metabolismo de glucidos

UNLaM-Kinesiología-Bioquímica-Metabolismo de HC

Metabolismo de glúcidos

1ª parte


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Metabolismo: El metabolismo es el proceso global a través del cual los sistemas vivos adquieren y

utilizan energía libre para realizar sus diferentes funciones. Para ello se acoplan las reacciones exergónicas (de oxidación de los nutrientes) con reacciones endergónicas (las cuales, sin estar acopladas a reacciones exergónicas, no podrían ocurrir).

Las vías metabólicas son una sucesión de reacciones enzimáticas que conducen de un sustrato inicial a uno o varios productos finales, a través de una serie de intermediarios. Denominaremos metabolito a los sustratos, productos e intermediarios de las reacciones metabólicas. Ya que el organismo utiliza muchos metabolitos, posee muchas vías metabólicas, las cuales, en general, se encuentra interconectadas. Todas las vías metabólicas se encuentran eficazmente reguladas, por diferentes metabolitos, hormonas, etc. de acuerdo a las necesidades de la célula y/o del organismo en general.

Podemos dividir las vías metabólicas en 2 categorías (Figura 1):

• Catabólicas: Son los procesos exergónicos de degradación de los nutrientes y constituyentes celulares para liberar sus componentes o generar energía. Son rutas oxidativas que poseen poder reductor (se reducen coenzimas, por ejemplo NAD+ a NADH+H+). Por ejemplo la glucolisis.

• Anabólicas: son los procesos endergónicos de biosíntesis de las biomoléculas a partir de constituyentes más simples. Son rutas reductivas, que consumen energía y poseen poder oxidativo (se oxidan coenzimas durante las mismas). Por ejemplo gluconeogénesis

• Anfibólicas: Son rutas mixtas, catabólicas y anabólicas, que genera energía y poder reductor, y precursores para la biosíntesis de la cual se forman sustancias oxidativas. Por ejemplo el ciclo de Krebs.

Figura 1: Categorización de vías metabólicas y su relación.

ATP NADH

NADPH FADH2

ADP+HPO42-

NAD

+

NADP+

FAD

Nutrientes ricos

en energía

• Carbohidratos

• Grasas

• Proteínas

Macromoléculas

Celulares

• Proteínas

• Polisacáridos

• Lípidos

• Ácidos Nucleicos

Productos finales

pobres en energía

CO2, H2O, NH3

Precursores

Moleculares

• Aminoácidos

• Azúcares

• Ácidos Grasos

• Bases nitrogenadas

Catabolismo

Anabolismo

Energía

Química


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Metabolismo de Hidratos de Carbono

Puesto que los carbohidratos son los elementos más abundantes de la dieta, es fácil de entender que los caminos metabólicos en que interviene estos compuestos son los de mayor tránsito en la célula en general. Aunque los carbohidratos constituyen moléculas importantes en numerosas funciones, puede considerarse que su función primordial es la energética. Desde una visión global, es la energía solar convertida en energía química, en los enlaces de los hidratos de carbono, que luego será convertida en enlaces en moléculas de ATP. Finalmente esta energía se convertirá en trabajo para el movimiento de los organismos, así como para la síntesis de biomoléculas más complejas a partir de precursores más simples.

Las fuentes de carbohidratos son diversas pero en su mayoría son de origen vegetal. La forma de mayor abundancia son los almidones. También podemos encontrar algunos disacáridos en el azúcar de caña (sacarosa) y la leche (galactosa); y en las frutas encontramos monosacáridos como fructosa y glucosa. Puesto que los polisacáridos más abundantes de la dieta, los almidones, al igual que el principal polisacárido de reserva en animales, el glucógeno, están formados de monómeros de glucosa, el metabolismo de los carbohidratos se reduce a entender el metabolismo de este azúcar.

Digestión de los glúcidos

Desde el punto de vista de la digestión de los alimentos, el problema consiste en convertir las macromoléculas ingeridas en unidades menores que puedan ser absorbidas por el intestino.

En los animales superiores la digestión del almidón se inicia en la boca. La saliva contiene α-amilasa salival (o ptialina), enzima que actúa rompiendo enlaces α 1-4 a un pH óptimo de 6.9. Sin embargo su acción es de corta duración, ya que el bolo alimenticio permanece cortos periodos de tiempo en la boca y al ser deglutido pasa al estómago, cuyo pH es de 2, inactivando la actividad enzimática. (Figura 2)

La mayor parte de la digestión de los hidratos de carbono ocurre tras el vaciamiento del estómago, en el intestino delgado. A nivel luminal, se secreta la α-amilasa pancreática, enzima que tiene el mismo mecanismo que la amilasa salival y un pH óptimo de 8. Como resultado de la acción de esta enzima, el almidón se descompone en maltosa, maltotriosa y dextrinas limite.

En la mucosa intestinal, se secretan las últimas enzimas que hidrolizarán los oligosacáridos a sus monómeros componentes:

• La amilo α1→6 glucosidasa rompe los enlaces α 1→6 de las ramificaciones de la amilopectina y obtener así maltosa como producto final de la hidrólisis.

• La maltasa hidroliza a la maltosa para dar sus monómeros componentes, 2 glucosas.

• La sacarasa hidroliza a la sacarosa para dar sus monómeros componentes, glucosa y fructosa.

• La lactasa hidroliza a la lactosa para dar sus monómeros componentes, glucosa y galactosa.


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Al final del proceso digestivo tendremos una mezcla de monómeros: glucosa, galactosa y fructosa, con clara predominancia de glucosa.

Figura 2: Digestión de Hidratos de Carbono.

Absorción de los glúcidos

Los monosacáridos procedentes de la digestión de los carbohidratos son absorbidos en el intestino delgado por transportadores específicos ubicados en la membrana de los enterocitos. El ingreso de glucosa y galactosa al enterocito ocurre a favor del gradiente por transporte facilitado con co-transporte (simporte) con Na+. Cabe destacar que una vez ingresado el azúcar a la célula del enterocito, el Na+ se elimina a través de la bomba Na+/K+, mientras que la glucosa difunde a través de la célula y es volcada al torrente sanguíneo a través de proteínas de membrana denominadas GLUT (Glucose Transporters) (Figura 3). Se conocen 13 miembros de esta familia (algunas se detalla en la tabla 1). Las distintas isoformas de GLUT difieren en su localización tisular, sus características cinéticas y su dependencia o no de insulina. La absorción de Glucosa se regula en base de la expresión y localización de los distintos GLUT en distintas células y en distintos estados metabólicos. Por ejemplo, el GLUT3, principal transportador de glucosa en el cerebro, posee una Km (1mM) por debajo de los niveles de glucemia normales (4-7mM). Es decir, transportan glucosa constantemente a las celulas neuronales. Por otro lado GLUT2, presente en las células pancreáticas y hepáticas, posee una Km alta (15-20mM) por lo que estas células absorberán la glucosa solo en estados de glucemia elevada. Por último GLUT4, transportador insulinodependiente, se encuentran en el musculo y en el tejido adiposo. Este transportador permitirá el ingreso de la glucosa a la célula cuando se libera insulina, es decir cuando los niveles de glucosa en sangre son altos.

La fructosa ingresa al enterocito a través de un transportador específico: GLUT5

α-amilasa salival

(Ptialina)

α-amilasa

pancreática

Amilo α1→6 glucosidasa,

maltasa, sacarasa, lactase

Hidratos de

carbono

Páncreas

Almidón Páncreas

Glándulas

salivales α-amilasa

Lactosa

Maltosa, maltotriosa,

dextrina límite

Glucosa

Microvellocidades

Maltasa

Isomaltasa

GLUTs

Sacarosa

Sacarosa

Lactasa

Glucosa

Glalactosa

Simporte de

Na+/glucosa

Sacarasa

Luz Intestinal

Fructosa

Vena Porta

Enterocitos


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Figura 3: Absorción de Glucosa y transportadores.

GLUT1 Se en cuentan en la membrana de la mayoría de las células.

GLUT2 Se en cuentan en la membrana de las células hepáticas y células β del páncreas. Solo están activos cuando la glucemia es alta, es decir, en período post- prandial. Poseen menor afinidad por la glucosa que los GLUT-1.

GLUT3 Se en cuentan en membrana de neuronas, placenta y testículos. Son de alta afinidad y bajo Km.

GLUT4

Se en cuentan en membrana de células musculares y adipocitos. Son insulino dependientes: en presencia de insulina aumentan en número y captan más glucosa.

GLUT5 Se en cuentan en intestino delgado. Transportan fructosa.

Tabla 1: Isoenzimas GLUT (Glucose transporters)

Glucolisis - Ruta de Embdem-Meyerhoff

La glucolisis es la vía metabólica central de degradación (oxidación) de la glucosa, con fines energéticos. Esta vía metabólica ocurre en todos los organismos, tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas y constituye la forma rápida de obtención de energía de la célula. La glucólisis se desarrolla íntegramente en el citoplasma y en ella una molécula de glucosa se convierte por medio de la fructosa-1,6-bisfosfato en piruvato, con la generación de 2 moléculas de ATP (a partir de ADP).

Esta ruta metabólica consta de 2 etapas: La etapa preparatoria, donde la glucosa se escinde en 2 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato (triosas) con consumo de 2 moléculas de ATP. La segunda etapa, es la de obtención de energía, en ella, cada molécula de gliceraldehído


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3-fosfato se oxida para dar piruvato, con la obtención de 2 moléculas de ATP y una de NADH+H+.

ETAPA I: Fase Preparatoria

Reacción 1: Fosforilación de la glucosa

El primer paso de la glucólisis es una reacción irreversible que consiste en obtener la forma activada de la glucosa, esto es la fosforilación de la glucosa por una quinasa a expensas de ATP para obtener glucosa 6-fosfato.

De esta forma, a demás de activarse la glucosa para los subsiguientes pasos de la glucólisis, se evita que esta salga de la célula. Recordar que el ingreso de la glucosa a la célula se da por difusión facilitada a través de las proteínas GLUT, y que este es un proceso a favor del gradiente de concentracion.

Existen en el organismo 2 isoenzimas que catalizan la fosforilación de la glucosa, la hexoquinasa presente en la mayoría de las células y la glucoquinasa en células del hígado y páncreas.

La hexoquinasa es capaz de fosforilar diversos azúcares, pero posee una gran afinidad por la glucosa (Km 100mM). Esta gran afinidad asegura que la glucosa pueda ser fosforilada en todas las células, aun cuando sus niveles extracelulares sean bajos.

Por otro lado la glucoquinasa es específica de la glucosa, pero posee una baja afinidad por esta (10mM). Las características de esta enzima, sumadas a las ya vistas para el GLUT2, hacen que el hígado y el páncreas solo retiren la glucosa del torrente sanguíneo sólo cuando sus valores son elevados.

Reacción 2: Isomerización de la glucosa 6-fosfato a fructosa 6-fosfato.

Esta reacción es catalizada por la fosfoglucosa isomerasa para convertir la glucosa 6-fosfato en fructosa 6-fosfato. Este paso es indispensable para que, en las posteriores


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reacciones, se genere un compuesto simétrico (fructosa 1,6-bisfosfato) capaz de fraccionarse en 2 moléculas de igual número de carbono, que puedan seguir una misma ruta metabólica.

Reacción 3: formación de la fructosa 1,6-bisfosfato

Consiste en una nueva fosforilación a expensas de ATP y Mg2+ para convertir la fructosa 1-fosfato en fructosa 1,6-bisfosfato. Esta reacción irreversible es catalizada por la Fosfoglucoquinasa I, otra quinasa de características análogas a la hexoquinasa. La regulación de la glucólisis ocurre principalmente mediante el control de la actividad de esta enzima.

Reacción 4: Ruptura de la fructosa 1,6-bisfosfato

Por acción de una aldolasa, la molécula de fructosa 1,6-bisfosfato se escinde en 2

triosas, gliceraldehído 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato.

Reacción 5: Interconversión de dihidroxiacetona fosfato a gliceraldehído 3-fosfato

En la última etapa de la fase preparatoria, por acción de una isomerasa, la dihidroxiacetona fosfato se isomeriza a gliceraldehído 3-fosfato. Así ambas triosas pueden seguir la vía glucolítica.

A partir de aquí los productos obtenidos hay que multiplicarlos por dos. Se obtienen dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato, cada uno de los cuales entrará en la fase dos. Por cada uno de ellos, se obtendrán los productos de la fase 2.

ETAPA II: Fase de obtención de energía.

Reacción 1: Oxidación de Gliceraldehído 3-fosfato.


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El gliceraldehido-3-fosfato se convierte en 1,3-bisfosfoglicerato por acción de la enzima gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, la cual requiere como cofactores NAD+ y fosfato inorgánico (Pi) proveniente del medio. En esta reacción el grupo aldehído se oxida, liberando una gran cantidad de energía que se emplea para la formación de un enlace con el fosfato inorgánico. El compuesto generado posee una alta energía de hidrolisis.

Reacción 2: Formación de la primera molécula de ATP

El 1,3-fosfoglicerato, compuesto de alta energía formado en la etapa anterior, cede su fosfato rico en energía al ADP, para dar ATP y 3-fosfoglicerato. Esta reacción de fosforilación es catalizada por la fosfoglicerato quinasa.

Reacción 3: Isomerización del 3-fosfatoglicerato a 2-fosfoglicerato.

Esta etapa es catalizada por una mutasa que, en una primer etapa fosforila al 3-fosfoglicerato en el C2, para dar un intermediario 2,3-bisfosfoglicerato, el cual en el paso siguiente cede a la enzima el fosfato del C3, generándose así el 2-fosfoglicerato.

Reacción 4: Formación de fosfoenolpiruvaro.


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El 2-fosfoglicerato se deshidrata por acción de una enolasa, originando fosfoenolpiruvato, un enol-fosfato de alta energía.

Reacción 5: Generación de la segunda molécula de ATP y de Piruvato.

La piruvato quinasa cataliza la transferencia del grupo fosfato de alta energía del fosfoenolpiruvato a una molécula de ADP, para dar ATP. El enol-piruvato generado es altamente inestable e inmediatamente se isomeriza a su forma cetónica. Esta reacción es irreversible y constituye el segundo punto más importante de regulación de la glucólisis.

Balance energético de la glucólisis:

Como resultado de la glucolisis obtenemos que a partir de una molécula de glucosa se consumen 2 moléculas de ATP, para la obtención de fructosa 1,6-bisfosfato, que a posteriori se escinde para dar 2 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato. A partir de cada una de las moléculas de gliceraldehído 3-fosfato se reduce una molécula de NAD+ a NADH+H+ (o sea dos en total, una por cada gliceraldehído 3-fosfato) y se fosforila, a partir de fosfato inorgánico. Se generan así compuestos de alta energía, que en etapas subsiguientes cederán sus grupos fosfato para producir dos moléculas de ATP por cada gliceraldehído 3-fosfato inicial (cuatro en total), y una molécula de piruvato (dos en total). Podemos entonces presentar el siguiente balance para la reacción global:

1 glucosa + 2 NAD+

+ 2 ADP + 2 Pi �� 2 piruvato + 2 NADH + 2 H+

+ 2 ATP + 2H2O

Destinos metabólicos del piruvato:

• BAJO CONDICIONES AERÓBICAS (presencia de O2): ocurre la respiración celular. El piruvato es aún una molécula con abundante energía, que puede producir una cantidad sustancial de ATP, para ello se produce su descarboxilación del piruvato y su combinación con la Coenzima A para dar Acetil-CoA (Figura 4).


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Figura 4: Formación de Acetil-CoA a partir de Piruvato.

Esta molécula se oxida completamente por medio del ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs a CO2, produciendo GTP, FADH2 y NADH + H+(Figura 5 - el ciclo de Krebs se desarrollará en detalle en próximas clases). El NADH+H+ generado tanto durante la glucólisis, como en el ciclo de Krebs será oxidado nuevamente a su forma NAD+ para que nuevamente pueda actuar como cofactor de la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, y pueda seguir la glucólisis. La oxidación del NADH ocurre al ceder sus electrones a la bomba de protones de la membrana interna mitocondrial. La acumulación de protones contra gradiente en el espacio intermembrana de la mitocondria produce su reingreso a través de la ATPsintetasa, produciendo nuevas moléculas de ATP. Como resultado final de la oxidación de una molécula de glucosa en aerobiosis se producen entre 36 y 38 moléculas de ATP.

Figura 5: Ciclo de Krebs.

• BAJO CONDICIONES ANAERÓBICAS, el piruvato debe convertirse en un producto final reducido, que produzca la oxidación del NADH+H+, disponiendo nuevamente del NAD+ necesario para la glucólisis.

Esto se produce de dos maneras:

A- Fermentación homoláctica

Para que se mantenga el balance redox en la glucólisis en anaerobiosis, es necesaria la regeneración del NAD+. Para ello el NADH+H+ reduce el piruvato a lactato en una reacción


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catalizada por la lactato deshidrogenasa. El lactato es, en condiciones de aporte de oxigeno insuficiente (por ejemplo durante una actividad física intensa, donde la demanda de ATP es alta y el suministro de oxígeno es escaso), el producto final de la degradación de glucosa. El lactato así obtenido es liberado a la sangre, de donde es captado por otros tejidos para su posterior utilización

B- Fermentación Alcohólica

Otra fermentación de gran importancia es la fermentación alcohólica que se produce en levaduras y microorganismos. En la misma el piruvato se descarboxila por la piruvato descarboxilasa, convirtiéndose en acetaldehído que se reduce a expensas de NADH+H+, para dar etanol.

Regulación de la Glucolisis

La regulación flujo de la glucosa a través de la ruta glucolítica debe ser muy controlado, para mantener prácticamente constantes los niveles de ATP, así como el suministros de intermediarios con fines biosintéticos, que tanto la célula como el organismo requieran.

La glucólisis se regula mediante el control de la actividad de las enzimas que catalizan las reacciones irreversibles: Hexoquinasa, Fosfofructoquinasa I y Piruvato Quinasa.

En primer lugar la Hexoquinasa presenta activación por sustrato, es decir es activada por la glucosa y su actividad se inhibe por producto, es decir acumulación de glucosa 6-fosfato.

Como ya se mencionó, el principal control de la velocidad de la glucolisis se da por la Fosfofructoquinasa I. Esta enzima es altamente sensible al estado energético de la célula, Tanto AMP como ADP son reguladores alostéricos positivos de fosfofructoquinasa I, mientras que ATP es un inhibidor alostérico de la actividad de esta enzima. (Nótese que ATP es tanto un inhibidos alostérico, como sustrato de esta enzima, uniéndose a sitios distintos de la enzima, además ATP que actúa como sustrato de la enzima se halla complejado con Mg2+). Por otro lado, cuando el nivel energético de la célula es elevado, el ciclo de Krebs se detiene y se acumula citrato (Figura 5), el citrato también es un inhibidor alostérico de la fosfofructoquinasa I con un efecto sinérgico con ATP.


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La fructosa 2,6-bisfosfato es un activador alostérico muy potente de la fosfofructoquinasa I. No confundir este compuesto con un metabolito intermediario de la ruta glucolítica, su función es netamente reguladora.

La fructosa 2,6-bisfosfato es generada a partir de fructosa 6-fosfato por la fosfofructoquinasa II (PFK II). A su vez esta enzima puede actuar como fructosa 2,6-bisfofatasa (FBPasa), regenerando la fructosa 6-fosfato. La actividad de la enzima como PFK II o como FBPasa es regulada hormonalmente por los niveles de insulina y glucagon. Es así como un aumento en los niveles de insulina activan a la PFK II, aumentando los niveles de fructosa 2,6-bisfosfato, el cual actua como una activador de la Fosfofructoquinasa I para la producción de fructosa 1,6-bisfosfato. Por el contrario el glucagón favorecerá la desfosforilación de la fructosa 2,6-bisfosfato.

La piruvato quinasa es otro de los puntos importantes de control. Se activa por presencia de un precursor, la fructosa 1,6-bisfosfato; y se inhibe alostéricamente por ATP, Acetil-CoA y citrato.

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