Metabolismo de los Hidratos de Carbono

Metabolismo de los Hidratos de Carbono

La mayor parte de los carbohidratos ingeridos son convertidos en grasa, consecuentemente metabolizados como tal

Los carbohidratos son utilizados por la clula principalmente en forma de glucosa

Los tres monosacridos principales que resultan de los procesos digestivos son Glucosa, Fructosa y Galactosa

Tanto la fructosa como la galactosa son convertidos fcilmente en glucosa en el hgado Metabolismo de los Hidratos de Carbono

Las pentosas como la xilosa, arabinosa y ribosa, pueden estar presentes en la dietaLa D-ribosa y la D2-desoxiribosa son sintetizadas en el organismo para ser incorporadas en los nucletidosMetabolismo intermediario de los carbohidratosGluclisis: la oxidacin de la glucosa o del glucgeno en piruvato y lactato por la va de Embden-MeyerhofGlucognesis: la sntesis del glucgeno a partir de la glucosaGlucogenlisis: la degradacin del glucgeno: la glucosa es el principal producto final en el hgado y el piruvato y lactato es el principal producto en el msculoMetabolismo intermediario de los carbohidratosEl ciclo del cido ctrico (ciclo de Krebs o ciclo de los cidos tricarboxlicos): la va comn final de la oxidacin de carbohidratos, grasas y protenas, por medio de la cual la acetil CoA es completamente oxidada hasta bixido de carbono y aguaMetabolismo intermediario de los carbohidratosLa derivacin de la hexosamonofosfato (HMP, va oxidativa directa, va oxidativa del fosfogluconato, ciclo de la pentosafosfato): una va alternativa de la de Embden-Meyerhof y la del ciclo del cido ctrico para la oxidacin de la glucosa en bixido de carbono y aguaMetabolismo intermediario de los carbohidratosGluconeognesis: la formacin de glucosa o glucgeno a partir de fuentes que no son carbohidratos. Las vas comprometidas en la gluconeognesis son principalmente las del cido ctrico y la gluclisis. Los sustratos principales para la gluconeognesis son los aminocidos glucognicos, el lactato y el glicerolGluclisisEl proceso ocurre en todos los tejidosCuando un msculo se contrae en medio anaerobio, el glucgeno desaparece y el piruvato y el lactato aparecen como los productos finales principalesCuando se introduce Oxgeno, la recuperacin aerobia tiene lugar y el glucgeno reapareceGluclisisComo la contraccin se realiza en condiciones aerobias, el lactato no se acumula y el piruvato es oxidad a CO2 y AguaLas reacciones de gluclisis son las mismas en medio anaerobio o aerobio, excepto por el grado y los productos finalesGluclisisCuando existe poco O2 la reoxidacin del NADH formado durante la gluclisis es alterada.En estas circunstancias el NADH es reoxidado al acoplarse a la reduccin del piruvato en lactato y el NAD as formado se utiliza para permitir que prosiga el proceso de la gluclisis.Gluclisis

GluclisisLa clula ha diseado para la glucosa, los cidos grasos y los aminocidos un proceso metablico nico (metabolismo de carbohidratos, de lpidos y de protenas, respectivamente), acompaado cada uno de ellos de un estricto mecanismo de regulacin (control metablico).

GluclisisLas vas enzimticas relacionadas con el metabolismo de la glucosa son:

(1) oxidacin de la glucosa, (2) formacin de lactato (3) metabolismo del glucgeno, (4) gluconeognesis y (5) va de las pentosas fosfato.

OXIDACIN DE LA GLUCOSA

La oxidacin de la glucosa involucra un conjunto de reacciones enzimticos, ligadas una de la otra y vigiladas por un estricto control metablico, todo con el nico fin, de hacer disponible para clula, la energa qumica contenida en la glucosa. La reaccin global es:

Glucosa CO2 + H2O + ATP

OXIDACIN DE LA GLUCOSA

La formacin de CO2 + H2O + ATP a partir de la glucosa, se lleva a cabo, porque existe una disponibilidad de O2 y que aunado a la necesidad de energa, se inducen los procesos enzimticos claramente definidos por sustratos y productos, ellos son:

(1) gluclisis, (2) transformacin del piruvato en acetil CoA, (3) ciclo de Krebs y (4) fosforilacin oxidativa.

GluclisisLa gluclisis se realiza en el citosol y comprende la conversin de glucosa en piruvato, cuya reaccin global es: Glucosa + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+

2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 + + 2 H2O

GluclisisEn este proceso participan 10 enzimas diferentes que catalizan diez reacciones secunciales, las cuales podramos dividir en tres etapas:

a) formacin de fructosa 1,6bisfosfato a partir de glucosa,

b) formacin de triosas fosfato (gliceraldehido 3-fosfato y dihdrixiacetona fosfato) a partir de fructosa 1,6-bisfosfato

c) formacin de piruvato a partir de gliceraldheido 3-fosfato.

GluclisisEn la primer etapa se consumen dos ATPs, uno con la enzima hexoquinasa y despus de una reaccin de isomerizacin, se emplea el segundo ATP, con la enzima fosfofructoquinasa, reacciones que dan origen a la fructosa 1,6-bisfosfato, con la que se inicia la segunda etapa, al convertirse la fructosa 1,6-bisfosfato en sustrato de la enzima aldolasa y cuyos productos son las dos triosas fosfato (gliceraldehido 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato)Gluclisisseguidamente se inicia la tercer etapa, la que se caracteriza por la isomerizacin de la dihidroxiacetona fosfato el gliceraldehido 3-fosfato por lo que al finalizar esta etapa, contamos con dos molculas de gliceraldehido 3-fosfato, mismas que servirn de sustrato para la formacin de piruvato, uno por cada una de ellas.GluclisisCon la sntesis de piruvato, termina la tercer etapa, la que se distingue inicialmente, por el requerimiento de la coenzima NAD + y de un Pi (ortofosfato), para oxidar y fosforilar al gliceraldehido 3-fosfato el cual se transforma en 1,3bisfosfoglicerato mas NADH (coenzima reducida), a partir de este producto recin formado y por accin de la enzima fosfoglicerato quinasa se sintetiza y se libera, la primer molcula de ATP y mas adelante, en la reaccin catalizada por la piruvato quinasa, se forma a nivel de sustrato, la segunda molcula de ATP.GluclisisEs en este punto, donde finaliza la gluclisis, sin embargo, son los 2 ATPs liberados y los 2 equivalentes reducidos (NADH +) los que no debemos olvidar. GluclisisCon la importacin del piruvato hacia la mitocondria y su transformacin en acetil-CoA se inicia la siguiente etapa de la oxidacin de la glucosa. Las mitocondrias albergan la enzima piruvato deshidrogenasa, las enzimas del ciclo de Krebs, las enzimas que catalizan la oxidacin de los cidos grasos y las enzimas y protenas involucradas en el transporte de electrones y sntesis de ATP, por lo que las hace ser, los centros del metabolismo oxidativo en eucariontesTransformacin del piruvato en acetil CoAUna vez formado el piruvato, este se transloca hacia el interior de la mitocondria, en donde ser transformado por accin del complejo enzimtico piruvato deshidrogenasa ( piruvato dehisrogenasa, dihidrolipoil deshidrogenasa y dihidrolipoil transacetilasa) en Acetil CoA, va un reaccin de tipo descarboxilacin oxidativa.

Piruvato + CoA + NAD+ acetil-CoA + CO2 + NADH

Transformacin del piruvato en acetil CoALas coenzimas y grupos protticos requeridos en esta reaccin son pirofosfato de tiamina (TPP), dinucletido de flavina y adenina (FAD), dinculetido de niacina y adenina (NAD+) y lipoamida (cido lipico). La descarboxilacin oxidativa del piruvato, dirige a los tomos de carbono de la glucosa a su liberacin como CO2 en el ciclo de Krebs (ciclo del cido ctrico) y por consiguiente, la produccin de energa.

El ciclo de Krebs.Este proceso, se inicia con la condensacin irreversible de las molculas de Acetil-CoA y oxaloacetato, esta reaccin es catalizada por la enzima citrato sintasa y su producto es el citratoEl ciclo de KrebsA partir de citrato, se despliega una serie de reacciones irreversibles, que culminan con la generacin de otra molcula de oxaloacetato, pasando por la formacin de .-cetoglutarato y su tranformacin en succinil CoA + NADH + CO2, reaccin catalizada por un complejo enzimtico denominado complejo del .-cetoglutarato deshidrogenasa que requiere como coenzimas y grupos prostticos a TPP, FAD, NAD+ y lipoamida, igual a los requeridos por el complejo de la piruvato deshidrogenasa. Otros intermediarios son: la formacin de succinato y liberacin de un GTP a partir de succinil CoA y por consiguiente la sntesis de fumarato a partir de succinato, reaccin el la cual se libera un FADH2, existe tambin en el ciclo de Krebs un sitio mas de descarboxilacin oxidativa, en donde se forma NADH + CO2 y otro donde nicamente se libera NADHEl ciclo de KrebsLa estiquiometra del ciclo de Krebs es:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O

2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 2H+ + CoA

El ciclo de KrebsEl ciclo de Krebs es la va comn para la oxidacin aerbica de los sustratos energticos, condicin que convierte a este proceso enzimtico en la va degradativa ms importante para la generacin de ATPEl ciclo de KrebsLos 3NADH y el FADH2 liberados en el ciclo de Krebs, son reoxidados por el sistema enzimtico transportador de electrones (Figura 1), estableciendo as un flujo de electrones, los cuales son dirigidos hacia el O2 como aceptor final, los productos de este proceso son una molcula de agua y una gran cantidad de energa liberada, energa que es utilizada para sintetizar ATP. Al acoplamiento entre la oxidacin de los equivalentes reductores (NADH, FADH2) y la sntesis de ATP (ATP sintetasa) se les conoce como fosforilacin oxidativa.

Cadena transportadora de electronesLa cadena transportadora de electrones es una serie de cuatro complejos (I, II, III, IV) a travs de los cuales pasan los electrones. Los electrones son llevados del Complejo I y II al Complejo III por la coenzima Q (CoQ o ubiquinona) y del Complejo III al Complejo IV por la protena citocromo cCadena transportadora de electronesLos electrones del NADH mitocondrial son transferidos al FMN uno de los grupos prostticos de la NADH-Q oxidorreductasa (Complejo I), posteriormente los electrones se transfieren a un segundo tipo de grupo prosttico el de las protenas hierro-azufre y de aqu pasarn a la coenzima Q (QH2 o ubiquinol), quien tambin recibe electrones de la succinato-Q reductasa (Coplejo II) a este complejo pertenece la enzima del ciclo de Krebs succinato deshidrogenasa la que genera FADH2, quien cede sus electrones a protenas hierro-azufre y de aqu a la coenzima Q para formar QH2Cadena transportadora de electronesLa funcin del Complejo III identificado como Q-citocromo c oxidorreductasa es catalizar la transferencia de electrones desde QH2 al citocromo c oxidado (cyt c). La etapa final de la cadena transportadora de electrones consiste en la oxidacin del cyt c reducido generado por el Complejo III y la consiguiente reduccin del O2 a dos molculas de H2O. Esta reaccin es catalizada por la citocromo c oxidasa (Complejo IV)Cadena transportadora de electronesDurante el flujo de electrones por la cadena respiratoria se realiza una transferencia de protones (H+) va los Complejos I, III y IV que va desde la matriz de la mitocondria hacia la zona localizada entre la mambrana mitocondrial interna y externa (espacio intermembranal)Cadena transportadora de electronesLa coincidencia de un flujo de electrones y de protones a travs de una membrana lipdica ocasiona la generacin de un gradiente de pH y un potencial de membrana, ambas condiciones constituyen una fuerza protn-motriz que se utiliza para dirigir la sntesis de ATP va la enzima ATP sintasa

ADP3 + HPO42 + H+ ATP4 + H2O

Cadena transportadora de electronesUn flujo de H+ a travs de la ATP sintasa ocasiona la liberacin del ATP hacia la matriz mitocondrial. La fuente inmediata de estos protones es el espacio intermembranal, en donde se localizan los protones que fueron translocados a travs de los Complejos I, III y IV de la cadena transportadora de electronesCadena transportadora de electronesHasta ahora se ha considerado la oxidacin del NADH y FADH2 formados en la mitocondria (transformacin del piruvato en acetil CoA y ciclo de Krebs), sin embargo, NADH citoslico liberado durante la reaccin catalizada por la gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa debe ser reoxidado para que contine la gluclisis, por lo que deber ser transferido a la mitocondria para su oxidacin a nivel de la cadena transportadora de electrones, pero debido a que este equivalente reductor no puede atravesar por s mismo la membrana mitocondrial, la clula contempl la reduccin de un sustrato por el NADH en el citoplasma, una vez reducido este sustrato, es transportado hacia la matriz mitocondrial por un acarreador especfico , ya dentro de la mitocondria, el sustrato reducido ser oxidado y devuelto al citoplasma para experimentar de nuevo el mismo cicloCadena transportadora de electronesA este sistema de transporte especfico, se le conoce con el nombre de lanzadera, para el NADH de citoplasma son dos las lanzaderas reportadas, uno es el de la dihidroxiacetona fosfato/glicerol-3-fosfato que genera dentro de la mitocondria FADH2 y que es especialmente activa en el cerebro, y el otro sistema de transporte es el de la lanzadera malato/aspartato principalmente activa en hgado y corazn, y que produce NADH.

FORMACIN DE LACTATO.

Cuando la cantidad de oxgeno disponible para la clula es limitada, como ocurre en el msculo durante la actividad intensa, el NADH generado durante la gluclisis no puede reoxidarse a tasas comparables en las mitocondrias y con la finalidad de mantener la homeostasis, el piruvato es entonces reducido por el NADH para formar lactato, reaccin catalizada por la lactato deshidrogenasa esta desviacin metablica del piruvato mantiene a la gluclisis operativa bajo condiciones anaerbicasFORMACIN DE LACTATO.

La reaccin global de la conversin de glucosa a lactato es:

Glucosa + 2Pi + 2ADP 2 lactato + 2 ATP + 2 H2O

METABOLISMO DEL GLUCGENO GlucgenolisisEl glucgeno es un polisacrido donde se almacenan glucosas, es una estructura de un elevado peso molecular, altamente ramificado. Los residuos de glucosa estn unidos mediante enlaces glucosdicos

METABOLISMO DEL GLUCGENO Glucgenolisis

Los residuos de la glucosa estn unidos mediante enlaces glucosdicos a(1-4) y a(1-6)

Los principales depsitos de glucgeno en los vertebrados se encuentran en el msculo esqueltico y en el hgado.

METABOLISMO DEL GLUCGENO Glucgenolisis

La degradacin de estas reservas de glucosa o movilizacin del glucgeno tiene como finalidad suministrar glucosa 6-fosfato, la enzima clave en la ruptura del glucgeno es la glucgeno fosforilasa que divide mediante la adicin de ortofosfato (Pi) los enlaces de tipo a(1-4) para producir glucosa 1-fosfato. La ruptura de un enlace por la adicin de un ortofosfato se conoce como fosforolisis:

Glucgeno + Pi glucosa 1-fosfato + glucogeno (n residuos) (n -1 residuos)

METABOLISMO DEL GLUCGENO Glucgenolisis

La glucosa 1-fosfato producida por la fosforilasa, debe convertirse a glucosa 6-fosfato para metabolizarse mediante la gluclisis, esta reaccin es catabolizada por la enzima fosfoglucomutasa. El hgado libera glucosa a la sangre durante la actividad muscular y los intervalos entre comidas para que puedan consumirla principalmente el cerebro y msculo esqueltico

METABOLISMO DEL GLUCGENO Glucgenolisis

Sin embargo, la glucosa fosforilada, producida por la degradacin del glucgeno no se transporta con facilidad fuera de las clulas, para esto, el hgado contiene una enzima hidroltica, la glucosa 6-fosfatasa, que escinde el grupo fosforilo y produce glucosa libre y ortofosfato.

METABOLISMO DEL GLUCGENO Glucgenolisis

La degradacin del glucgeno esta regulada por las hormonas adrenalina (msculo) y glucagn (hgado).

METABOLISMO DEL GLUCGENO Sntesis de GlucgenoLa sntesis de glucgeno la realiza la clula de una manera totalmente diferente al mecanismo de su degradacin:

Sntesis: Glucgeno + UDP-glucosa glucgeno n +1 + UDP (Uridin difosfato)

Degradacin: Glucgeno n+1 + Pi glucgeno n + glucosa 1-fosfato

METABOLISMO DEL GLUCGENO Sntesis del GlucgenoLa UDP-glucosa es una forma activada de la glucosa y se sintetiza a partir de glucosa 1fosfato y UTP en una reaccin caltalizada por la UDP-glucosa pirofosforilasa.

Para la sntesis de glucgeno es necesaria la presencia de un oligosacrido de glucosas (este oligosacrido se encuentra unido a una protena identificada como glucogenina) unidas por enlaces a(1-4) y la enzima glucgeno sintetasa que es la enzima reguladora del proceso

METABOLISMO DEL GLUCGENO Sntesis del Glucgeno

La enzima glucgeno sintetasa enlaza mediante la formacin de un enlace a(1-4) glucosdico a la glucosa del UDP-glucosa con una de las glucosas del oligosacrido, lo que desplaza al UDP. Repetidas participaciones de la glucgeno sintetasa hacen posible el crecimiento del glucgenoMETABOLISMO DEL GLUCGENO Sntesis del GlucgenoLa glucgeno sintetasa cataliza solamente la sntesis de enlaces a(1-4), por lo que es necesaria la participacin de otra enzima para formar enlaces a(1-6), que hagan del glucgeno un polmero ramificado. METABOLISMO DEL GLUCGENO Sntesis del GlucgenoLa ramificacin tiene lugar despus de que un cierto nmero de residuos de glucosa se hayan unido mediante enlaces a(1-4) por la glucogeno sintetasa. METABOLISMO DEL GLUCGENO Sntesis del GlucgenoLa enzima ramificante o mejor dicho, la amilo-(1,4 1,6)-transglucosilasa, transfiere un fragmento terminal de 6 7 residuos de longitud, desde un extremo de al menos 11 residuos de longitud a un grupo hidroxilo situado en posicin 6 de un residuo de glucosa del interior del polmero, esta reaccin crea dos extremos para que contine la accin de la glucgeno sintetasa

METABOLISMO DEL GLUCGENO Sntesis del GlucgenoLas ramificaciones son importantes porque aumentan la solubilidad del glucgeno y el nmero de extremos a partir de los que se puede obtener glucosa 1-fosfato.

La hormona encargada de regular la sntesis de glucgeno es la insulina

GLUCONEOGNESISLa mayora de los rganos animales pueden metabolizar diversas fuentes de carbono para generar energa. Sin embargo el cerebro y sistema nervioso central, as como la mdula renal, los testculos y los eritrocitos, necesitan glucosa como nica o principal fuente de energaGLUCONEOGNESISPor consiguiente, las clulas animales deben ser capaces de sintetizar glucosa a partir de otros precursores y tambin de mantener las concentraciones sanguneas de glucosa dentro de los lmites estrechos, tanto para el funcionamiento adecuado de estos tejidos como para proporcionar los precursores para la sntesis de glucgeno. GLUCONEOGNESISCuando las reservas de glucosa sufren una rpida disminucin se inicia la sntesis de glucosa a partir de precursores no carbohidratados (sustratos gluconeognicos), proceso conocido como gluconeognesis

GLUCONEOGNESISLos sustratos gluconeognicos son: lactato, aminocidos, glicerol, propionato.La gluconeognesis tiene lugar principalmente en el citosol, aunque algunos precursores se generen en las mitocondrias y deben ser transportados al citosol para utilizarse. GLUCONEOGNESISEl principal rgano gluconeognico es el hgado, con una contribucin menor, aunque an significativa, de la corteza renal.

Los principales destinos de la glucosa formada en la gluconeognesis son el tejido nervioso y el msculo esqueltico

GLUCONEOGNESISEn la gluclisis la glucosa se convierte a piruvato y en la gluconeognesis el piruvato se convierte a glucosa. Sin embargo, la gluconeognesis no es el proceso inverso de la gluclisisGLUCONEOGNESISEn la gluclisis las reacciones irreversibles estn catalizadas por la hexoquinasa, fosfofructoquinasa y la piruvato quinasa

GLUCONEOGNESISEn la gluconeognesis las enzimas son:Piruvato carboxilasa y fosfoenolpiruvato carboxiquinasa:

Piruvato + CO2 + ATP + H2O oxaloacetato + ADP + Pi + 2 H+

Oxaloacetato + GTP fosfoenolpiruvato + GDP + CO2

Fructosa 1,6-bisfosfatasa:

Fructosa 1.6-bisfosfato fructosa 6-fosfato Glucosa 6-fosfatasa:

Glucosa 6-fosfato glucosa + Pi

GLUCONEOGNESISLa estequiometra de la gluconeognesis es:

2 Piruvatos + 4 ATPA + 2 NADH + 6 H2O glucosa + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi +2 NADH + 2 H+

GLUCONEOGNESISComo se puede observar, el costo energtico para la gluconeognesis es mayor que el de la gluclisis. El lactato se incorpora a la gluconeognesis va su conversin a piruvato y el glicerol entra a nivel de las triosas fosfatoVIA DE LAS PENTOSAS FOSFATO

Este proceso enzimtico est diseado para satisfacer las necesidades celulares de NADPH, el cual es empleado en la sntesis reductora de cidos grasos, colesterol, nucletidos y glutatin, entre otras molculasVIA DE LAS PENTOSAS FOSFATO

La va de las pentosas fosfato se inicia con la oxidacin de tres molculas de glucosa 6-fosfato y por lo tanto, tres de 6fosfogluconato por las enzimas glucosa 6-fosfato deshidorgenasa y 6-fosfogluconato deshidrogenasa respectivamente, para generar el nmero correspondiente de NADPH y ribosa 5-fosfato.VIA DE LAS PENTOSAS FOSFATO

La ribosa 5-fosfato, es utilizada por la clula para la sntesis de RNA, DNA, ATP, NADH, FAD y coenzima AVIA DE LAS PENTOSAS FOSFATO

Con la finalidad de convertir el exceso de monosacrido de cinco tomos de carbono fosforilados producidos en este proceso y los que provienen de la digestin de los cidos nucleicos, se cataliza en la misma va la interconversin de monosacridos de tres, cuatro, cinco, seis y siete carbonos en intermediarios de la gluclisis, lo que en su momento podra generar energaVIA DE LAS PENTOSAS FOSFATO

En cuanto al control metablico se refiere, esta va depende de los niveles de NADP+ .

Por otro lado, la distribucin de las molculas de glucosa 6-fosfato hacia la va de las pentosas, est en funcin de las necesidades de NADPH, ribosa 5-fosfato y ATP.

VaReaccin catalizada porMtodo de produccin de -PNo de P formados por mola de glucosaGluclisisGliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasaOxidacin de 2NADH en la cadena respiratoria6FosfoglicerocinasaOxidacin al nivel del sustrato2PiruvicocinasaOxidacin al nivel del sustrato2Total 10Permite el consumo de ATP por reacciones catalizadas por la Hexocinasa y la Fructocinasa-2Neto 8Ciclo del cido ctricoDeshidrogenasa pirvicaOxidacin de 2 NADH en la cadena respiratoria6Deshidrogenasa isoctricaOxidacin de 2NADH en la cadena respiratoria6Deshidrogenasa a-cetoglutricaOxidacin de 2NADH en la cadena respiratoria6Tiocinasa succnicaOxidacin al nivel del substrato2Deshidrogenasa succnicaOxidacin de 2 FADH2 en la cadena respiratoria4Deshidrogenasa MlicaOxidacin de 2 FADH2 en la cadena respiratoria6Neto 30Total molcula de glucosa en condiciones aerbicas 38Total por molcula de glucosa en condiciones anaerobias2Generacin de enlaces macrorgicos en el metabolismo de la glucosaMola de Glucosa quemada: 686.000 caloras liberadas como calorOxidacin en los tejidos: algo de esta energa no se pierde inmediatamente como calor sino que es capturada en enlaces fosfatoPor lo menos 38 enlaces son generados por mola de glucosa oxidada hasta CO2 y H2OCada enlace es equivalente a 7.600 caloras, la energa total capturada en el ATP por mola de glucosa oxidada es de 288.800 caloras (42% de la combustin.