Metabolismo de los hidratos de carbono

Nutrición. Alimentación. Degradación glucógeno. Vías biosintéticas. Ácidos tricarboxílicos. Fosforilación oxidativa

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METABOLISMO DE HIDRATOS DE CARBONO

INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO

Las células extraen energía de su entorno y transforman los alimentos en componentes celulares mediante un conjunto altamente integrado de reacciones químicas denominado metabolismo.

Por tanto, desde un punto de vista funcional-bioquímico, las células se deben considerar como transformadores de energía. Poseen un sistema que transforma la energía química y física procedente del exterior en energía “biológica” y ésta, a su vez, en trabajo químico, osmótico o mecánico. Los procesos que suministran la energía biológica se clasifican, desde el punto de vista funcional, como metabolismo energético, y los que transforman esta energía en trabajos de diversos tipos se clasifican como metabolismo de trabajo. Puesto que ni el metabolismo energético ni el metabolismo de trabajo transcurren con rendimientos energéticos del 100%, una parte de la energía transformada se libera siempre en forma de calor.

Los objetivos básicos del metabolismo son formar ATP, NADPH y precursores de macromoléculas diversas. Se consume ATP en la contracción muscular y otros movimientos celulares, en el transporte activo y en las biosíntesis. El NADPH que transporta 2 electrones de alto potencial, suministra poder reductor en la biosíntesis de los componentes celulares a partir de precursores más oxidados. El ATP y el NADPH son continuamente generados y consumidos.

Existen tres etapas para la extracción de la energía de los alimentos en los organismos aeróbicos. En la primera etapa se fragmentan las grandes moléculas hasta moléculas más pequeñas, como aminoácidos, azúcares y ácidos grasos. En la segunda, se degradan estas moléculas pequeñas hasta unos pocos fragmentos que ejercen un papel fundamental en el metabolismo. La tercera etapa del metabolismo la constituyen el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa en la que las sustancias degradables se oxidan completamente hasta CO. y se genera ATP a medida que los electrones fluyen hasta el oxígeno, su aceptor último.

Por tanto el metabolismo de las células animales es un proceso redox; los donadores de electrones son los productos de hidrólisis monómeros de los hidratos de carbono, proteínas y grasas, polímeros que son ingeridos por el organismo en forma de sustancias nutritivas; en todos los casos el aceptor de electrones es el oxígeno. Puesto que la oferta de elementos nutritivos en la naturaleza no es nunca constante, cada célula debe contar con reservas de energía. Esto se realiza mediante la polimerización de los sustratos monómeros; este proceso siempre consume energía en forma de ATP, energía que fundamentalmente se emplea en la transformación de glucosa en glucógeno, la de glicerol y ácidos grasos en triglicéridos y la de aminoácidos en proteínas.

Los procesos metabólicos del organismo se regulan mediante numerosos mecanismos diversos. Las cantidades de algunas enzimas claves se controlan regulando la velocidad de síntesis y degradación proteica. Además, las actividades catalíticas de algunas enzimas se regulan mediante interacciones alostéricas y por modificaciones covalentes. La compartimentación y las distintas vías para la síntesis y la degradación contribuyen también a la regulación metabólica que esta regida en ultimo término también por las variaciones hormonales que se van produciendo en algunos organismos en las distintas situaciones fisiológicas.

También la carga energética, que depende de las cantidades relativas de ATP, ADP y AMP, ejerce una función en la regulación metabólica general. Una carga energética elevada inhibe las vías generadoras de ATP (catabólicas) mientras que estimula las utilizadoras de ATP (anabólicas).

VÍAS DE DEGRADACIÓN DEL GLUCÓGENO.VÍAS BIOSINTETICAS.

El glucógeno es una forma de almacenamiento de glucosa en el organismo. Es un polímero ramificado formado exclusivamente por unidades de glucosa que son fácilmente movilizables. La gran mayoría de las unidades de glucosa en este polímero están unidas por enlaces glucosídicos -1,4, aunque aproximadamente, cada diez residuos de glucosa lineal aparece una ramificación debida a un enlace glucosídico en posición -16.

Los dos lugares principales de localización del glucógeno en el organismo son el músculo esquelético y el hígado.

El mayor porcentaje de almacenamiento se da en el hígado, aunque globalmente se localiza más glucógeno en el músculo esquelético ya que este tejido tiene un mayor peso específico en cuanto a masa, en el total del organismo.

Los procesos de degradación y biosíntesis del glucógeno tienen un papel fundamental en la regulación de la glucemia del organismo, al mismo tiempo que aportan un suministro de glucosa adecuado a las necesidades celulares.

Las rutas metabólicas que regulan la degradación y síntesis del glucógeno son totalmente distintas aunque las enzimas que intervienen en ambos procesos están controladas en cuanto a su actividad por fosforilación reversible.

La ruta degradativa del glucógeno fue descubierta por las investigaciones de los esposos Gerty y Carl Cori.

El polímero de glucógeno es escindido en un primer paso por la fosforilasa en presencia de ortofosfato para producir glucosa 1-fosfato. Esta enzima actúa sobre el polímero por el extremo no reductor de la molécula. Además, la ruptura fosforolítica del glucógeno tiene la ventaja, desde el punto de vista energético, de que la glucosa liberada está ya fosforilada; mientras que si el proceso fuera hidrolítico, la glucosa tendría que ser fosforilada con gasto de una molécula de ATP para integrarse en la vía glucolítica.

Desde otro punto de vista, la glucosa 1 fosfato que se produce en este proceso no puede salir fuera de la célula muscular y, por tanto, debe ser utilizada in situ. Sólo el hígado, debido a la presencia de la enzima glucosa 6 fosfatasa es capaz de liberar glucosa al torrente circulatorio, por eso se habla de este órgano como regulador esencial de la glucemia del organismo.

Para la acción catalítica de la fosforilasa es necesaria la presencia del pirdoxal-5'-fosfato (PLP) que es un derivado de la vitamina B6, ya que esta coenzima interviene decisivamente en que la acción de la fosforilasa sea fosforolítica y no hidrolítica.

Hay que tener en cuenta que la fosforilasa por sí sola, no puede degradar el glucógeno totalmente, ya que los enlaces glusosídicos a-1,6 no son escindidos por esta enzima: por tanto es necesaria la presencia de otras enzimas que ejercen una acción concertada; éstas son una transferasa y una a-1,6 glucosidasa. Esta última enzima, llamada también enzima desramificante, cataliza la hidrólisis de los enlaces a-1,6, liberando glucosa no fosforilada.

La biosíntesis del glucógeno, sin embargo, sigue una ruta distinta. En este caso el proceso consiste en la incorporación de unidades de glucosa al grupo hidroxilo del C-4 de un residuo terminal, en la molécula de glucógeno en crecimiento. Esta reacción está catalizada por la glucógeno sintasa, aunque esta enzima sólo puede añadir moléculas de glucosa si la cadena del polisacárido tiene ya, más de cuatro residuos.

Además, la molécula de glucosa que añade la glucógeno sintasa debe estar activada previamente en forma de UDP-glucosa.

El hecho de que existan dos vías totalmente distintas y separadas para la síntesis y para la degradación del glucógeno, indica que la regulación de ambas debe ser muy rigurosa. Por tanto, el control de las dos rutas está coordinado de forma que la glucógeno sintasa sea casi inactiva, cuando la fosforilasa es muy activa y viceversa.

Además hay hormonas especificas que afectan fundamentalmente el metabolismo del glucógeno. La insulina incrementa la actividad del hígado en la síntesis del glucógeno, ya que niveles altos de esta hormona en sangre denotan un estado satisfactorio de nutrición, mientras que niveles bajos denotan ayuno.

Por otro lado, los efectos de la adrenalina y el glucagón sobre el metabolismo del glucógeno son opuestos a los de la insulina, ya que la adrenalina estimula la degradación del glucógeno en el músculo y, en menor proporción, también en el hígado. Este órgano es más sensible a la acción del glucagón, ya que incrementa la salida de glucosa con el fin de regular la glucemia cuando los niveles de esta hormona son altos. Esta acción está provocada por la estimulación de la degradación del glucógeno hepático que activa el glucagón.

GLUCOLISIS. CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXILICOS

La glucolisis es la vía metabólica que convierte la glucosa en piruvato. En los organismos aeróbicos en relación con el metabolismo glucídico, la glucolisis es la etapa previa al ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos y la conexión con la cadena de transporte electrónico, donde se libera la mayor parte de la energía libre de la glucosa.

Las diez reacciones que constituyen la glucolisis se producen en el citosol y se pueden esquematizar de la manera siguiente:

En esta vía existe una ganancia neta de dos moléculas de ATP, ya que se producen cuatro moléculas de ATP pero se gastan dos previamente.

El aceptor de electrones durante la oxidación del gliceraldehído 3-fosfato es el NAD+ que debe regenerarse para que la glucolisis continúe. En los organismos aeróbicos el NADH formado en la glucolisis transfiere sus electrones a O2 a través de la cadena de transporte electrónico, regenerando con ello el NAD+.

Bajo condiciones anaeróbicas, el NAD+ se regenera por reducción del piruvato a lactato. En algunos microorganismos el NAD+ se regenera normalmente por la síntesis de lactato o etanol a partir de piruvato. En estos casos se habla de procesos fermentativos. En el músculo en anaerobiosis se produce también lactato.

La finalidad de la glucolisis es principalmente generar ATP a partir de la degradación de la glucosa, pero por otro lado también proporciona moléculas simples para la síntesis de componentes celulares. La velocidad de conversión de la glucosa en piruvato está regulada en función de satisfacer estas dos necesidades fundamentales de la célula. Por tanto, las reacciones de la glucolisis son fácilmente reversibles, en condiciones fisiológicas, excepto las catalizadas por las tres enzimas reguladoras de la vía: Hexoquinasa, Fosfofructoquinasa y Piruvato quinasa.

La fosfofructoquinasa es el elemento de control más importante; se inhibe por niveles altos de ATP y de citrato y se activa por AMP y fructosa -2,6 bifosfato. Así la fosfofructoquinasa se activa cuando los niveles de glucosa son abundantes y las necesidades energéticas de la célula están aumentadas.

La hexoquinasa tiene regulación alostérica y se inhibe cuando hay altas concentraciones de glucosa 6-fosfato, lo que ocurre cuando se inactiva la fosfofructoquinasa.

El último paso regulador, la piruvato quinasa, también tiene control alostérico y se inhibe en presencia de ATP y alanina y se activa cuando el nivel energético de la célula es bajo y cuando se acumulan metabolitos intermediarios de esta vía.

Un nivel bajo de glucosa en sangre activa la fosforilación de la piruvato quinasa hepática, lo que causa disminución de su actividad y así disminuye la utilización de la glucosa, vía glucolítica, en el hígado, que es el órgano regulador por excelencia de la glucemia del organismo.

El ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico es la vía final común para la oxidación de las moléculas combustibles y también sirve para proporcionar moléculas precursoras que se utilizarán en las rutas biosintéticas.

La mayoría de moléculas combustibles entran en el ciclo reducidas en forma de acetil-CoA. El nexo de unión entre la glucolisis y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos es la descarboxilación oxidativa del piruvato para formar acetil-CoA. En las células eucariotas, esta reacción y todas las demás del ciclo se producen en el interior de la mitocondria, a diferencia con las de la glucolisis que transcurren en el citosol.

En este ciclo se producen cuatro reacciones de óxido-reducción en las cuales se transfieren tres pares de electrones al NAD+ y un par al FAD. Estos transportadores de electrones reducidos se oxidan a continuación por la cadena de transporte electrónico para generar 11 moléculas de ATP.

Al mismo tiempo se forma un enlace fosfato de alta energía en el mismo ciclo. Por tanto se produce un total de 12 enlaces fosfato de alta energía por cada fragmento dicarbonado que se oxida completamente hasta CO2 y H2O.

El ciclo del ácido cítrico opera solamente en condiciones aeróbicas porque requiere el suministro de NAD+ y FAD.

Estos aceptores electrónicos se regeneran cuando el NADH y el FADH2 transfieren sus electrones al O2 a través de la cadena de transporte electrónico, con la consiguiente producción de ATP. En consecuencia, la velocidad del ciclo depende de las necesidades de ATP.

El control del ciclo también depende de la regulación que ejercen tres enzimas fundamentales; Citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y -cetoglutarato deshidrogenasa.

En general una carga energética alta disminuye la actividad de las tres enzimas.

Otro punto importante de regulación es la descarboxilación irreversible del piruvato hasta acetil-CoA. La actividad del complejo de la piruvato deshidrogenasa está controlada mediante la inhibición por producto, regulación feed-back por nucleótidos y por fosforilación reversible.

Estos mecanismos se regulan y complemenían entre sí, reduciendo la velocidad de formación de acetil-CoA, cuando la carga energética de la célula es alta y aumentándola cuando la célula necesita energía.

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

En el proceso de fosforilación oxidativa, la síntesis de moléculas de ATP está acoplada al flujo de electrones del NADH o del FADH2, que se producen en el ciclo del ácido cítrico, al O2 mediante un gradiente de protones a través de la membrana interna mitocondrial. El bombeo de protones hacia fuera de la matriz mitocondrial que genera un potencial de membrana está provocado por el flujo de electrones a través de complejos transmembranares que están orientados asimétricamente.

La molécula de ATP se sintetiza cuando los protones vuelven a la matriz mitocondrial a través de un conducto en el complejo sintetizador de ATP conocido como ATP sintetasa.

Los transportadores electrónicos de la cadena respiratoria asociada a la membrana interna mitocondrial son flavinas, complejos hierro-azufre, quinonas, los grupos hemo de los citocromos e iones de cobre.

Los electrones procedentes del NADH se transfieren al grupo prostético FMN de la NADH-Q Oxido-reductasa, el primero de los complejos. Esta reductasa también contiene grupos hierro-azufre. Los electrones acaban en el QH2, la forma reducida de la ubiquinona (Q). Este transportador transfiere los electrones a la citocromo reductasa, un complejo que contiene los citocromos b y c1 y un centro hierro-azufre. Este complejo reduce al citocromo c, una proteína periférica de membrana hidrosoluble. El citocromo c, al igual que la ubiquinona (Q), es un transportador móvil de electrones, que se transfiere a la citocromo oxidasa. Cuando el donador inicial de electrones es el succinato, el glicerolfosfato y el acil-coenzima A intervienen complejos específicos, que transfieren los electrones al grupo prostético FAD. El FADH2 resultante es reoxidado mediante la reducción de Q. En estos pasos de óxido-reducción no se libera energía suficiente para permitir su acoplamiento con la fosforilación oxidativa.

Este tercer complejo contiene los citocromos a y a3 y dos iones de cobre. El hierro hemínico y un ion cobre de esta citocromo oxidasa transfieren los electrones al 02, como último aceptor para formar H2O.

De esta forma, el flujo de entrada de protones hacia la matriz mitocondrial dirige la síntesis de ATP, a través de la acción de la ATP sintetasa, canalizando la síntesis de ATP alternativamente en tres centros activos y liberándolo, ya que está fuertemente enlazado.

El flujo de dos electrones a través de cada uno de estos tres complejos genera un gradiente de protones suficiente para sintetizar una molécula de ATP en cada uno.

Así pues, se forman tres moléculas de ATP por cada NADH oxidado, mientras que cuando se oxida el FADH2, sólo se forman dos moléculas de ATP, porque los electrones entran en la cadena respiratoria a nivel de QH2, detrás del primer lugar de bombeo de protones. También se generan sólo dos moléculas de ATP en la oxidación del NADH formado en el citosol cuando la lanzadera de glicerolfosfato transporta los electrones a la mitocondria.

En general la entrada de ADP en la mitocondria está acoplada a la salida de ATP mediante un proceso denominado difusión facilitada por intercambio.

Cuando una molécula de glucosa se oxida completamente a CO2 y H2O se generan 36 moléculas de ATP.

De todo lo expuesto anteriormente se deduce que: el transporte de electrones está estrechamente vinculado a la fosforilación oxidativa. El NADH y el FADH2 sólo se oxidan si el ADP se fosforila simultáneamente a ATP.

Este acoplamiento, denominado control respiratorio, puede en algunos casos interrumpirse, lo cual puede ser biológicamente útil, ya que es un medio de generar calor para mantener la temperatura corporal en los animales durante la hibernación, o cuando son recién nacidos o cuando el organismo necesita adaptarse al frío.

VÍA DE LAS PENTOSAS FOSFATO Y GLUCONEOGENESIS

El objetivo biológico de la vía de las pentosas fosfato es el de generar poder reductor en forma de NADPH, que se utilizará en distintas rutas biosintéticas y pentosas, fundamentalmente ribosa-5-fosfato que se emplea en las síntesis de RNA, DNA y coenzimas nucleotídicos.

Esta vía transcurre íntegramente en el citosol y comienza a partir de la glucosa-6-fosfato.

Cuando la célula necesita mucho más NADPH que ribosa 5-P intervienen las enzimas transcetolasa y transaldolasa que transforman la ribosa 5-P en gliceraldehído 3-P y fructosa 6-P. Por tanto estas enzimas constituyen una conexión reversible entre esta vía y la glucolisis. De esta forma, pueden generarse 12 NADPH por cada glucosa 6-P que se oxida completamente a CO2.

Sin embargo, cuando se necesita sintetizar mucha más ribosa 5-P que NADPH, lo que ocurre es que la fructosa 6-P y el gliceraldehído 3-P que se han formado previamente vía glucolítica, se convierten en ribosa 5-P sin formación de NADPH. O bien puede suceder que la ribosa 5-P formada en las primeras reacciones oxidativas de la vía, se transforme en piruvato a través de fructosa 6-P y gliceraldehído 3-P. En esta última posibilidad se producen ATP y NADPH y cinco de los seis carbonos de la glucosa 6-fosfato inicial, aparecen en el piruvato.

Así pues, comprobamos que la interrelación entre las vías glucolítica y de las pentosas fosfato controla los niveles de NADPH, de ATP y de precursores biosintéticos tales como ribosa 5-fosfato y piruvato, que se están modificando constantemente para satisfacer las necesidades celulares.

La gluconeogénesis es la síntesis “de novo” de glucosa a partir de fuentes no glucídicas, tales como lactato, glicerol y aminoácidos diversos. Algunas de las reacciones que permiten convertir el piruvato en glucosa son comunes a las de la glucolisis, aunque la gluconeogénesis no se puede considerar inversa a la glucolisis, ya que requiere de reacciones distintas, cuatro en total, para evitar algunos pasos irreversibles de la ruta glucolítica.

La gluconeogénesis es una ruta de emergencia para el organismo, ya que sólo se pone en marcha cuando se han agotado las reservas glucídicas y cuando existen muchos metabolitos susceptibles de convertirse en glucosa: glicerol procedente de la hidrólisis de triglicéridos, lactato procedente de la glucolisis en el músculo esquelético, alanina y algunos otros aminoácidos glucogénicos procedentes de la proteolisis, etc.

El órgano gluconeogénico por excelencia es el hígado, al cual van a parar el lactato, la alanina y otros aminoácidos producidos en el músculo esquelético, a partir del piruvato.

Las enzimas de la gluconeogénesis están localizadas en el citosol, excepto la piruvato carboxilasa que es mitocondrial y la glucosa 6-fosfatasa que está unida al retículo endoplásmico.

Hay que decir que la glucosa 6-fosfatasa es una enzima exclusivamente hepática y que gracias a ella, el hígado puede regular la glucemia, favoreciendo la salida de este metabolito cuando su concentración es muy baja en el plasma.

En general se puede decir que la glucolisis y la gluconeogénesis están reguladas de forma opuesta, y por tanto cuando una vía es muy activa, la otra no funciona apenas, ya que sus objetivos son esencialmente opuestos: La vía glucolítica consume glucosa con el fin de generar energía en forma de ATP y la gluconeogénesis sintetiza glucosa a partir de precursores no glucídicos, cuando el organismo ha agotado sus reservas.

El primer enzima regulador de la vía gluconeogénica a partir de piruvatoes la piruvato carboxilasa que es una biotin-enzima y cuya actividad depende de la presencia de acetil-CoA. Esta regulación alostérica de la mencionada enzima por el acetil CoA es un mecanismo de control fisiológico ya que señala la necesidad de síntesis de oxalacetato, y por tanto cuando haya excedente de energía, en forma de ATP, este metabolito será empleado en la síntesis de glucosa vía gluconeogénica.