4.1 metabolismo carbohidratos
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Metabolismo
• Metabolismo • Anabolismo• Catabolismo
• Carbohidratos • Lípidos • Ácidos nucleicos• Aminoácidos Proteínas
MetabolismoEl metabolismo, es el conjunto de reacciones químicas de un ser vivo, es una actividad catalizadas por enzimas, coordinada y dinámica.
La mayoría de estas reacciones están organizadas en rutas. Cada ruta metabólica está formada por varias reacciones
que se producen secuencialmente. Generalmente el producto de una reacción es el sustrato de
la reacción siguiente. El metabolismo comienza después de la absorción de los
nutrientes tras el proceso de digestión a la que son sometidos los alimentos.
Existen dos clases principales de rutas bioquímicas:
Catabolismo Durante las rutas catabólicas se degradan moléculas
grandes y complejas a productos más pequeños y sencillos.
Además provee la energía y componentes necesarios para las reacciones anabólicas.
También degradan moléculas pequeñas para formar productos inorgánicos
Anabolismo En las rutas anabólicas o de biosíntesis, se sintetizan
moléculas complejas a partir de precursores más pequeños.
Los bloques de construcción (a.a., azúcares y ác.grasos) se incorporan en moléculas grandes.
La biosíntesis aumenta el orden y la complejidad, por lo que requiere un aporte de energía.
Los procesos de biosíntesis utilizan metabolitos del catabolismo.
Ciclo de Krebs Ac. grasos
Las rutas metabólicas pueden ser: Lineales: Donde el producto de una reacción es el sustrato de la
siguiente Cíclicas: La secuencia forma un ciclo cerrado, por lo que se regeneran
los compuestos intermedios en cada vuelta del ciclo Espiral: Un mismo conjunto de enzimas se usa en forma repetitiva para
alargar o acortar determinada molécula.
Cada tipo de ruta puede tener puntos de ramificación, donde entran o salen metabolitos.
Funciones del metabolismo Obtener energía química (ATP) degradando nutrientes
ricos en energía.
Sintetizar o degradar biomoléculas requeridas en funciones celulares especializadas (hormonas, neurotransmisores, etc.)
Fabricar los componentes celulares
Polimerizar precursores monoméricos a proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos, etc.
Metabolismo de los carbohidratos
• Glucólisis• Gluconeogénesis • Glucogénesis• Glucogenólisis• Vía de las pentosas
Digestión de los carbohidratos Los carbohidratos que se ingieran en la dieta
en su mayoría son polisacáridos: Almidón
En menor grado son disacáridos y monosacáridos:o Lactosao Fructosa
A excepción de los monosacáridos, el resto de los polisacáridos deben ser hidrolizados por las diferentes enzimas del tracto GI.
La saliva humedece y lubrica el bolo alimenticio, contiene amilasa salival (ptialina pH6.8), que hidroliza diversos tipos de polisacáridos (5%).
La amilasa salival convierten del 30-40% de los almidones en maltosa.
En el intestino delgado el jugo pancreático contiene amilasa pancreática que rompe los enlace α1-4. (pag. 8)
Los enterocitos del intestino contienen: lactasa, sacarasa, maltasa, que descompone los disacáridos en monosacáridos.
Los monomeros y una pequeña fracción de disacáridos pueden atravesar la pared intestinal y llegar torrente sanguíneo e ingresar a las células para ser utilizados en diferentes funciones.
Digestión de los carbohidratos
Enzimas que participan
Los monosacáridos son transportados desde el intestino hacia el torrente sanguíneo a través de:SGLT: transportadores de glucosa dependiente de sodio GLUT: transportadores de glucosa
Monosacaridos
Los SGLT se localizan en la membrana luminal de células encargadas de la absorción y reabsorción de nutrientes.
Estas proteínas de transporte aprovechan la entrada de Na+ (a favor de un gradiente de concentración mantenido por la bomba Na + /K +) del medio extracelular hacia el medio Intracelular, por lo que sirve de cotransporte para el ingreso de glucosa en contra del gradiente de concentración, al interior de la célula.
Transportadores de glucosa dependiente de
sodio
10 mEq Na+
160 mEq Na+
Difusión facilitada Glu
Disacaridasas
Transportadores de glucosa
Las proteínas facilitadoras del transporte de glucosa o GLUT, permiten el paso de glucosa a la célula a favor de un gradiente de concentración.
Existen 13 tipos, que se encuentra presentan en las células de los diferentes órganos.
Isoformas
Monosacáridos que transporta
Localización
GLUT-1 Glucosa y Galactosa Eritrocito, barreras hematoencefálica, placentaria y de la retina, astrocito, nefrona
GLUT-2 Glucosa, Fructosa y Galactosa
Células B pancreáticas, hígado, intestino delgado, nefrona proximal
GLUT-3 Glucosa y Galactosa Cerebro, placenta, hígado, riñón y corazón GLUT-4 Glucosa Músculo esquelético y cardíaco, tejido adiposo. GLUT-5 Fructosa Yeyuno, espermatozoides, riñón, células de la
microglía GLUT-6 Glucosa Cerebro, bazo y leucocitos GLUT-7 Glucosa y fructosa intestino delgado, colon, testículo, próstata GLUT -8 Glucosa Testículos y placenta GLUT-9 Glucosa Riñón e Hígado GLUT-10 Glucosa Hígado y Páncreas GLUT-11 Glucosa Musculo esquelético y corazón GLUT-12 Glucosa Musculo esquelético, tejido adiposo e intestino
delgado GLUT-13 Glucosa Cerebro
Transportadores de glucosa
Metabolismo El hígado es el órgano esencial en el mantenimiento de la glucemia.
Mediante un proceso que implica reducir la disponibilidad de la glucosa en sangre (almacenándola) o aumentando su disponibilidad (degradando las reservas)
La regulación de la captación periférica y producción hepática de la glucosa esta sujeta al efecto hormonal de la insulina y el glucagón.
Cuando los niveles de glucosa son altos, el páncreas libera insulina promoviendo la utilización y almacenamiento de glucosa en el hígado.
Cuando los niveles son bajos el páncreas disminuye la liberación de insulina y aumenta liberación de glucagón, promoviendo la utilización de la glucosa hepática.
Como resultado de la absorción intestinal la glucosa, llega al hígado por la vena porta.
La glucosa es fosforilada por la glucoquinasa La glucosa se metaboliza en el hígado sólo si llega en cierta
cantidad De lo contrario atraviesa los sinusoides hepáticos y se vierte a la
circulación sistémica para la utilización en los demás tejidos.
Metabolismo
Metabolismo
Regulación del metabolismo
Glucolisis: Se produce después del consumo de alimentos cuando la concentración de glucosa es alta.
↑ Glucosa → 2 Piruvato + 2 NAHD + 2 ATP
Glucogénesis: Síntesis de glucógeno a partir de glucosa.
↑ Glucosa → ↑Glucógeno
**NADPH = Nicotinamida Adenina Dinucleótido Fosfato + H
Gluconeogénesis: Formación de nueva glucosaa partir de precursores con dos o tres carbonos, que no son glúcidos (carbohidratos).
Piruvato, a.a., lactato, → ↑ Glucosa
Glucogenólisis: Es la vía por la cual se degrada glucógeno para la obtención de glucosa de una forma rápida.
↓ Glucógeno → ↑ Glucosa
Vía de la pentosa: Se presenta cuando se requiere NADPH y/o nucleótidos.
Glucosa 6-fosfato → Ribulosa 6-fosfato → ↑NADPH + nucleótidos
**NADPH = Nicotinamida Adenina Dinucleótido Fosfato + H
¿Como se mantiene los niveles normales de glucosa después de horas de las alimentación?
•Después de la ingesta del alimento, ↑ la glucosa, esto provoca la liberación de insulina, que permite que los niveles de glucosa lleguen a un nivel normal.
•Si el individuo no se vuelve a alimentar los niveles de glucosa se van a mantener estables dentro de los limites normales.
•Atreves de dos rutas: •Glucogenólisis: El glucógeno muscular y hepático se degradan, produciendo glucosa, cuando el glucógeno hepático disminuye a un punto critico, existe una segunda vía.•Gluconeogénesis: Durante el ayuno esta vía es activa, sin embargo la liberación de insulina después de la ingesta de comida inhibe la gluconeogénesis.
Liberación de insulina
Glucemia Asociación Americana de
Endocrinólogos Clínicos (AACE)
Asociación Americana de
Diabetes (ADA)
Ayunas 110 mg/dL 70-130 mg/dLPostprandial < 140 mg/dL < 180 mg/dL
Hb-A1c < 6.5% < 7%
Glucosa en sangre
GlucolisisDegradación de glucosa
Glucolisis La glucólisis es una secuencia de diez
reacciones catalizadas por enzimas, con las que la glucosa se convierte en 2 moléculas de piruvato (ácido de 3C).
Se acompaña de la conversión neta de dos
moléculas de ADP en dos moléculas de ATP y la producción de dos moléculas de NADH.
Se puede dividir en dos etapas: la etapa de hexosa y la etapa de triosa.
Así, la glicólisis tiene un rendimiento neto de dos moléculas de ATP por molécula de glucosa.
Glucolisis
Sin embargo, la ganancia neta de energía en la glicólisis se debe principalmente a la producción de NADH
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10
Ganancia neta• 4 ATP – 2 ATP= 2 ATP• 2 NADH• 2 Piruvato
1 El grupo fosforilo del ATP se transfiere al átomo de oxígeno en el C-6 de la glucosa
2 Conversión de glucosa 6-fosfato (una aldosa) en fructosa 6-fosfato (una cetosa)
3 Transferencia de un grupo fosforilo, de ATP al grupo hidroxilo de C-1 en la fructosa 6-fosfato
4 Ruptura de la hexosa en dos se fosfato triosas: Gliceraldehído 3-fosfato (C4-C6) y Dihidroxiacetona fosfato (C1 - C3).
5 La dihidroxiacetona fosfato, se convierte en glicaraldehído 3-fosfato (de cetosa a aldosa)
4
6 Oxidación del gliceraldehído 3-fosfato y reducción del NAD a NADH.
7 Transferencia de grupo fosforilo, del 1,3-bifosfoglicerato, rico en energía, al ADP, generando ATP y 3-fosfoglicerato.
8 Transferencia de un grupo fosforilo del 3-fosfogliceratouna parte a otra en la molécula para formar 2-fosfoglicerato
9 El 2-fosfoglicerato se deshidrata para formar fosfoenolpiruvato.
10 Transferencia del grupo fosforilo del fosfoenolpiruvato al ADP
Función de piruvatoEl metabolismo posterior del piruvato suele tomar una de cuatro rutas: 1. El piruvato se convierte en acetil-CoA por la piruvato
deshidrogenasa.La acetil-CoA se puede usar en varias rutas metabólicas: se oxida totalmente a
CO2 en el ciclo del ácido cítrico o de Krebs (en presencia de oxígeno).
2. El piruvato se puede carboxilar y producir oxalacetato.El oxalacetato es uno de los compuestos intermedios en el ciclo de Krebs, y en
la síntesis de la glucosa (gluconeogénesis)
3. En algunas especies (levaduras), se puede reducir piruvato para formar etanol, bajo condiciones anaeróbicas.
4. En algunas especies el piruvato se puede reducir a lactato. El lactato se puede transportar a células que lo regresan a piruvato para su
entrada en alguna de las demás rutas (anaeróbica – ciclo de cori)
Glucolisis
a) El piruvato se oxida y forma el grupo acetilo de la acetil-CoA, que puede entrar al ciclo del ácido cítrico para seguir oxidándose (aeróbico).
b) El piruvato se puede convertir en oxalacetato, que puede ser un precursor en la gluconeogénesis.
c)Ciertos microorganismos fermentan la glucosa para formar etanol (anaeróbico).
d) El piruvato forma lactato, en músculos que se ejercitan con vigor, en los glóbulos rojos. El piruvato entra a otras rutas anabólicas.
Ciclo de Krebs
GluconeogénesisFormación de glucosa
Gluconeogénesis Formación de nueva glucosa Es la ruta principal en la síntesis de glucosa a
partir de precursores con dos o tres carbonos, que no son carbohidratos.
Bajo condiciones de ayuno prolongado, la gluconeogénesis suministra casi toda la glucosa al organismo.
Aporta energía a tejidos nobles, como el tejido nervioso (cerebro).
Todos los organismos tienen una ruta de biosíntesis de glucosa, o gluconeogénesis.
Generalmente la glucosa se almacena en forma de glucógeno en animales, y como almidón en las plantas.
En condiciones normales glucógeno y el almidón se pueden degradar intracelularmente para liberar monómeros de glucosa.
Sin embargo NO siempre hay disponible la glucosa de fuentes externas o de reservas intracelulares. Los grandes mamíferos que no han comido durante 16
a 24 horas han agotado sus reservas de glucógeno en el hígado.
Ciertos tejidos, en especial de hígado y riñones, pueden sintetizar glucosa a partir de precursores simples, como lactato.
Durante el ejercicio, los músculos convierten a la glucosa en piruvato y lactato, que van al hígado y son convertidos en glucosa.
Lo más conveniente es considerar que el piruvato es el punto inicial para la síntesis de glucosa, donde muchos de los compuestos intermedios y de las enzimas son idénticos.
La síntesis de una molécula de glucosa a partir de dos de piruvato requiere cuatro moléculas de ATP y dos de GTP (en animales), así como dos moléculas de NADH.
La ecuación neta para la gluconeogénesis es
Enolasa
Fosfoglicerato mutasa
Fosfoglicerato quinasa
Gliceraldehído fosfato deshidrogenasa
Aldosa
Fructosa 1,6-bifosfato
Fosfos-fructoquinasa-1
Fosfohexosa isomerasa
Hexoquinasa Glucosa 6-fosfatasa
Triosa fosfato isomerasa
Triosa fosfato isomerasa
Fosfoenolpiruvato carboxinasa
Piruvato carboxinasa
Piruvato cinasa
Sus reacciones son muy parecidas a las de la vía de la glucolisis, en ocasiones se ha llegado a considerar la vía inversa de la glucolisis, sin embargo: Existen tres reacciones
metabólicamente irreversibles de la glucólisis.
Esas reacciones son catalizadas por diferentes enzimas.
Gluconeogénesis
1
Consumo de energía
Gluconeogénesis se consumen 6 ATP (4ATP Y 2GTP) y 2 NADH
x 2
x 2
2 x
2 x
2 x
x 22 x
La síntesis de la glucosa requiere energía, y su
degradaciónlibera energía.
1
2
1
Enolasa
2
3
Fosfoglicerato mutasa
Fosfoglicerato cinasa
4
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Gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa6
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Triosa fosfato isomerasa
8
8
9
Durante el ayuno la liberación prolongada de glucagón en el páncreas ↗ cAMP intracelular, que da lugar a una mayor transcripción del gen PEPCK en el hígado, y mayor síntesis de PEPCK (fosfoenolpiruvato carboxicinasa).
El aumento de esta provoca una mayor conversión de oxalacetato en fosfosenolpiruvato.
** La insulina, por su parte inhibe la transcripción del gen, reduciendo la rapidez de síntesis de PEPCK.
La glucosa 6-fosfatasa sólo se encuentra en células del hígado, riñones e intestino delgado, así que sólo esos tejidos pueden sintetizar glucosa libre.
Regulación
Los sustratos principales para la síntesis de la glucosa 6-fosfato son el piruvato.
En los mamíferos: Lactato Aminoácidos
Alanina: Después de su conversión en piruvato. Glicerina, después de su conversión a dihidroxiacetona fosfato.
Bacterias, protistas, hongos, plantas La acetil-CoA se convierte en oxaloacetato en el ciclo
del glioxilato.
Precursores de la gluconeogénesis
Los aminoácidos no entran directamente a la vía gluconeogénica, primero deben convertirse en intermediarios del ciclo de Krebs y posteriormente en la gluconeogénesis.
Aminoácidos Glucogénicos
**Estos aminoácidos proviene de la degradación de proteínas estructurales del músculo principalmente, una vez que están en forma de aminoácidos entran a la circulación y llega al hígado, para posteriormente integrarse al ciclo de Krebs.
GlucogénesisFormación de glucógeno
La glucosa en los animales se almacena en forma de glucógeno.
La mayor parte del glucógeno en los vertebrados se encuentra en las células musculares y hepáticas.
Las enzimas necesarias para degradar el glucógeno también se encuentran en las células musculares y hepáticas.
Glucógeno
** La síntesis y la degradacióndel glucógeno son principalmente una forma de almacenar glucosa 6-fosfato hasta que la célula la necesite.
Glucogénesis La glucogénesis es la ruta metabólica (anabólica) por
la que se sintetiza glucógeno a partir de un precursor más simple, la glucosa-6-fosfato.
Se lleva a cabo principalmente en el hígado, y en menor medida en el músculo.
La glucogénesis es estimulada por la insulina, secretada por las células β pancreáticas y es inhibida por el glucagón, secretado por las células α pancreáticas, este ultimo estimula la ruta catabólica llamada glucogenólisis.
Se requieren tres reacciones separadas, catalizadas por enzimas, para incorporar una molécula de glucosa 6-fosfato al glucógeno.
Síntesis del glucógeno
La fosfosglucomutasa transfiere el fosfato del C-6 al C1.
Un grupo UMP del UTP se transfiere al fosfato que está en el C-1 formando un UDP, con liberación de pirofosfato.
Síntesis del glucógeno
Se libera un pirofosfato del UTP, que es un equivalente del ATP.
La síntesis de glucógeno es una reacción de polimerización (agregación de glucosa). La glucógeno sintasa, cataliza el alargamiento del glucógeno.
Cada glucógeno contiene al menos 50 000 residuos de glucosa
La amilo-(1,4 → 1,6)-transglucosilasa, cataliza la formación de ramas en el glucógeno, por eso a esta enzima se le llama también enzima ramificadora
** Estas ramas forman muchos sitios para adicionar o eliminar residuos de glucosa, y así contribuyen a la rapidez con que se puede sintetizar o degradar el glucógeno.
GlucogenólisisDegradación de glucógeno
Glucogenólisis Los residuos de glucosa en el glucógeno son
liberados o movilizados por acción de enzimas llamadas polisacárido fosforilasas.
Estas enzimas catalizan la eliminación sucesiva de residuos de glucosa de los extremos del glucógeno, siempre que los monómeros estén unidos por enlaces a-(1 → 4).
Las polisacárido fosforilasas catalizan una reacción de fosforólisis donde la ruptura de un enlace produce ésteres de fosfato, por lo que el primer producto de la descomposición del polisacárido es glucosa 1-fosfato, y no glucosa libre.
Reacción
La glucosa 1-fosfato, que se convierte rápidamente en glucosa 6-fosfato, gracias a la fosfosglucomutasa.
El producto de la degradación del glucógeno es glucosa 1-fosfato, que se convierte rápidamente en glucosa 6-fosfato.
La glucógeno fosforilasa no consume ATP.
La glucógeno fosforilasa se detiene a cuatro residuos de glucosa de un punto de ramificación.
La dextrina límite puede seguir
La glucanotransferasa cataliza la reubicación de una cadena de tres residuos de glucosa, desde una rama hasta un extremo libre con hidroxilo 4.
El glucógeno es un almacén de glucosa para cuando es necesaria (ayuno o en casos de “huida”). En los músculos, el glucógeno proporciona combustible
para la contracción muscular. En el hígado el glucógeno se convierte en glucosa que
sale de las células hepáticas y entra al torrente sanguíneo para su transporte a otros tejidos donde se requiera.
Tanto la movilización como la síntesis de glucógeno están reguladas por hormonas. Las principales hormonas que controlan el metabolismo del glucógeno en los mamíferos son: Insulina Glucagón Epinefrina (adrenalina)
Regulación
Insulina: Proteína sintetizada por las células β del páncreas, se secreta cuando aumenta la concentración de la glucosa en la sangre.
Diabetes tipo 1: las células beta producen poca o ninguna insulina. Sin la insulina suficiente, la glucosa se acumula en la sangre en lugar de entrar en las células.
Insulino dependientes
Diabetes tipo 2: los adipocitos, hepatocitos y células musculares no responden de manera correcta a insulina, provocando un aumento de glucosa en sangre.
Resistencia a la insulina.
Insulina: aumenta la tasa de transporte de glucosa a los músculos y tejido adiposo a través del transportador GLUT 4, y estimula la síntesis de glucógeno en el hígado.
Tratamiento farmacológico y sus mecanismo de acción. Sulfonilureas: Estimulan la secreción de insulina por parte
de las células beta pancreáticas. Primera generación (tolbutamida, acetohexamida,
clorpropamida) Segunda generación (glibenclamida, glipicida, gliquidona y
gliclacida).
Biguanidas: Reduce la producción hepática de glucosa (disminuye la gluconeogénesis y la glucogenólisis). Aumenta la actividad del GLUT-4. Metformina
Inhibidores de las alfa-glucoxidasas intestinales: Las alfa-glucosidasas son enzimas encargadas de la degradación de los carbohidratos hasta monosacáridos, si se inhibe se inhibe la absorción de los sacaridos.
Rosiglitazona
Insulina exogena: Insulinas humanas biosintéticas, que se obtienen mediante técnicas de recombinación genética.
Glucagón: Es una hormona de 29 a.a., que la segregan las células α del páncreas como respuesta a baja concentración de glucosa en la sangre.
El glucagón estimula la degradación del glucógeno, y son las células hepáticas las que presentan una alta cantidad de receptores de glucagón.
Las glándulas suprarrenales liberan epinefrina y norepinefrina, como respuesta a señales de respuesta a pelear o huir.
La epinefrina estimula la descomposición de glucógeno en glucosa 1-fosfato que se convierte en glucosa 6-fosfato.
La epinefrina se une a receptores α o β-adrenérgicos esta unión activa la ruta de señalización de segundos mensajeros.
Inhibe los receptores de insulina
La epinefrina dispara una respuesta a una necesidad repentina de energía, en tanto que el glucagón y la insulina actúan durante mayores periodos para mantener una concentración constante de glucosa en la sangre.
Vías de las pentosas
Vías de las pentosas-PLa ruta de las pentosas fosfato, se presenta cuando se requieren cantidades importantes NADPH y de nucleótidos, y permite a las células convertir la glucosa-6-fosfato en:
Ribosa-5-fosfato (utilizada en la síntesis de ARN y ADN)
Ribulosa 5-fosfato Xilulosa 5-fosfato NADPH
La ruta completa tiene dos etapas: Oxidante No oxidante
Las células en división rápida requieren tanto ribosa 5-fosfato y NADPH.
Oxidante: Se produce NADPH cuando se convierte la glucosa 6-fosfato en ribulosa 5-fosfato.
**La glucosa 6-fosfato deshidrogenasa es inhibida de manera alostérica por el NADPH.
No oxidante: Usa la pentosa fosfato formada en la etapa oxidante y la proporciona a la ruta de la glucólisis. La ribulosa 5-fosfato se convierte en