la enzima lactato deshidrogenasa.
Lactato
El lactato es un importante sustrato gluconeogénico del cuerpo humano y una vez que las reservas de glucógeno se agotan, la conversión del lactato en glucosa ayuda a reabastecer el almacén de glucógeno en los músculos e hígado.
Piruvato
Por otra parte, mediante reacciones que conforman el denominado ciclo glucosa-alanina, se produce la transaminación del piruvato.
Este se encuentra en tejidos extra hepáticos, efectuándose la transformación del piruvato en alanina, la cual constituye otro de los importantes sustratos gluconeogénicos.
En condiciones extremas de ayuno prolongado u otras alteraciones metabólicas, el catabolismo de las proteínas será, como última opción, una fuente de aminoácidos glucogénicos. Estas formarán intermediarios del ciclo de Krebs y generarán oxaloacetato.
Glicerol y otros
El glicerol es el único sustrato gluconeogénico de importancia originado del metabolismo lipídico.
Se libera durante la hidrólisis de los triacilglicéridos, los cuales están almacenados en el tejido adiposo. Estos se transforman mediante reacciones consecutivas de fosforilación y deshidrogenación a dihidroxiacetona fosfato, los cuales siguen la ruta gluconeogénica para formar glucosa.
Por otro lado, pocos ácidos grasos de cadena impar son gluconeogénicos.
Regulación de la gluconeogénesis
Uno de los primeros controles de la gluconeogénesis se realiza por una ingesta de alimentos con bajo contenido de carbohidratos, los cuales propician unos niveles normales de glucosa en la sangre.
Por el contrario, si la ingesta de carbohidratos es baja, la ruta de la gluconeogénesis será importante para satisfacer los requerimientos de glucosa del organismo.
Existen otros factores que intervienen en la regulación recíproca entre la glucólisis y la gluconeogénesis: los niveles de ATP. Cuando se encuentran altos se inhibe la glucólisis, mientras que la gluconeogénesis se activa.
Sucede lo contrario con los niveles de AMP: si son altos se activa la glucólisis, pero se inhibe la gluconeogénesis.
En las reacciones catalizadas por enzimas específicas en la gluconeogénesis existen ciertos puntos de control. ¿Cuáles? La concentración de los sustratos y cofactores enzimáticos como el Mg2+, y la existencia de activadores como el caso de la fosfofructoquinasa.
La fosfofructoquinasa se activa por el AMP y la influencia de las hormonas pancreáticas insulina, glucagón e incluso algunos glucocorticoides.
Referencias
- Mathews, Holde y Ahern. (2002). Bioquímica (3a. ed.). Madrid: PEARSON
- Wikibooks (2018). Principles of Biochemistry/ Gluconeogenesis y Glycogenesis. Tomado de: en.wikibooks.org
- Shashikant Ray. (2017). Gluconeogenesis Regulation, Measurements, and Disorders. Tomado de: researchgate.net
- Gluconeogenesis [PDF]. Tomado de: imed.stanford.edu
- Lecture 3-Glycolysis and Gluconeogenesis [PDF]. Tomado de: chem.uwec.edu
- Gluconeogenesis [PDF]. Tomado de: chemistry.creighton.edu