módulo sistemas metabólicos nutricionales

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
MÓDULO
SISTEMAS METABÓLICOS NUTRICIONALES
POSTGRADO: ESPECIALIAZACIÓN EN NUTRICIÓN ANIMAL SOSTENIBLE.
ESCUELA DE CIENCIAS AGRICOLAS PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE.
ECAPMA
AUTOR: JAIRO GRANADOS. MSc.
DOCENTE ECAPMA
BOGOTÁ 2010
MÓDULO SISTEMAS METABÒLICOS NUTRICIONALES
INTRODUCCIÓN
La bioquímica metabólica es la ciencia que estudia todo lo relacionado con la actividad
catalítica en las vías anabólica y catabólica de las diversas biomoléculas que forman parte
de la dinámica celular de organismos animales y vegetales presentes en todo tipo de agro
ecosistemas; por ende, permite comprender la estructura y cinética de los compuestos
que intervienen en las diversas reacciones bioquímicas metabólicas aeróbicas y
anaeróbicas.
Además, teniendo en cuenta que es una ciencia teórico experimental la cual posee
conceptos, leyes, principios y teorías científicas, se constituye en un pilar fundamental
para la interpretación significativa de las múltiples reacciones
biomoleculares que
gobiernan los diferentes procesos exergónicos y endergónicos, enfocados a mantener las
funciones vitales de sistemas autótrofos y heterótrofos, los cuales interaccionan
permanentemente garantizando la bioactividad de los componentes de nuestro planeta.
En consecuencia, la intencionalidad del curso se centra en la orientación adecuada de los
estudiante de postgrado para que logren verdaderos aprendizajes significativos en los
conceptos del metabolismo animal y vegetal, de tal forma que se promueva el desarrollo
de competencias básicas en lo referente a la nutrición animal y vegetal, pilares
fundamentales de los profesionales de las ciencias agrícolas pecuarias y del medio
ambiente
UNIDAD 1:CINÈTICA Y BIOTERMODINÁMICA METABÓLICA
Capítulo 1:Equilibrio ácido base en monogástricos y rumiantes
Las células animales y vegetales se consideran verdaderos sistemas metabólicos
abiertos, debido a la interacción de un sinnúmero de procesos bioquímicos
y
termodinámicos que generan flujos de masa y energía hacia y desde el interior de las
células mencionadas, estos procesos dependen también de factores cinéticos y
moleculares que inciden en la velocidad con que ocurren las reacciones bioquímicas
anabólicas y catabólicas, las cuales determinan las funciones vitales de un organismo
vivo.
Lección 1. Soluciones Amortiguadoras
También se les denomina soluciones "Buffer" ó lampón y son aquellas que se
oponen a los cambios de pH, cuando se les adicionan ácidos o álcalis
(hidróxidos). su acción se basa principalmente en la absorción de hidrogeniones
(H+) ó iones hidróxilo (OH').En forma general, una solución amortiguadora está
conformada por una mezcla binaria de un ácido débil y una sal del mismo
ácido proveniente de base fuerte ó también, una base y una sal de esta base
proveniente de un ácido fuerte.
Ejemplo:
•
Mezcla de ácido acético y acetato de Sodio
•
Hidróxido de amonio y cloruro de amonio
La aplicación más importante de estas soluciones reside en el estudio de la regulación
del equilibrio ácido=base en los sistemas biológicos, por eso a nivel de experimentos
bioquímicos se utilizan para controlar el pH de reacciones in vitro.
Un amortiguador biológico de vital importancia es el plasma sanguíneo, el cual
regula valores de pH entre 7,2 y 7,3; con variaciones de 0,2 unidades se
presentarían efectos letales para la vida.
1.1 pH de una Solución Amortiguadora
Considerando que la solución amortiguadora es una mezcla de ácido débil con
una sal del mismo ácido proveniente de base fuerte y además que un ácido débil
se ioniza parcialmente, podemos representar la ionización de esta forma:
HA <======> H+ + A-
Aplicando la ley de acción de masas y teniendo en cuenta la constante de disociación se
obtiene la siguiente expresión:
pH =pKa + Log [A −]
[HA]
Donde pka,representa el valor del potencial de
la constante de acidez del ácido
débil, [A −] es la concentración del anión común,equivalente a la sal y [HA] indica la
concentración del ácido débil que forma parte de la solución buffer.En consecuencia,la
anterior ecuación se puede reescribir así:
pH = pKa + Log
[Sal ]
[Ácido]
Esta expresión se conoce como ecuación de Henderson -Hasselbach y sirve para calcular
el pH de mezclas de ácidos débiles y sus sales es decir, soluciones "Buffer", Tampón ó
amortiguadoras
De acuerdo a esta ecuación, se puede deducir, que el pH de una
solución amortiguadora, depende de dos factores:
a)El valor del pKa del ácido débil
b)Las proporciones entre Las concentraciones de sal y ácido
1.2 Capacidad Amortiguadora
Se utiliza para comparar las eficiencias de las soluciones amortiguadoras y se define como:
La cantidad en miliequivalentes(meq) de ácido o base fuerte que puede neutralizar la
solución amortiguadora, sufriendo un cambio de pH en una unidad. Matemáticamente, se
expresa como la relación cociente entre el incremento de ácido o base fuerte con respecto al
incremento del pH, es decir:
δ
= Δ B / Δ (pH)
Donde: δ = Capacidad amortiguadora de la solución
Δ B = Incremento de ácido o base fuerte
meq /(pH) Δ (pH) = incremento en unidades de pH
Lo evidente es que esta capacidad, depende de dos factores:
a) Concentraciones absolutas del sistema
b)Proporción
relativa de las formas disociada y sin disociar, siendo máxima
cuando el cociente [sal]/[ácido] es próximo a la unidad.
Lección 2. Sistemas amortiguadores fisiológicos
El equilibrio ácido-base de las células está condicionado por un conjunto de
sistemas amortiguadores, porque estas funcionan dentro de límites estrechos de
pH a causa de su metabolismo.
Los factores de amortiguación más sobresalientes en los organismos vivos, por su
acción rápida y eficiente en la regulación del pH son:
a. Sistema Bicarbonato
b. Sistema Fosfato
c. Hemoglobina
d. Proteínas del plasma
La importancia y relevancia de cada uno, depende del tipo de organismo.El
mentefacto mostrado en La figura 1, resume las características, propiedades y
clasificación de las principales soluciones amortiguadoras, presentes en lo
organismos animales.
Figura 1. características y tipos de amortiguadores biológicos en animales
ÁCIDODÉBIL
DÉBIL ++SAL
SAL
ÁCIDO
Reguladores
Reguladores
depH
pH
de
componentes
Absorbenexceso
exceso
Absorben
de
iones
H+
OHde iones H+ yyOHControlan
Controlan
metabolismo
metabolismo
ácidobase
base
ácido
propiedades
Solucionesbuffer
buffer
Soluciones
(amortiguadoras)
(amortiguadoras)
ejemplos
Regulanequilibrio
equilibrio
Regulan
Homeostático
Homeostático
Bicarbonatos
Bicarbonatos
(HCO3-)-)
(HCO
3
excluyen
Fosfatos
Fosfatos
HPO=4
Ácidos fuertes
(ácidos
minerales)
Lípidos y
Carbohidratos
Hemoglobina
Hemoglobina
HbH
HbH
Aminoácidos
Aminoácidos
(proteínas)
(proteínas)
De acuerdo a Miles y Butcher(1995),profesores de la Universidad de Florida, los
amortiguadores (buffers) en los fluidos corporales sirven como una defensa contra el
cambio del PH .Cada compartimiento de fluido contiene tipos y características de
substancias disueltas, algunas que son amortiguadores a un pH fisiológico. Por eso, el
pH es estabilizado por la capacidad amortiguadora de los fluidos corporales.
En animales existen básicamente cuatro principales amortiguadores que se localizan
en los tres diferentes compartimientos fluidos (Cuadro 1).
Cuadro 1.Tipos de amortiguadores fisiológicos y ubicación en los fluídos biológicos
FLUÍDO
SISTEMA AMORTIGUADOR
Bicarbonato
Sangre
Hemoglobina
Proteínas
Fosfatos
Bicarbonato
Extracelular y cerebroespinal
Proteínas
Fosfatos
Proteínas
Intracelular
Fosfatos
Bicarbonato
Orina
Fosfato
Amoníaco
Fuente: Miles y Butcher(1995)
Como se puede observar, con excepción del amoníaco en la orina y la hemoglobina
en la sangre, los amortiguadores en los compartimientos son idénticos. En
consecuencia, el conocer como estas soluciones disueltas tienen la capacidad de
amortiguar es esencial para poder entender al equilibrio ácido-base.
Sistema Bicarbonato (anhídrido carbónico/bicarbonato) :Este el buffer amortiguador
principal en el fluído extraceular, dentro de.la célula roja de la sangre y en el plasma.
En este sistema el CO2 se comporta como ácido volátil y su concentración puede ser
controlada por medio de la tasa de respiración del animal.
La Siguiente ecuación muestra La formación de iones de hidrógeno en las células rojas de
sangre como resultado del transporte del gas carbónico del tejido a los pulmones
CO2 + H2O
H2CO3
HCO3- + H+
Cuando la célula roja de sangre está dentro de los tejidos corporales esta reacción va hacia la
derecha. En los pulmones la reacción va hacia la izquierda. Además, la presión parcial del
CO, es más alta dentro del los tejidos y más baja en los pulmones.
La reducción en la tasa de respiración permite la acumulación de CO2 y mueve la
ecuación hacia la derecha,la concentración de hidrogeniones se incrementa y el pH del
fluído se reduce, lo que produce una condición conocida corno acidosis respiratoria. Si la
tasa de respiración es más rápida que lo normal, la ecuación se mueve hacia la
izquierda y resulta la alcalosis respiratoria. Esto ocurre comúnmente en aves como
resultado del jadeo debido al estrés por calor. Se puede controlar estos disturbios
metabólicos, por medio de aumentar o reducir la tasa respiratoria.
Sistema Fosfato: Todos los fosfatos en el animal vienen de la dieta, a un pH de 7.40,
la mayoría del fosfato en los compartimientos fluídos existe en la forma de las especies
iónicas H2PO4-1 y HPO4-2 , cuando el pH en los fluídos corporales comienza a decaer, la
especie HPO4-2 se vuelve importante corno un aceptante de protones y se convierte en la
especie H2PO4-1,así cuando el pH se eleva por encima de 7.40, la especie H2PO4-1 dona un
protón al fluído y se convierte de nuevo en la especie HPO42. El sistema fosfatos es el
amortiguador más importante en la orina,debido a que los protones excretados en la orina
son principalmente en la forma de la especie H2PO4-1.
Durante la acidosis prolongada, la amortiguación por fosfato es muy importante, lo cual
se relaciona con los huesos,debido a que son una buena reserva de amortiguadores
como el fosfato cálcico que se presenta en forma de hidroxiapatita,el cual no es muy
soluble, pero su solubilidad es mayor durante la acidosis y algo de fosfato cálcico en los
huesos se convierte en solución. Esto ocurre comúnmente en las ponedoras cuando los
huesos están suministrando calcio para la calcificación del cascarón de huevo,entonces,el
fosfato cálcico se disocia y se convierte en Ca+2 y PO4-3, inmediatamente la especie PO4-3
acepta un protón y se convierte en la especie HPO4-2. Durante la acidosis esta reacción
continúa y la especie HPO4-2 acepta otro protón y se convierte a H2PO4-1. Así pues, durante
la acidosis tos huesos...pueden ayudar a mantener el e.quilibrio ácido-base por medio
proporcionar la especie de fosfato que acepta protones, incrementando el pH al nivel desead
7,4
Hemoglobina : La hemoglobina es un amortiguador muy importante y sólo so encuentra
en la célula roja de la sangre. Sirve como un amortiguador excelente por varias razones.
Las dos razones principales son su alta concentración en la sangre y su altísimo
contenido del aminoácido histidina. Este aminoácido tiene una cadena lateral única
llamada imidazol. Esta cadena , puede atraer a los protones y sacarlos de los fluidos
corporales o puede donar protones dichos fluidos en el intento de mantener el pH cerca
de 7.40. Las otras proteínas en los compartimentos de fluído,
también le deben su
capacidad de amortiguar a esta cadena lateral. La albúmina es la proteína del plasma
más abundante y contribuye en forma significativa a la amortiguación de la sangre. El
fluido intracelular está lleno de proteínas que funcionan como el sistema más
importante de amortiguación dentro de la célula.En condiciones metabólicas la Hb se
comporta como un ácido débil y la oxihemoglobina como un ácido más fuerte que la
Hb reducida (es decir aquella que lleva un hidrogenión —> HHb).
Es importante anotar, que la Hb incide sobre el transporte del CO2 por la sangre,
veamos como lo hace:En las células por efecto de la respiración celular se produce
gas carbónico que pasa a la sangre penetrando los hematíes, quienes contienen la
enzima anhidrasa carbónica y convierten al CO2 en ácido carbónico (H2CO3), este se
disocia en iones bicarbonato e hidrógeno, que harían descender el pH, de no ser
capturados rápidamente por la HbO2~, que se transforma en oxihemoglobina
reducida(HHbO2).
Lección 3. Metabolismo ácido base en animales.
El equilibrio ácido-base del organismo animal está localizado en los compartimentos
líquidos. El agua representa aproximadamente el 60% del peso vivo de un animal
adulto y se distribuye en el líquido intracelular (alrededor del 60% del agua total) y el
líquido intersticial, con un 7 a 8% del agua total formando el agua plasmática (Meschy
F.,2000)
Gráfica 1.Composición química de los fluídos corporales (Tomado de
Meschy.,2000)
La gráfica 1, muestra la importancia del potasio, sodio, cloro y bicarbonato que tienen
un papel esencial en el mantenimiento del equilibrio iónico y por ende del metabolismo
ácido-base, ya que el proceso bioquímico de su regulación pasa por los sistemas
tampón o de intercambio iónico.po lo tanto, la ingestión de agua o de electrolitos
desplaza este equilibrio y puede traducirse en cambios temporales del tamaño de los
compartimentos líquidos.
La relación que existe entre electrolitos y equilibrio ácido-base se basa en los
mecanismos
de
absorción
digestiva
y
los
intercambios
iónicos
entre
los
compartimentos digestivos y sanguíneos. La absorción de cationes se hace “en contra”
de los iones H+ y tiene, por tanto, un efecto alcalinizante a nivel sanguíneo, mientras
que la absorción de aniones tiene un efecto inverso debido a la salida de iones
bicarbonato de célula sanguínea. El mantenimiento del equilibrio ácido-base dentro de
los valores fisiológicos pone en juego un sistema principalmente localizado a nivel
sanguíneo (poder tampón de los hematíes y del plasma) y renal.
La hipótesis clásica de compensación de la acidosis metabólica (Pitts, 1948)
considera que el pH plasmático y la concentración en bicarbonato sanguíneo se
mantienen en los valores normales por dos vías complementarias a nivel renal:
•
Reabsorción del bicarbonato en el tubo proximal del riñón ; en situación de acidosis la
casi totalidad del bicarbonato filtrado a nivel glomerular es rápidamente reabsorbido;
•
Salida de protones por acidificación intensa en el tubo distal .
Esta acidificación puede hacerse por dos vías: la del fosfato, generalmente admitida, y
la del catabolismo de la glutamina, hoy en día cuestionada (Atkinson y Bourke, 1995),
que no conduciría a la producción de amoníaco sino directamente ión amonio, sin
acción sobre el equilibrio ácido-base en esa zona de pH. Igualmente, es preciso tener
en cuenta la importante producción iónica derivada del metabolismo de los
aminoácidos o la utilización del bicarbonato en la ureogénesis. El pH de la orina es
ciertamente un indicador fiable (Patience, 1990) y sobre todo de más fácil
determinación que el pH sanguíneo o la concentración de bicarbonatos en plasma.
Lección 4: Balance electrolítico dietario (BED)
Un electrólito es una substancia que cuando se disuelve agua produce una solución de átomos
disueltos o iones con cargas eléctricas. Por ejemplo NaCl se disocia en solución y se vuelve a Na+1
y Cl-1 y cuando KHCO3 se disocia en solución se convierte en K+ y HCO3-1. . Las dietas de
animales no tienen ninguna carga eléctrica neta,por eso, todos los aniones con carga eléctrica
negativa están balanceados con los cationes de carga positiva. De la misma manera, en
todos los fluidos biológicos la suma de la carga positiva tiene que ser igual a la suma de la carga
negativa. Los electrólitos pueden tener diferentes efectos sobre el metabolismo y la fisiología y
por eso pueden afectar al equilibrio eléctrico y consecuentemente al equilibrio ácido-base y al
desempeño del animal. Enfermedades tales como enteritis resultan en una pérdida de
electrólitos,en consecuencia,se tienen que tomar medidas, como la suplementación de
electrólitos, para compensar los perdidos.El equilibrio de electrólitos es la diferencia entre la
concentración total de aniones y cationes dietéticos,así, los elementos minerales en la
dieta que tienen una carga eléctrica negativa se consideran elementos que forman ácidos y
recíprocamente los elementos que forman bases tienen una carga positiva .
La idea de manipular las concentraciones iónicas de la ración a fin de evitar las
consecuencias patológicas de la acidosis (o de la alcalosis) es bastante antigua y
encontró en los años 70 un primer campo de aplicación en avicultura. En rumiantes, la
primera aproximación ha sido para la prevención de la fiebre de la leche; más
recientemente han aparecido un cierto número de trabajos relacionados con la especie
porcina. La base es bastante simple: los aniones, a excepción del fosfato y del
bicarbonato, son acidógenos y los cationes son alcalógenos. Según el esquema de
Monguin(1981),el comportamiento de los electrolitos y equilibrio ácido-base es:
(An-Cat)in = acidez ingerida, donde: An:aniones y Cat:cationes
(An-Cat)or = acidez excretada
AEndo = acidez endógena
En estado de equilibrio :
(An-Cat)in + AEndo - (An-Cat)or = 0
Sobre esta base, se han propuesto varias ecuaciones, para monogástricos, se
mantiene generalmente el Balance Electrolítico (BED) expresado en mEq/kg de MS (ó
por 100 g) de alimento.Esto se puede representar de la siguiente forma:
BED =meq (Na+ + K+ - Cl-)/Kg dieta
También:
BED = (Na/23 + K/39 - Cl/35,5) x 1000
Con todo rigor, sería preciso probablemente tener en cuenta otros aniones y cationes
con la condición de que no sean metabolizados, es decir iones exclusivamente
destinados a la homoestasis ácido-base, y debería ser tenida en cuenta su eficacia de
absorción digestiva. Así, otras ecuaciones para rumiantes (Horst et al., 1997) y
porcinos han sido propuestas (Patience y Wolynetz, 1990), sin que por el momento
supongan una mejora sensible
.
Lección 5. Aplicaciones del balance electrolítico(BED) en animales.
Los primeros estudios sobre los efectos del equilibrio electrolítico de la ración sobre los
rendimientos fueron realizados con aves en los años 70. Sauveur y Mongin(1978)
encontraron una respuesta curvilínea de la velocidad de crecimiento cuando el BED
aumentaba, siendo el crecimiento máximo para un BED de alrededor de 250
mEq/kgEstos mismos autores también demostraron la existencia de una relación
estrecha entre la acidosis metabólica, caracterizada por un bajo contenido deL anión
bicarbonato: HCO3-
en el plasma, y la mayor frecuencia de discondroplasia tibial
Después de una docena de años, estudios similares han sido realizados con la
especie porcina. El destete se de un cambio brutal de la naturaleza y del modo de
presentación del alimento consumido por los lechones, los cuales necesitan una rápida
adaptación de su función digestiva. En particular, la acidificación del alimento en el
estómago debe ser suficiente para controlar el desarrollo de la flora bacteriana (E.
Coli) y permitir una actividad óptima de las enzimas digestivas. En el destete, esta
acidificación es difícil debido a la que la actividad secretora es pequeña y a que el
poder tampón de los alimentos (resistencia a la acidificación) es mucho más
importante que el de la leche (Bolduan et al., 1988). El poder tampón de los alimentos,
definido como la cantidad de HCl necesaria para bajar el pH a 3 (Boltshauser et al.,
1993) ó 4 (Bolduan et al., 1988)y
depende principalmente de su contenido en
proteínas y minerales. Paralelamente, también depende del balance electrolítico de la
dieta. Un poder tampón pequeño del alimento corresponde a un valor bajo de BED. En
la práctica, se recomienda utilizar durante este período (0-2 semanas postdestete)
alimentos que presenten un bajo poder tampón (Bolduan et al., 1988). Si bien el efecto
sobre el pH estomacal no ha sido claramente demostrado, la utilización de ácidos
orgánicos ha resultado ser interesante durante este período, sobre todo cuando la
dieta no contiene productos lácteos (Easter, 1988 ; Giesting et al., 1991). Sin embargo,
es preciso destacar que estas dietas con bajo poder tampón son igualmente
acidógenas a nivel metabólico, lo que podría tener una incidencia negativa sobre los
rendimientos.
Algunos trabajos han estudiado las posibles interacciones entre la adición de ácidos
orgánicos y de bicarbonato sódico (Krause et al., 1994, Giesting et al., 1991). En
dichos trabajos, los rendimientos óptimos generalmente se obtienen cuando la adición
de ácidos orgánicos está asociada a la incorporación de bicarbonato de sodio
Capítulo 2 : BIOACTIVIDAD DE ENZIMAS EN NUTRICIÓN ANIMAL
Leccción 1: Características de las enzimas
Son proteínas y por lo tanto, cualquier proceso que altere su estructura, como por
ejemplo: El calentamiento excesivo, adición de ácidos o bases fuertes, las
desnaturalizan, perdiendo su actividad biológica y catalítica.
Las enzimas son biocatalizadores de origen proteíco, altamente especializados, esto
significa que actúan casi siempre sobre una sola reacción o determinado tipo de
sustancias llamadas sustratos.
Así existen enzimas que hidrolizan únicamente almidones y se llaman amilasas,
otras hidrolizan grasas y se denominan lipasas. En general, el nombre de la enzima
depende de la sustancia sobre la que actúa y que se llama sustrato.Sin las enzimas
no podrían ocurrir actividades metabólicas como la respiración, la contracción
muscular, el crecimiento, la actividad cerebral o la digestión.
Al igual que los catalizadores inorgánicos, las enzimas no se destruyen durante el
proceso y porque su acción se limita a activar el sustrato, disminuyendo así la
energía de activación que necesita éste para transformarse en un producto
determinado.
1.1 Clasificación de las enzimas
Como
se
afirmó
anteriormente,
las
enzimas
son
catalizadores
altamente
especializados, esto significa que actúan casi siempre sobre una sola reacción o
determinado tipo de sustrato; así existen biocatalizadores que hidrolizan únicamente
almidones y se llaman amilasas, otras hidrolizan grasas y se denominan lipasas. En
general, el nombre de la enzima depende de la sustancia sobre la que actúa, es decir,
el sustrato, su clasificación se da con base en el tipo de reacción catalizada, como se
muestra en el siguiente cuadro:
Cuadro 1. Clasificación de los diversos tipos de enzimas
GRUPO
TIPO DE REACCIÓN
CATALIZADA
Òxido -reductasas
Reacciones de òxidoreducción
Transferasas
Transferencia de grupos
funcionales orgánicos
Deshidrogenasa
succínica
Catalasas
Transaldolasas
Aciltransferasas
Hidrolasas
Hidrólisis en presencia
de agua.
Carbohidrasas
Celulasas
Liasas
Adiciòn al doble enlace
Descarboxilasas
Pirùvico descarboxilasa
Ligasas
Unión de moléculas
utilizando ATP.
Glutamina sintetasa
polimerasas
Isomerasas
Reacciones de
isomerización
Triosa isomerasa
Fructosa isomerasa
EJEMPLOS
EJEMPLOS:
aisomerasa
GLUCOSA-6-P ⎯fosfohexos
⎯⎯⎯
⎯ ⎯→ FRUCTOSA-6-ISOMERASA
Pirùvico carboxilasa
ÀCIDO PIRÚVICO ⎯⎯
⎯ ⎯ ⎯⎯→ ÀCIDO OXALOACÈTICO
ureasa
H2N-CO-NH2 +3 H2O ⎯⎯
⎯→ 1CO2 + 2NH4OH
2H2O2 ⎯catalasa
⎯⎯→ 1O2 + 2H2O
Otras reacciones bioquímicas enzimáticas(RBE) que son importantes en el
metabolismo animal son:
•
En la glucólisis o ruptura de la glucosa sanguínea, la primera reacción
es catalizada por una ligasa denominante Hexoquinasa.
GLUCOSA + ATP
Hexoquinasa
GLUCOSA-6-FOSFATO +ADP
+H
•
La enzima alcohol deshidrogenase (una óxido-reductasa)
convierte en el hígado, el alcohol etílico, antes de que llegue al
cerebro, en acetaldehído, el cual es usado por la célula para
sintetizar grasas.
Lección 2. Mecanismo de reacción de las enzimas
El mecanismo de una reacción bioquímica enzimática(RBE),está relacionado con
las diferentes etapas que sigue el sustrato, para transformarse en producto. Dicho
mecanismo, fue propuesto por los doctores Leonor Michaelis y Maud
Menten(1913).y se muestra en la siguiente ecuación:
E+S
K1
K2
(E--S)*
K3
P+E
Esto implica que el enzima libre (E) puede captar en su centro activo una
molécula de sustrato (S), transformándose en el complejo activado enzima sustrato (ES)*, este complejo puede evolucionar de dos formas:
a)Libera el sutrato y regenera la enzima libre, cuando no alcanza la
suficiente energía de activación,es decir, invierte su reacción.
b) Transforma el sustrato en un producto final y regenera la enzima libre de
acuerdo a la cinética K3, cuando supera la barrera energética inicial.
Lección 3. Factores que afectan la cinética enzimática
Las reacciones químicas catalizadas por enzimas, dependen del pH, la
temperatura, el efecto de la concentración de la enzima y de la concentración del
sustrato.
A continuación, se analiza cada factor:
a) Efecto del pH
Debido a que las enzimas son de naturaleza proteica, las alteraciones en el pH
del medio modificarán profundamente el carácter iónico de los grupos aminos y
carboxilos de los aminoácidos que constituyen la proteína y en consecuencia
afectarán su poder catalítico. Es decir, a valores extremos de pH se produce una
inactivación de la enzima. Por lo tanto, es importante establecer m pH óptimo en
estudios enzimáticos, en el cual, la actividad catalítica de la enzima presenta un
rendimiento alto, conociendo este valor, la reacción se debe mantener en este rango
de pH por medio de un buffer o solución amortiguadora, lo mismo ocurre en la
célula, ya que un pequeño cambio en el valor de pH produce también graves
efectos sobre la actividad enzimática, incidiendo como es obvio en el metabolismo
del animal.
V
Vmáx
Ph óptimo
pH
La gráfica anterior nos muestra que cuando se modifica el pH en el transcurso de una
reacción enzimática, aparece un valor en el cual la velocidad es máxima, este punto se
denomina pH óptimo y por encima o debajo de dicho valor, la velocidad disminuye.
b) Efecto de la Temperatura
Al igual que el pH, las temperaturas extremas, afectan las reacciones enzimáticas,
dada su naturaleza proteica. Debido a esto, se observa que a diversas temperaturas, la
velocidad de la reacción cambia, tal como lo demuestra la ecuación de Arrhenius. Sin
embargo, a un cierto valor la velocidad de la reacción es máxima, lo cual nos indica una
TEMPERATURA ÓPTIMA de la misma, por encima o por debajo de esta temperatura la
enzima pierde actividad y la velocidad disminuye, tal como lo indica la figura 2
C) Efecto de la Concentración de la Enzima
La velocidad de una reacción enzimática varía, directamente proporcional a la
concentración de la enzima, por lo tanto a mayor [E] se incremente la velocidad, esto es
válido en presencia de un exceso de sustrato.
d) Efecto de la Concentración del Sustrato
Sí mantenemos la concentración de la enzima constante y variamos la
concentración del sustrato, podemos observar que cuando se aumenta la
concentración de éste, inicialmente hay un incremento notable en la velocidad de la
reacción, hasta alcanzar una velocidad máxima estable, después de la cual permanece
invariable por más sustrato que se le agregue. La curva hiperbólica de la figura nos
muestra que a baja concentración de sustrato la relación entre V y [S] es
prácticamente lineal y por lo tanto obedece a una cinética de primer orden con respecto
al sustrato, es decir: V =[ K]
A medida que se incrementa la concentración de sustrato se llega a una zona donde se
presenta una mezcla cinética de primer y segundo orden, finalmente, llega a una
región donde la velocidad es máxima, constante e independiente la concentración del
sustrato, aquí la cinética es de orden cero y no se modifica, poque la enzima ya está
saturada en sus centros activos con el sustrato, también observamos que en el punto
medio de la velocidad máxima aparece siempre una concentración de sustrato fija,
denominada constante de Michaelis, la cual se relaciona con la afinidad de la enzima
por el sustrato.El anterior análisis, nos indica que la cinética enzimática está
caracterizada por dos factores fundamentales: La velocidad máxima (Vmáx.) de la
enzima y la constante de Michaelis (Km)
L a ecuación cinética de esta gráfica hiperbólica es:
V
Sus parámetros cinéticos, se pueden explicar así:
a. LA VELOCIDAD MÁXIMA (Vmáx) de una reacción enzimática es el
límite de la velocidad cuando la concentración del sustrato tiende al
infinito y es causada por la saturación de los centros activos de la enzima
por el sustrato.
b. LA CONSTANTE DE MICHAELIS (Km) es la concentración del sustrato
en el cual la velocidad de la reacción enzimática es la mitad de su
velocidad máxima.
Lección 4. Cinética enzimática de Michaelis.
Los estudios sistemáticos del efecto de la concentración inical del sustrato sobre
la actividad enzimática comenzaron a realizarse a finales del siglo XIX. Ya en
1882 se introdujo el concepto del complejo enzima-sustrato como intermediario
del proceso de catálisis enzimática. En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten ,
desarrollaron esta teoría y propusieron una ecuación de velocidad que explica el
comportamiento cinético de los enzimas.
Para explicar la relación observada entre la velocidad inicial (v0) y la
concentración inicial de sustrato ([S]0, Michaelis y Menten propusieron que las
reacciones catalizadas enzimáticamente ocurren en dos etapas: En la primera
etapa se forma el complejo enzima-sustrato y en la segunda, el complejo enzimasustrato da lugar a la formación del producto, liberando el enzima libre:
En este esquema, k1, k2 y k3 son las constantes cinéticas individuales de cada
proceso y también reciben el nombre de constantes microscópicas de velocidad.
Según esto, podemos afirmar que:
v1 = k1 [E] [S]
v2 = k2 [ES]
v3 = k3 [ES]
Se puede distinguir entre enzima libre (E) y enzima unido al sustrato (ES), de
forma que la concentración total de enzima, [ET], (que es constante a lo largo de
la reacción) es:
[ET] = [E] + [ES]
Como [E] = [ET] - [ES], resulta que: v1= k1[S] [ET] - k1 [S] [ES]
Además, como [ES] es constante, la velocidad de formación de los productos es
constante:
v = v3 = k3 [ES] = constante.
Como v1=v2+v3, podemos decir que:
k1[S] [ET] - k1 [S] [ES] = k2 [ES] + k3 [ES]
Despejando [ES], queda que:
, en donde la expresión (k2+k3)/k1 se ha sustituído por KM, o constante de
Michaelis-Menten. Este enlace nos aporta una explicación sobre las razones que
hacen de la KM un parámetro cinético importante.
Para cualquier reacción enzimática, [ET], k3 y KM son constantes. Vamos a
considerar dos casos extremos:
•
A concentraciones de sustrato pequeñas ([S] << KM) v = (k3 [ET]/KM) [S].
Como los términos entre paréntesis son constantes, pueden englobarse en una
nueva constante, kobs, de forma que la expresión queda reducida a: v = kobs [S],
con lo cual la reacción es un proceso cinético de primer orden.
•
A concentraciones de sustrato elevadas ([S] >> KM), v = k3 [ET]. La
velocidad de reacción es independiente de la concentración del sustrato, y por
tanto, la reacción es un proceso cinético de orden cero. Además, tanto k3 como
[ET] son constantes, y nos permite definir un nuevo parámetro, la velocidad
máxima de la reacción (Vmax): Vmax = k3 [ET], que es la velocidad que se
alcanzaría cuando todo el enzima disponible se encuentra unido al sustrato.
Si introducimos el parámetro Vmax en la ecuación general de la velocidad,
obtenemos la expresión más conocida de la ecuación de Michaelis-Menten:
V
Hay enzimas que no obedecen la ecuación de Michaelis-Menten. Se dice que su
cinética no es Michaeliana. Esto ocurre con los enzimas alostéricos, cuya gráfica
v frente a [S] no es una hipérbola, sino una sigmoide . En la cinética sigmoidea,
pequeñas variaciones en la [S] en una zona crítica (cercana a la KM) se traduce
en grandes variaciones en la velocidad de reacción.
Lección 5. Enzimas exógenas en la nutrición animal(Granados et al.,2000)
Las enzimas son proteínas de estructura tridimensional sumamente comple ja.
Actúan sólo en condiciones definidas de temperatura, pH y humedad y únicamente con
substratos específicos (Btihler y colaboradores, 1998). El uso comercial de enzimas en
nutrición avícola, empezó hace algunos arios con la aplicación de Beta-glucanasas en
dietas a base de cebada, debido a su bajo contenido energético y pobre digestibilidad, por
la presencia de Beta-Glucanos, los cuales forman soluciones de elevada viscosidad en
el intestino de las aves, interfiriendo así con la correcta digestión y difusión de los
nutrientes de la ración alimenticia (Sorensen y Nielsen., 1998).
La utilización de enzimas en dietas balanceadas para aves, ha demostrado contribuir a]
mejoramiento de su comportamiento productivo en factores como: conversión alimenticia,
ganancia de peso y eficiencia en razón al aumento de la degradación de los componentes
antinutricionales de los piensos, basados principalmente en cereales como: cebada
centeno y trigo. El efecto antinutritivo de la cebada se atribuye principalmente al 1,3 - 1,4
Betaglucano, porque su porción soluble es mucho más elevada que la de los
pentosanos,(Buhler y colaboradores., 1998). Estos Betaglucanos son parecidos a la
celulosa y están conformados por moléculas de glucosa unidas entre sí por enlaces
Beta-glucosídicos 1, 4 y 1, 3. Estos son los que originan la intensa ramificación y la
posibilidad de acumulación de agua, que tiene un efecto antinutritivo por aumento de la
viscosidad. El contenido de betaglucanos en la cebada oscila entre 15 y 107 g/kg de
materia seca (Bühler et al.,1998). Otros componentes de la cebada, difíciles de digerir,
son el ácido tífico y sus sales denominadas Fitatos.
Dichas sales son ésteres del ácido hexafosfórico del inositol y pueden formar complejos
insolubles con proteínas y cationes divalentes como calcio, magnesio, Zinc y cobre. Esto
reduce la biodisponibilidad de estos nutrientes, haciéndolos difícilmente digeribles. En
consecuencia, el fitato es un factor antinutritivo en la dieta (Basf., 1997). El contenido
de fósforo tífico en la cebada tiene un rango de 2.2 gramos a 2.9 gramos por cada
kilogramo de materia seca (Bubler et al.,1998). Las sales del ácido fitico ó fitatos, sólo
pueden descomponerse por acción de las fitasas que no están presentes de forma
natural en el tubo digestivo de las aves de corral. Estas enzimas., son producidas en el
laboratorio por fermentación microbiana a partir del Aspergillus niger y son utilizadas en
animales monogástricos para degradar los fitatos, incrementando con ello la
biodisponibilidad del fósforo y otros componentes nutricionales de la dieta (Vahan.,
1997). La fitasa cataliza una reacción de defosforilación del fitato a través de un
mecanismo no definido (Hurtado y Resende., 1997).
El producto enzimático más utilizado en la producción de pavos es la fitasa. Fancon
(1997), utilizó esta enzima con 13 mil 280 pavos de las variedad But Big; observó que
se produjeron algunos efectos beneficiosos en los parámetros productivos especialmente,
en la ganancia de púa y el índice de conversión. Vahan (1997), encontró que esta
enzima además de mejorar la digestíbilidad del fósforo, incrementaba también la
digestibilidad del nitrógeno de los componentes de la dieta, aumentando los
rendimientos de carne y la velocidad de crecimiento.
Teniendo en cuenta que las enzimas permiten hacer uso de materias primas poco
utilizadas en la alimentación aviar, se decidió evaluar el efecto de la suplementación
de las enzimas: carbohidrasas, complejo (arabanasa + celulosa + betaglucanasa +
hemicelulosa xilanasa) y fitasa, en una ración alimenticia enriquecida con cebada y su
incidencia en el comportamiento productivo de gallopavos.
Capítulo 3: Biotermodinámica
LECCIÓN 1: Introducción a la termodinámica
La termodinámica es la ciencia que estudia las relaciones entre
calor y las
demás
que
formas
transformación
de
transferencias
biofisicoquímica
de
implica,
energía,
puesto
generalmente,
un
toda
cambio
energético.
Para abordar el estudio de la termodinámica es necesario revisar los conceptos de
Temperatura y Calor.
1.1 Temperatura (T)
La temperatura puede definirse como la propiedad termodinámica que cuantifica la
energía cinética molecular promedio de las moléculas existentes en cualquier
sistema,además, determina el flujo de calor y el equilibrio térmico,así, dos cuerpos
están a la misma temperatura si no hay transferencia de calor cuando se colocan
juntos.
1.1.1 Escalas de Temperatura
La más importantes son: La Celsius o centígrado (°C), kelvin(K), Farenheit
(°F) y la Rankine(°R)
La siguientes ecuaciones muestran la correspondencia matemática entre las
escalas:
K= °C + 273
°F=1,8°C +32
°R = °F + 460
1.2 Calor (Q)
El calor como propiedad termodinámica es una forma de transferencia de energía
debida a la diferencia de temperatura(∆T), entre dos sistemas,es decir, es energía en
tránsito que depende de T1 y T2.
Teniendo en cuenta el concepto de calor específico, como la cantidad de calor(Q)
que se debe suministrar a unidad de masa (m) para elevar la temperatura en 1
grado (∆T),se tiene que la ecuación fundamental del calor es:
Q= mCP ∆T
Donde:
Q = calor ganado o perdido por el sistema
m = masa de la sustancia en gramos
C p= calor específico de la sustancia,medido a presión constante, en cal/g°C
∆T= T2 -T1
T2 = Temperatura final del sistema
T1=
Temperatura inicial del sistema
Para efectos de resolver algunos ejercicios,se debe tener en cuenta los siguientes
factores de conversión:
Cuadro 1:Tipo de unidades y factores de conversión para masa y energía.
UNIDADES
CONVERSIONES
1g=1000mg , 1kg=1000g ;
MASA
1lb=454g
1kg=2,2 lb ; 1tonelada(t)=1000kg
1cal=4,18J ; 1kcal=4,18KJ
CALOR , TRABAJO Y
ENERGÍA
1kcal=1000cal ; 1KJ=1000J
1MJ =106J; 1Mcal =106 cal
1BTU=252 cal
g=gramos ; mg=miligramos ; lb=libras ; cal=calorías ; Kcal=kilocalorías ; J=Joule
KJ=kilojoule ; MJ=Megajoule ; BTU=British thermal unit
1.2.1 Calor de Combustión (Energía Bruta)
Cuando una sustancia orgánica se quema por completo hasta sus últimos
productos de oxidación, gas carbónico (CO2), agua(H2O) y otros gases, el calor
liberado se denomina energía bruta o calor de combustión y se expresa como la
variación de la entalpÍa (∆H) en Kcalorías por mol.
Ejemplo:
Para la Glucosa : ∆H = 673 Kcal/mol, lo cual indica que cuando 1 mol de glucosa, es
decir 180g, se oxidan completamente hasta CO2 y H2O, se generan 673 kilocalorías.
Esta medida es importante para determinar el contenido energético de los
alimentos, que el organismo utiliza y su determinación se efectúa en una
bomba calorimétrica. A nivel de nutrición animal es útil expresar la energía bruta en
Kcal/ g.
Ejemplo:
Para el Salvado de trigo : ∆H = 4,54 cal/g, esto significa que cuando 1 g de salvado
de trigo se oxida completamente, existe una liberación de 4,54 calorías o 19 Joules.
LECCIÓN 2: Postulados fundamentales de la termodinámica
2.1 Primera Ley
Enunciada por Robert Meyer en 1841, es el principio de la conservación de la energía y
puede definirse así: La energía total de un sistema aislado permanece constante, es
decir, la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma de un tipo a otro. Por lo
tanto, cuando desaparece una clase de energía debe producirse una cantidad
equivalente de otra clase.
Cualquier cambio en el estado del sistema, incluye un cambio en la energía interna
(∆E) igual a la cantidad de calor (Q) absorbida por el sistema menos la cantidad de
trabajo (W) realizado por el mismo, esto se puede escribir así:
∆E = Q - W
Teniendo en cuenta, que el calor es una forma de energía, fácilmente
cuantificable, la mayor parte de las investigaciones sobre las equivalencias e
intercambios de energía que tienen lugar en los procesos fisicoquímicos fueron
analizados con base en los cambios caloríficos de un sistema termodinámico.
La energía Interna(∆E), se define como la capacidad intrínseca de un sistema para
producir trabajo, incluye todas las formas de energía y resulta del movimiento de las
moléculas, la atracción intermolecular y otros factores fisicoquímicos.
∆E es una función termodinámica de estado, porque depende únicamente de los
estados inicial y final del sistema, esto significa que es independiente de la tayectoria
de una transformación, así el calor de combustión de la glucosa se puede determinar
por incineración ó a nivel metabólico.
En un organismo animal, ocurren un múltiples reacciones bioquímicas que constituyen
el metabolismo bioenergético. Esta serie de reacciones, se subdividen en 2
categorías básicas: el catabolismo, que implica la desintegración de macromoléculas
en otra más sencillas y el anabolismo, que se refiere al proceso inverso, es decir, a la
síntesis o formación de productos bioquímicos destinados a la estructura del
protoplasma celular.
En toda esta cadena de procesos químicos, se requiere en mayor ó menor
cantidad la energía, por lo tanto, es importante pensar ¿De dónde se pro
duce?, ¿Cómo se produce?, ¿en dónde se almacena?, ¿cómo se utiliza?. Para dar
respuesta a esta serie de interrogantes, comenzaremos por afirmar que la energía
utilizada, es extraída gradualmente de los alimentos (carbohidratos, lípidos y
proteínas) a través de tres etapas fundamentalmente oxidativas: Hidrólisis,
formación de Acetil CoA y ciclo de Krebbs con la fosforilación oxidativa, los
productos finales de estas etapas son el gas carbónico, agua y lo más importante:
ENERGÍA, La cual es almacenada en una molécula extraordinaria: El ATP ó
Adenosín Trifosfato.
2.2 Segunda ley de la Termodinámica
La primera ley de la termodinámica, no establece la dirección de flujo del calor, ni
tampoco clarifica sus efectos de éste sobre el sistema y sus entorr Debido a esto,
los eminentes científicos Rudolf J.E. Clausius, lord Kelvin y > Planck, trataron de
generalizar estos conceptos, para así, darle el sentido a las transformaciones
termodinámicas. Con base en sus trabajos experimentales llegaron a los
siguientes enunciados.
a. Primer
enunciado
(Según
kelvin-Planck):
No
es
posible
diseñar
una
máquina térmica capaz de convertir todo el calor absorbido en trabaje.
Esto significa que la eficiencia o rendimiento de las máquimas térmicas
en menor del 100%.
b. Segundo enunciado (Según Clausius): El calor fluye espontáneamente de
un foco más caliente a un foco más frío y no viceversa.
De estos enunciado, puede deducirse lo siguiente:
- Todos los procesos de la naturaleza tienden a cambiar espontáneamente
en una dirección que conduzca al equilibrio.
- El calor no se transforma en trabajo, sin producir cambios permanentes
en los sistemas o sus proximidades.
- La energía se degrada.
Ejemplo, sí calentamos previamente una barra de hierro y luego la aislamos el calor
no
se
concentrará
únicamente
en
un
extremo,
sino
que
se
distribuirá
uniformemente en toda la barra, marcando la dirección de flujo de calor desde el
punto más caliente hasta el extremo más frío.
2.2.1 Características de la Entropía(∆S)
a. La entropía puede considerarse como la medida del desorden de un
sistema termodinámico.
b. En un proceso reversible la entropía global no cambia, es decir ∆S = O,
porque ésta depende únicamente de los estados inicial y final del sistema.
c. En todo proceso irreversible la entropía total aumenta, luego ∆S > O
d. A
una
temperatura
dada,
los
sólidos
tienen
una
entropía
relativamente
baja, los líquidos una cantidad intermedia y los gases la entropía más alta.
e. Al aumentar la temperatura, la entropía y el desorden crecen.
f. En general, se puede afirmar que la entropía del universo va en aumento
ya que la mayoría de los procesos termodinámicos son irreversibles.
g. Cuando
los
organismos
vivos
se
desarrollan,
disminuyen
su
entropía
(∆S<0), por causa del orden estructurado de la materia viva. Pero el
descenso se produce a expensas de un incremento entrópico del medio
ambiente.
h. En un sistema, la energía útil está organizada y cuando se utiliza en realización de un
trabajo se convierte en calor, que es una forma de energía, basada en el movimiento
caótico de átomos y moléculas, por lo tanto, incrementa el desorden del sistema y por
consiguiente la entropía.
En síntesis, podemos afirmar que todo proceso natural se realiza con un incremento
entrópico y que la dirección del cambio es aquella que conduce a tal aumento. Este
enunciado es la forma más general de la segunda ley de la termodinámica, luego los
otros casos indicados son formas particulares de esta ley.
LECCIÓN 3. Energía libre metabólica (∆G) y equilibrio
Debido a que el cambio entrópico, no es fácilmente medible en una reacción
bioquímica, el profesor Josiah.W. Gibbs , propone una función termodinámica de
estado, que relaciona el cambio de entalpía (∆H) y el cambio entrópico del sistema
a presión y temperatura constantes, la cual se denomina Energía Libre de Gibbs (∆G)
La ecuación básica es la siguiente:
∆G =(∆H) - T(∆S)
Esta ecuación de gran aplicación en bioquímica, puesto que combina la primera y
segunda
leyes
de la termodinámica, proporcionando información valiosa
acerca de la espontaneidad, sentido y estado de equilibrio de una reacción
bioquímica.
3.1 Características de ∆G
a. La energía libre de Gibbs mide la energía necesaria que necesita un sistema
para realizar un trabajo útil.
b. La energía libre del Gibbs es la fuerza impulsora de las reacciones bioquímicas
enzimáticas(RBE)
c.
Sí
el
cambio
en
la
energía
libre
es
negativo
la
RBE
se
produce
espontáneamente, por lo tanto, se dice que es exergónica, catabólica libera energía.
d. Sí el cambio en la energía libre es positivo la RBE no se produce
espontáneamente, por lo tanto, se dice que es endergónica, anabólica y requiere el
suministro de energía para que ocurra.
e. Sí el cambio en. la energía libre es cero (0), el sistema está en equilibrio, y
no se produce ninguna reacción(RBE)
De esto se puede concluir, que una reacción química RBE, se produce, siempre y cuando
disminuya la energía libre de Gibbs, es decir ∆G<0.
Figura 2.Rutas catabólicas de la glucosa y producción de energía.
C6 H12 O6 + 6O2
6 CO2 + 6 H20 ;
∆G= - 2.866 kJ/mol (686 kcal/mol)
Vistas aisladamente las reacciones bioquímicas son de dos tipos: unas que liberan energía al
producirse y otras que consumen energía. Las reacciones que liberan energía son llamadas
reacciones exergónicas y en ellas ∆G es negativo; las reacciones que consumen energía para
producirse son endergónicas y ∆G es positivo.
Por ejemplo, la reacción de oxidación de la glucosa es exergónica, porque libera energía.
C6 H12 O6 + 6O2
6 CO2 + 6 H20 ;
∆G= - 2.866 kJ/mol (686 kcal/mol)
No debemos confundir el cambio energético de una reacción con la liberación de calor. Si
señalamos la liberación de calor en esta reacción, pondríamos más (+); sin embargo, como
lo que representamos es el cambio energético, ∆G tiene signo negativo (-), que expresa lo
que le sucede a la reacicón, o sea, pierde energía. Quiere esto decir que el segundo
miembro de la ecuación tiene 2866 kJ(686) kcal) menos que el primero y la reacción en su
conjunto se desplaza hacia la derecha. La fijación del CO2 , realizada en las plantas, es
endergónica, que consume energía, y ∆G en este caso es positiva. Como es lógico suponer,
las reacciones exergónicas deben ir acompañadas obligatoriamente de otra reacción que
libera la energía necesaria para que se produzca la reacción endergónica. De forma que
visto el proceso en su conjunto y como una sola reacción, estas serían de tipo exergónica.
Igualmente, al considerar todas las reacciones que ocurren en un momento dado en un
organismo animal como una sola, sería de tipo exergónico , liberadora de energía. Así
debemos considerar también el metabolismo; por un lado reacciones de síntesis
(anabolismo), que consumen energía y por otro lado reacciones de degradación
(catabolismo) que liberan la energía necesaria para las primeras y donde siempre la energía
liberada tiene que ser mayor que la consumida.
Lección 4. ATP, Cofactor energético
El adenosín trifosfato ó trifosfato de adenosina(ATP),es considerada como una
biomolécula energética, con alto potencial de transferencia de grupos fosfato y
Cuyo papel fundamental es el de transportar la energía libre(∆G), de las
reacciones bioquímicas enzimáticas metabólicas(RBEM).
Dicha biomolécula tiene tres componentes básicos:
Una base nitrogenada púrica denominada:Adenina ,un monosacárido pentosa
llamado ribosa y tres grupos fosfatos enlazados mediante enlaces químicos
fosfoanhídridos de éster,los cuales almacenan y transportan la energía
metabólica.
La estructura de la molécula,se muestra a continuación(Lehninger.,2000)
Figura 3. Estructura molecular del ATP(Lehninger.,2000)
Es así como el enlace del último radical fosfato contiene unas 7300 calorías por mol, lo
que significa que cuando éste se rompe por hidrólisis, se deben liberar 7300 calorías
por mol, es decir:
ATP + H2O <======> ADP + Fosfato + 7300 calorías
Esta energía química del ATP la utiliza la célula en su trabajo biológico, transformándola
en energía mecánica, eléctrica, térmica y por último en calor
La reacción anterior es reversible, lo cual indica, que para formar una molécula de ATP,
debe presentarse la reacción entre el ADP(Adenosín difosfato) y una molécula de
fosfato, con un suministro de 7300 calorías por mol, por lo tanto, este proceso consume
energía.
Es importante el análisis cuantitativo de esta energía producida en un organismo
animal, por eso, su valoración se fundamenta principalmente en el calor desprendido o
liberado por éste, en una bomba calorimétrica o calorímetro de respiración, con este
aparato, se lleva cuenta del ingreso de alimentos, agua y oxígeno, de la excreción de
sólidos, líquidos, gases y la producción de calor.
Esta medición se denomina calorimetría directa y sirve para efectuar un balance
energético en la nutrición animal, es decir, el análisis de energía metabolizable,
energía neta y energía nutritiva total, esenciales en el estado nutricional del animal.
La energía utilizada, es extraída gradualmente de los alimentos (carbohidratos, lípidos y
proteínas)
a
través
de
tres
etapas
fundamentalmente
oxidativas:
Hidrólisis,
formación de Acetil CoA y ciclo de Krebbs con la fosforilación oxidativa, los
productos finales de estas etapas son el gas carbónico, agua y lo más importante:
ENERGÍA. La cual es almacenada en una molécula extraordinaria: El ATP
Lección 5 Flujo y tipos de energía en los animales.
La fuente primaria de toda la energía utilizada por los animales, las plantas y
todos los organismos vivos del planeta está en la energía liberada por el sol.
Esta es captada por las plantas en el proceso de la fotosíntesis, con la
formación de cadenas carbonadas (glucosa, ácidos grasos, aminoácidos, etc.)
que conservan dicha energía y de donde posteriormente los animales la
obtienen para suplir sus necesidades.
Todas las complejas funciones del organismo animal son realizadas por medio
de la energía. Así, el trabajo celular, la biosíntesis, el trabajo osmótico, el
trabajo mecánico y demás funciones orgánicas, son posibles gracias a la
energía, la cual toma de los productos ingeridos, que al ser oxidados en el
organismo animal, liberan la energía contenida en ellos.
En los animales superiores la temperatura se mantiene constante a 37°
Celsius, esto hace que no se pueda utilizar el calor como fuente de energía
para realizar el trabajo. Sin embargo, los animales realizan trabajo; la razón de
ello es que la energía producida en las reacciones química a nivel celular es
captada en forma de energía química y utilizada posteriormente para el trabajo
celular.
En este aspecto el ATP juega un importantísimo papel como transportador de
toda la energía química requerida en todas las reacciones del metabolismo. Su
formación, a partir del ADP y el fósforo inorgánico, está acoplada a la
degradación de las moléculas que actúan como combustibles y que liberan la
energía requerida para ello. Posteriormente el ATP libera su energía la cual es
usada para todo el trabajo celular. Tal es el ciclo que se establece entre las
plantas y los animales y el papel del ATP como intermediario en los
intercambios de energía a nivel celular, tanto en las plantas como en los
animales.
El ciclo energético en su conjunto incluye los siguientes aspectos:
1. La fotofosforilación. Es decir, la captación de la energía de las radiaciones
solares en los cloroplastos de las plantas verdes y su transformación en
energía química en forma de ATP.
2. La utilización de la energía química del ATP para la formación de sustancias
orgánicas tales como glúcidos, lípidos, aminoácidos, etc., por los vegetales,
donde a partir del CO2, y del H2O, se forman las cadenas carbonadas que
serán posteriormente utilizadas por los animales.
3. La respiración celular en las mitocondrias de las células de los animales,
donde estos productos son oxidados a CO2, y H2O liberando su energía que es
utilizada para la síntesis del ATP (fosforilación oxidativa).
4. La utilización de la energía del ATP formado para realizar todo el trabajo
celular, que incluye el trabajo químico o biosintético (síntesis de proteínas,
glúcidos, lípidos, y otras biomacromoléculas ).
5.1Tipos de energía en los animales.
A partir de los aspectos antes analizados, sobre todo el flujo de energía en la
naturaleza y el sistema representado por la cadena respiratoria y la
fosforilación oxidativa, se comprende el papel de la energía dentro del
metabolismo.
Es importante señalar que toda la energía requerida por un sistema metabólico
debe estar presente y por supuesto suministrada por el entorno. Es decir, los
animales requieren del suministro constante de energía la cual obtienen de los
productos alimenticios ingeridos y los vegetales del sol.
La energía contenida en los alimentos ingeridos recibe el nombre de energía
bruta (EB) y se obtiene por combustión completa del alimento en base a
materia seca. La energía bruta de un alimento está dada por la relación que
contenga de carbohidratos, proteínas, grasas y otros compuestos orgánicos.
Un gramo de carbohidrato produce por combustión 4.10 kcal, un gramos de
proteínas 5,65 kcal y un gramo de grasas 9,45 kcal. Como es lógico el
incremento de proteínas y sobre todo de grasas en la composición del alimento
aumenta el valor energético de los mismos.
Estos conceptos son muy aplicados en nutrición animal para establecer
diferentes tipos de dietas.
Si a la energía bruta (EB) le descontamos la energía perdida por las heces (EF)
debido a los alimentos sin digerir, así como, a las secreciones del aparato
digestivo, restos celulares, microbios entéricos, etcétera, se obtiene la energía
digestible (ED). La energía digestible depende del coeficiente de digestibilidad
de la ele la dieta lo cual se debe fundamentalmente a la composición química
su solubilidad y posibilidades de hidrólisis, por las enzimas el aparato digestivo
de cada especie animal. La energía digestible varía mucho en dependencia del
alimento y es un concepto de mayor utilidad que el de energía bruta.
Si de la energía digestible descontamos la energía urinaria, debido a productos
absorbidos no oxidados y la energía perdida por los productos gaseosos de la
digestión, sobre todo del metano en los rumiantes, obtenemos la energía
metabolizable (EM). La energía metabolizable
representa la suma de la
energía de todos los productos asimilados una vez descontadas las pérdidas
anteriores. Es un índice de gran valor pues a partir de ella, deducido la energía
por el incremento del calor, se obtiene la energía neta (EN) del metabolismo.
La energía neta responde a la energía usada directamente en las funciones
celulares tanto la de mantenimiento (EN de mantenimiento) es decir la energía
del metabolismo basal, actividad corporal, etc. Y la energía de producción (EN
de producción) referida a la energía para crecimiento, trabajo, producción de
leche, lana, reproducción, etc.
Por supuesto todos estos conceptos tienen una utilidad práctica en los
sistemas de alimentación sobre todo el concepto de energía digestible. A nivel
metabólico como ya habíamos expresado se une el término de energía libre
para ver la tendencia de las reacciones. Se refiere a la energía capaz de
realizar trabajo biosintético, osmótico o mecánico y representada por las Kcal
captadas en los enlaces macroenergéticos del ATP a partir de la oxidación de
un mol de glucosa, de ácido graso o de aminoácido. Es decir son conceptos
diferentes pues cuando hablamos de energía bruta o energía metabolizable se
refiere a energía de combustión.
Por ejemplo:
1 gramo de glucosa produce 3,76 Kcal de EB
1 gramo de ácido palmítico produce 9.35 Kcal de EB
Mientras la energía química obtenida en forma de enlaces macroenergéticos
del ATP es:
1 gramo de glucosa: 1.48 Kcal
1 gramo de ácido palmítico 3,58 Kcal
Es decir hay una captación de un 39% para la glucosa de la energía total de
estos compuestos y de un 38% para el ácido palmítico.
Estos conceptos son muy útiles a la hora de entender el flujo energético en la
naturaleza pues permite comprender que en el paso de los compuestos por
todos los procesos metabólicos, por ejemplo de la glucosa al CO2 hay unas 21
reacciones, se va liberando energía en forma de calor e incrementando la
entropía, en definitiva
UNIDAD 2. METABOLISMO ANIMAL SOSTENIBLE
Introducción
En primer lugar, el metabolismo constituye una propiedad inherente de la vida.
Todas las formas de vida, desde el microorganismo más simple, las plantas, los
animales superiores, hasta el hombre, se manifiestan como sistemas altamente
organizados, pero que necesitan obligatoriamente intercambiar constantemente
sustancias y energías con el medio que los rodea o entorno. En este sentido,
todas las formas vivientes deben considerarse como sistemas abiertos. Del
medio
toman
los
productos
necesarios,
los
transforman
haciéndolos
asimilables, y con ellos forman sus propias estructuras al mismo tiempo que se
destina, por otro lado, considerables cantidades de estos productos para la
obtención de la energía requerida para todos los procesos vitales del
organismo. Todo esto es el metabolismo el que está representado por el
conjunto de reacciones que constantemente están sucediendo en cada
organismo vivo en un momento determinado. Metabolismo es sinónimo de vida,
donde hay vida hay metabolismo, cuando cesa la vida cesa el metabolismo.Por
lo tanto , debe asegurar la asimilación de todos los productos necesarios para la célula.
Esto al aparecer es simple, sin embargo, tiene su complejidad. Como es conocido
los animales no pueden usar los productos tal como se presentan en los alimentos.
Es decir, el animal tiene que transformar las proteínas, los carbohidratos, los lípidos,
etc., presentes en la dieta, en productos que él pueda usarlos, es decir, en sus
elementos constitutivos, tales como aminoácidos, monosacáridos, ácidos grasos,
glicerol etc. Para ello el primer proceso metabólico a considerar es la hidrólisis y
absorción de los alimentos ingeridos. Esto se hace posible por la existencia a lo
largo del tubo digestivo de sistemas enzimáticos, pertenecientes a las hidrolasas, que
hidrolizan las proteínas, las grasas, los carbohidratos,
liberando sus elementos
estructurales, los cuales son absorbidos. Para este segundo aspecto también el
organismo animal dispone de sistemas especiales de transporte activo que aseguren
el paso a la sangre y su posterior distribución a la célula de todos los elementos
requeridos que van desde los aminoácidos, la glucosa y los ácidos grasos hasta el
agua, las vitaminas, los minerales y otros factores más. No debemos olvidar que el
metabolismo, a nivel celular, requiere del aporte constante de O2, por lo que existe un
sistema encargado de su captación y su posterior traslado a las células. Con todo
esto se cumple el primer objetivo.
Pasemos ahora a una segunda fase, lo que algunos llaman metabolismo
intermediario, por la forma escalonada y constituido por infinidad de pasos intermedios.
El segundo objetivo del metabolismo está dado por la necesidad de la célula de
disponer de fuentes de energía química para realizar todo el trabajo celular; es
decir, asegurar la síntesis de ATP. En Líneas generales esto está formado por las
diferentes vías catabólicas que van degradando las sustancias combustibles
utilizadas para este fin. Cómo está organizado este aspecto. En primer lugar los
principales compuestos combustibles tienen vías oxidativas particulares, que
confluyen en una vía oxidativa común final. Estas vías catabólicas son: La
desaminación oxidativa para los aminoácidos; la glucolisis para la glucosa y la
beta oxidación para los ácidos grasos. Los productos finales de estas tres vías
catabólicas confluyen en una vía común final conocida como ciclo de Krebs o ciclo
tricarboxílico. Todas estas vías tienen como función principal apartar equivalentes
de reducción, en forma de NADH o FADH a la cadena respiratoria para la
síntesis de ATP.
En estos aspectos no se debe ser absoluto, pues muchos de estos productos finales,
son a su vez, punto de partida para la síntesis de innumerable cantidad de
compuestos; sin embargo, la tendencia general de estas vías es oxidar los
compuestos a CO2 y H20. De esta manera se asegura, por combustión química, la
energía requerida para todos los procesos celulares.
Pasemos ahora al siguiente objetivo conocido como trabajo biosintético, o sea, la
formación de las sustancias y estructuras propias de cada animal en particular. En
este proceso, que a grandes rasgos constituye el anabolismo, se forman todos los
elementos requeridos para las células. En primer lugar está la biosíntesis proteica,
mediante la cual se aseguran la disponibilidad de todas las proteínas necesarias para
las funciones celulares. Este proceso, es, sin duda, el más importante dentro de
todo el trabajo biosintético, dada las funciones de las proteínas y su participación en las
estructuras celulares y de los tejidos. Para esto se utilizan grandes cantidades de ATP
Al estudiar los procesos metabólicos podemos hacer ciertas abstracciones y
estudiar casos particulares; por ejemplo: el metabolismo de la glucosa, el de la
urea, etcétera. También podemos generalizar más estos conceptos y hablar del
metabolismo de los glúcidos y metabolismo de las proteínas; igualmente
podemos referirnos al metabolismo celular y al metabolismo hepático o renal;
sin embargo, no debemos perder de vista que el metabolismo es uno solo y
que todos los procesos metabólicos del animal están íntimamente relacionados
y poseen estrecha dependencia.
El metabolismo está constituido por dos fases: anabolismo y catabolismo, o
fase anabólica y fase catabólica. Además, en algunos procesos metabólicos se
puede considerar un estado intermedio o anabolismo.
pueden darse generalmente dos tipos de RBE: reacciones de síntesis donde
se pasa de sustancias simples a sustancias complejas; éstas constituyen el
anabolismo y están caracterizadas por la síntesis y reacciones donde el
proceso es a la inversa, o sea, reacciones de degradación donde las
sustancias complejas se degradan en otras más simples, que constituyen el
catabolismo. Ambas reacciones forman un todo y sólo podemos verlas aisladas
en su estudio particular, pues para que existan las primeras (anabolismo) son
necesarias las segundas (catabolismo).
La vida se caracteriza por el constante intercambio de sustancia y energía con
el medio. La materia que se encuentra formando parte de los organismos vivos
presenta, sin duda, el más alto grado posible de organización. Este grado de
organización requiere, como veremos más tarde, de cantidades apreciables de
energía la cual es obtenida a partir de la degradación de las sustancias
adquiridas del entorno. La organización de estructuras estables, la formación
de compuestos bioquímicos, la síntesis de las hormonas, proteínas, lípidos,
etcétera, todo lo cual constituye el anabolismo, requiere de cantidades
apreciables de energía, la cual debe ser producida a partir de la degradación y
posterior oxidación de parte de las sustancias asimiladas (catabolismo). Se
comprende perfectamente que la cantidad de energía liberada en el
catabolismo tiene que ser mayor que la consumida en el anabolismo para que
el proceso, como un todo, transcurra en ese sentido.
Por ejemplo, para sintetizar una molécula de proteína (reacción anabólica por
excelencia) primero hay que oxidar otra sustancia que aporte la energía para
ello (por ejemplo, la glucosa). La cantidad de energía producida en el segundo
proceso (catabolismo) tiene que ser mayor que la consumida en el primero
(anabolismo) para que el hecho se produzca, de aquí llegamos a la conclusión
antes señalada.
Quiere esto decir, que entre el anabolismo y el catabolismo se establece una
unidad y una interdependencia total. La división entre el anabolismo y el
catabolismo se hace con fines didácticos y haciendo abstracción de uno u otro
proceso; sin embargo, esto no debe llevar a la idea de la existencia aislada de
ambos procesos.
El siguiente esquema, representa las características fundamentales del
metabolismo animal.
NUTRIENTES
ENERGÉTICOS
CARBOHIDRATOS
GRASAS
PROTEÌNAS
PRODUCTOS
FINALES
ADP
NAD+
FAD+
ATP
NADH2
FADH2
BIOPOLÌMEROS
MACROMOLECULARES
CELULARES
POLISACÀRIDOS
LÌPIDOS
PROTEÌNAS
ÀCIDOS NUCLEÌCOS
CO2
H2 O
NH3
CATABOLISMO
ENERGÌA
QUÌMICA
BIOMOLÈCULAS
PRECURSORAS
ANABOLISMO
MONOSACÀRIDOS
AMINOÀCIDOS
ÀCIDOS GRASOS
BASES
NITROGENADAS
Figura 4.Vías directas del metabolismo animal
RBE y sostenibilidad
El establecimiento de sistemas agropecuarios sostenibles, que permitan el desarrollo racional
con un uso adecuado de los recursos naturales sin comprometer el futuro, preservando el
medio ambiente y la biodiversidad, son temas de actualidad que preocupan a la
comunidad científica del mundo entero.
En los últimos decenios se han venido produciendo cambios en el equilibrio
metabólico a nivel mundial entre los organismos autótrofos y los heterótrofos los cuales
presagian, de seguir las tendencias actuales, serios problemas en la cadena alimentaria, los
sistemas ecológicos, la biodiversidad y en definitiva en toda la biología y en el futuro de
la humanidad. El crecimiento de las zonas urbanas, la contaminación de los mares, ríos y
sistemas fluviales, (sobre todo por la afectacíón de las algas fotosintéticas) la
deforestación de grandes zonas del planeta, los problemas de la erosión y la
desertificación, la afectación de la capa de ozono, los residuos, el calentamiento de la
atmósfera y otros grandes problemas de la actualidad, unido al incremento de la
población mundial y al necesario incremento del número de animales, como fuente
de alimentos para el hombre, con la utilización de grandes zonas de pastoreo y de
producción de alimentos para los mismos, hace que este equilibrio se torne cada día más
precario. Los organismos autótrofos (fotosintéticos) son responsables,
mediante la utilización de la energía solar, de la fijación del CO2 con la formación de
cadenas carbonadas (glúcidos, lípidos y aminoácidos) con alto nivel de
organización y baja entropia requeridas por los organismo heterótrofos. Al
mismo tiempo durante la fotosíntesis se libera el O, requerido para el
metabolismo animal. Igualmente las necesidades de nitrógeno proteico de los
animales se solucionan mediante la fijación del N, atmosférico, de los nitritos y
nitratos realizadas por los microorganismos y los vegetales. A esto hay que
agregar el exceso de utilización de los combustibles fósiles que durante millones
de años ha acumulado la naturaleza con el consecuente aumento del CO2
Igualmente hay que considerar los problemas de la llamada "revolución verde"
donde los incrementos de la producción vegetal y animal se han debido, en muchos
casos. a un exceso de quimización de la agricultura y al uso, cada día más marcado de
pesticidas, fungicidas, antibióticos, hormonas, etc., cuyos efectos residuales se van
acumulando en los animales domésticos y sus productos y al final pasan al
hombre, último eslabón de la cadenas alimentaria,por todo ello es necesario
revalorizar todas las tecnologías que se utilizan hoy día para incrementar el
metabolismo animal, sin que ello signifique abandonar el uso de la técnica y de las
tecnologías más avanzadas, ajustándolas al concepto de sostenibilidad en el
amplio sentido de lo que ello significa
Capítulo 1. Metabolismo de carbohidratos en monogástricos y
rumiantes
Lección 1:Regulación del metabolismo
Todos
los
procesos
metabólicos
en
los
animales
domésticos
están
perfectamente regulados y controlados, lo que asegura el mantenimiento de
las condiciones necesarias para el desarrollo adecuado de las funciones
orgánicas.
Los elementos a controlar y a regular en el organismo de un animal superior
constituyen miles de sistemas y van desde el nivel de oxidación de una glucosa
a síntesis de una proteína hasta la regulación del volumen acuoso, la
concentración iónica, la presión sanguínea y muchos más. Todos estos
sistemas tienen la responsabilidad de mantener, dentro de límites fisiológicos,
la invariabilidad di medio interno manteniendo las condiciones constantes del
mismo, o sea, la homeostasis celular.
En el organismo animal los mecanismo de control y regulación de las
actividades metabólicas pueden ser analizados desde diferentes planos. En
primer lugar regulación hormonal y en el tercer lugar, la regulación nerviosa.
La regulación bioquímica a nivel de cada célula está influenciada por múltiples
factores y condicionada, en primer lugar, a las necesidades de energía y
estructure para mantener el trabajo celular. A este nivel debemos considerar
que la velocidad de una reacción bioquímica puede depender del pH,
temperatura, concentración de sustratos y productos u otros elementos que
ejercen su acción local en cada célula.
Por otra parte, muchas enzimas se encuentran asociadas a nivel molecular,
formando sistemas multienzimáticos, que catalizan vías metabólicas en su
conjunto. Por ejemplo, la vía de la glucólisis, el ciclo de Krebs, o la cadena
respiratoria, vías que incluyen 10 ó 12 reacciones, que requieren de otras
tantas enzimas para su realización. A nivel celular existen también otros
mecanismo moleculares representados por la activación o inactivación de las
enzimas de determinada vía. A modo de ejemplo,citamos el caso de la
degradación y la síntesis del glucógeno, según será analizado en el
metabolismo de los glúcidos. Este mecanismo actúa por la incorporación de
determinados radicales, grupos fosfatos, etcétera, en determinadas zonas del
sitio activo de las enzimas activándolas o inactivándolas y con ella regulando el
proceso metabólico que ellas catalizan.
Por último, como mecanismo de regulación celular haremos referencia a la
regulación alostérica. En los sistemas multienzimáticos se presentan enzimas
que tienen el carácter de enzimas reguladoras, pues el estado de la misma
determina la velocidad de reacción del sistema, son las llamadas enzimas
claves o llaves de una determinada vía. Generalmente estas enzimas
presentan carácter alostérico y muchas son multivalentes, es decir, pueden
responder a dos o más metabolitos
Lección 2:Anabolismo y catabolismo de carbohidratos.
Incluye el metabolismo de los glúcidos varios aspectos de especial importancia
para el organismo animal, entre otros: todo lo relacionado con el metabolismo
del glucógeno, su síntesis (glucogenogénesis), su degradación (glucogenólisis),
y la regulación hormonal y enzimática de este proceso. Además tenemos la
glucólisis y asociada a ella, el ciclo de Krebs. Por último, gluconeogénesis y la
vía oxidativa colateral de la glucosa.
Todos estos aspectos serán estudiados, comenzando por la digestión y
absorción de los glúcidos como paso previo para la entrada de la glucosa y
otros glúcidos a la célula.
Debemos también referir aquí algunas consideraciones sobre un proceso de
especial significación en el campo de la biología, nos referimos a la
fotosíntesis.
La fotosíntesis es un proceso metabólico de primer orden en el caso de los
vegetales y de gran repercusión para los animales y para la vida en general.
Mediante la fotosíntesis, realizada por las plantas verdes, se fija en compuestos
orgánicos la energía solar y el CO2 atmosférico liberándose al mismo tiempo
02 con lo que se establece un ciclo biológico entre animales y plantas que es la
base de todos los procesos biológicos en nuestro planeta.
Los compuestos orgánicos formados principalmente glúcidos que son usados
como fuente de energía química por los animales o como sillares constitutivos
de las cadenas carbonadas presentes en los aminoácidos, lípidos, vitaminas y
demás compuestos orgánicos. La energía lumínica emitida por el sol es
captada por las plantas, pues ellas poseen un pigmento muy similar a la
hemoglobina, llamado clorofila, presente en los cloroplastos. La planta utiliza
esta energía y la transforma en energía química.
2.1 Digestión y Absorción de los carbohidratos
En la dieta normal de la mayoría de los animales y el hombre aparecen varios
polisacáridos ,entre otros la celulosa, el almidón, el glucógeno, así como otros
polímeros de la glucosa, hexosas, pentosas, etc. También algunos disacáridos
(lactosa, sacarosa, maltosa y otros compuestos relacionados con los
carbohidratos. Todos ellos son fuente de glucosa para las células, para ello,
primero deben ser digeridos (hidrolizados) y después absorbidos.La digestión
de los glúcidos se realiza a todo lo largo del tubo digestivo por medio de un
grupo importante de enzimas hidrolíticas que en su conjunto reciben el nombre
de carbohidrasas.En la boca, aunque con acción muy limitada por el poco
tiempo que los alimentos permanecen en ella, actúa una amilasa, conocida
como amilasa salival o ptialina capaz de hidrolizar los almidones hasta maltosa.
Esta enzima que es activada por iones de cloruro, trabaja a un pH de 6,6 a 6,8
por lo que al llegar los alimentos al estómago se inactiva. En este lugar
debemos considerar el efecto hidrolítico realizado por el ácido clorhídrico del
jugo gástrico, el cual es capaz de hidrolizar un porcentaje considerable de los
almidones y otros polisacáridos presentes en la dieta.
Sin embargo, es en el intestino delgado donde ocurre la hidrólisis fundamental
de los carbohidratos ingeridos, debido a la presencia de la amilasa pancreática,
la cual es capaz de hidrolizar el almidón y otros polisacáridos de estructura
semejante a la maltosa. La amilasa pancreática es una alfa-amilasa por lo que
no actúa sobre las cadenas beta de los glúcidos, tales como la celulosa y otras
estructuras. Su pH óptimo de acción es de 7,1, y actúa hidrolizando
indistintamente los enlaces alfa 14 a lo largo de la cadena de amilasa de modo
que produce finalmente una mezcla de glucosa y maltosa.
La alfa amilasa puede actuar también sobre las cadenas de amilopectina, sin
embargo, su acción se limita a los enlaces 1-4, no teniendo capacidad para
actuar sobre las ramificaciones 1-6. Una enzima desramificadora (alfa 1-6),
hidroliza los enlaces 1-6 en los puntos de ramificación liberando glucosa. Por la
acción conjunta de estas amilasas se produce la hidrólisis del almidón.
De esta manera se liberan en el intestino delgado grandes cantidades de
glucosa y algunos disacáridos representados por la maltosa, así como otros
tales como la sacarosa y la lactosa que pueden existir en dependencia de la
dieta. Estos no pasan directamente a la sangre, sino que por acción de las
enzimas específicas (maltosa, sacarasa, etc.), son desdoblados en el mismo
epitelio intestinal, producto de la acción del jugo intestinal que poseen las
mencionadas enzimas. Al final, producto de la digestión, se liberan a partir de
los glúcidos ingeridos grandes cantidades de glucosa, galactosa, fructosa,
pentosas y otros monosacáridos, los que deben ser absorbidos.
Por otra parte, la celulosa, que constituye una fracción importante en la dieta de
los herbívoros, no es modificada por enzimas propias del tubo digestivo, sino
que a nivel del intestino grueso (colon y ciego) es degradada por acción
bacteriana con producción de ácidos grasos inferiores, los cuales se absorben
y son usados por el animal.
Es de destacar el hecho de que parte de los carbohidratos ingeridos no se
digieren y son eliminados con las heces, contibuyendo de forma destacada al
normal funcionamiento del tubo digestivo.
Los monosacáridos se absorben en el intestino delgado y pasan a la sangre
por el sistema porta que los conduce al hígado. La absorción de estos puede
realizarse por dos mecanismos: por difusión (pasiva) y por transporte activo. La
posibilidad de la absorción pasiva (difusión) de algunos monosacáridos es,
aunque no improbable, muy limitada y no fundamental. Es por ello que se debe
considerar el mecanismo de transporte activo como el fundamental para la
absorción de las hexosas y en especial para la glucosa.
El paso de las hexosas a través de la barrera intestinal tienen lugar a una tasa
fija e independientemente de su concentración en la luz del epitelio, así como
en contra de un gradiente osmótico. Son también absorbidas más rápidamente
las hexosas que las pentosas; todo ello hace concluir, que el transporte activo
es el fundamental proceso de absorción de la glucosa. Es de destacar también
que el transporte activo de la glucosa a nivel intestinal se puede bloquear por
factores que inhiben el proceso de fosforilación y la síntesis de ATP, así como
cuando disminuye el aporte de oxígeno todo lo hace concluir en un mecanimos
activo con gasto de energía.
2.2 Glucogenogénesis
Con el nombre de glucogenogénesis o glucogénesis se designa el proceso
metabólico mediante el cual la glucosa es convertida en glucógeno, polímero
de reserva de los glúcidos en las células animales. Mediante este mecanismo
se almacenan grandes cantidades de glucosa cuando el aporte de la misma lo
permite, utilizándose más tarde en dependencia de las necesidades del
organismo. La glucogenogénesis es, la principal vía anabólica del metabolismo
de los glúcidos.Prácticamente todas las células del organismo tienen la
capacidad de almacenar la glucosa en forma de glucógeno, destacándose
dentro de ellas las células hepáticas y las musculares. Las células del riñón,
epitelio intestinal, del útero y otras más, presentan también niveles de
glucógeno que deben ser tomados en consideración. Por el contrario, la
neurona prácticamente contiene muy poco glucógeno, lo que determina la
dependencia de las mismas del aporte directo de glucosa. El hígado, después
de una comida rica en carbohidratos puede contener hasta el 1% de su masa
de glucógeno. El sistema muscular, por su dimensión, es sin duda la mayor
reserva de glucógeno del organismo. Cabe destacar, sin embargo, que las
reservas de glucógeno del organismo en general son reservas para corto plazo.
Es decir, utilizando sólo sus reservas de glucógeno un animal sólo tiene
energía para unas 16 a 18 horas. Las reservas a largo plazo como veremos
más adelante están representadas por los lípidos.
La biosíntesis del glucógeno se realiza por un complejo enzimático, donde
debe destacarse la acción de la glucógeno-sintetasa, enzima responsable de la
incorporación de la forma activa de la glucosa a las cadenas preexistentes que
forman el glucógeno. Es necesario precisar que el glucógeno no se forma de
nuevo enteramente, sino que siempre existe una pequeña cantidad de
glucógeno en la célula, lo que recibe el nombre de "semilla", el cual incrementa
su volumen en dependencia del aporte de glucosa o decrece si es necesario,
en caso contrario es necesario suministrar glucosa ala célula. Este último
proceso recibe el nombre de glucogenólisis y será estudiado a continuación de
este tema. Por ello debe considerarse siempre la presencia de cierta cantidad
de glucógeno formando gránulos presentes en el citoplasma, que incluso
presentan enzimas asociadas a ellos, que se encuentran en constante
metabolismo según las condiciones celulares.
La formación de glucógeno se realiza a expensas de la glucosa, sin embargo,
todos los glúcidos pueden ser convertidos en glucosa en las células, por ello
todos pueden, en la práctica, formar glucógeno. En el tema correspondiente a
la vía colateral de oxidación de la glucosa veremos como las triosas, tetrosas y
pentosas pueden ser convertidas en hexosas. Por otra parte, entre la fructosa y
la glucosa existe un equilibrio regular catalizado por una isomerasa, al igual
que entre la galactosa y la glucosa en este caso por una epimerasa.
El glucógeno hepático constituye una buena reserva de glúcidos para las
necesidades de las células del organismo en general. Es responsable, entre
otras cosas, de mantener la glicemia normal que aporta la glucosa libre a todo
el organismo, principalmente al tejido muscular que requiere constantemente
de ella para formal sus propias reservas y, en especial, para mantener el aporte
de glucosa ala neurona:,
Por otra parte, niveles adecuados de glucógeno en el hígado hacen a este
órgano más preparado para responder a los efectos tóxicos u otros productos
nocivos. Es necesario señalar que en el hígado a expensas del glucógeno se
forma el ácido glucorónico de gran importancia en los mecanismos normales de
detoxicación hepática. Al mismo tiempo niveles inadecuados de glucógeno
impedirían el uso de la glucosa por los tejidos con la consecuente movilización
de las grasas, las cuales en su oxidación tienden a incrementar los niveles de
cuerpos cetónicos. Por ello la existencia de adecuados niveles hepáticos de
glucógeno son sinónimos de un buen funcionamiento del metabolismo en
general.
2.3 Glucogenólisis
Por glucogenólisis se entiende el proceso mediante el cual a partir del
glucógeno se obtiene glucosa. Es por tanto la degradación del glucógeno a
glucosa el cual ocurre como tal en el hígado pues en otros tejidos el producto
final es la glucosa 6-fosfato que se incorpora a la vía de la glucólisis. La
glucogenólisis pudiera considerarse el proceso inverso de la glucogenogénesis
aunque los pasos no son los mismos a la inversa, Es necesario señalar aquí en
este caso, de manera similar a la glucogenogénesis, el glucógeno no se
transforma totalmente en glucosa, sino que, en dependencia de las
necesidades de las células el mismo se degrada parcialmente quedando
siempre un resto que, cuando el aporte de glucosa se restituye, es capaz de
formar glucógeno otra vez.
A nivel celular, tanto en el hígado como en el músculo, el metabolismo del
glucógeno, que incluye su síntesis y su degradación tiene que estar
perfectamente controlado. Se comprende, por ejemplo, que si una molécula de
glucógeno estuviese por un momento sometida a la acción de la fosforilasa
activa, estaría degradándose y si en otra, por el contrario, el efecto lo estuviese
realizando la glucógeno sintetasa activa se estaría sintetizando. El efecto para
la célula en cuestión sería en la práctica nulo. Por eso ambas enzimas están
sometidas a un mismo control que depende a su vez de los niveles de AMP
cíclico y de la acción hormonal y en muy estrecha relación con los mecanismos
reguladores de la glucólisis y del ciclo de Krebs. Se comprende que un exceso
de glucosa, abundante suministro de ácidos grasos, reflejado en niveles altos
de ATP estimularía la acción de la glucógeno sintetasa e inactivaría la
glucógeno fosforilasa con lo que se almacena glucógeno. Por el contrario,
niveles bajos de glucosa por un intenso trabajo muscular u otra causa, con
bajos niveles de ATP (con el consecuente aumento del AMP y el ADP)
producirían un efecto estimulador sobre la fosforilasa e inhibirían la sintetasa.
Analizando el proceso integralmente, el mecanismo de la regulación de la
glucogenogénesis y la glucogenólisis depende en primer lugar de la activación
e inactivación de las enzimas glucógeno sintetasa y la glucógeno fosforilasa,
enzimas claves de ambos procesos por incorporación de ácido fosfórico a partir
del ATP. La incorporación depende a su vez de dos quinasas o cinasas
inespecíficas, las cuales podemos llamar glucógeno sintetasa quinasa y
glucógeno fosforilasa quinasa y que llamaremos simplemente cinasa. La acción
de esta cinasa es incorporar fósforo a la glucógeno sintetasa la cual se inactiva
por este medio y a la glucógeno fosforilasa que por ello es activada, quiere
decir que el efecto es contrario para ambas enzimas. Cuando cesa la acción de
las cinasas se produce por la acción de las fosfatasas la eliminación del fósforo
de la glucógeno sintetasa, con lo cual se activa y de la glucógeno fosforilasa
inactivándola.
2.4 Glucólisis
Glucólisis se entiende la degradación de la glucosa. La glucólisis como tal está
constituida por una serie de reacciones mediante la cual la glucosa se convierte
en ácido pirúvico. Este proceso, hasta aquí es universal y se desarrolla de
forma similar en todos los organismos vivos, desde una bacteria hasta el
hombre. La degradación de la glucosa hasta ácido pirúvico se conoce como la
vía de EmbdenMeyerhof. A partir de este punto, ácido pirúvico, se produce en
dependencia de las transformaciones que le ocurran a dicho ácido, diferentes
modalidades que varían según los organismos y tejidos analizados y que par
ello dan un carácter particular a cada glucólisis en cuestión y que en muchos
casos señalan la obligación de aplicar un apellido a la glucólisis que se trate.
En las células de los animales superiores el ácido pirúvico presenta dos
destinos principales. El primero y más fundamental es su descarboxilación a
acetil CoA con la incorporación de este compuesto al ciclo de Krebs o ciclo
tricarboxilico donde es oxidado por completo a CO2. Esta glucólisis, que en
verdad está formada por tres procesos bien identificados; vía de EmbdenMeyerhof, descarboxilación del pirúvico y ciclo de Krebs se acostumbra a
llamar glucólisis aerobia y es clásica su reacción global.Esta secuencia se
desarrolla, corno es lógico, en tejidos que tengan un aporte adecuado de
oxígeno, pues requiere de la cadena respiratoria para aceptar los equivalentes
de reducción que se producen.
La segunda posibilidad del ácido pirúvico en los animales superiores es su
reducción a ácido láctico la cual es típica en el tejido muscular en contracción,
los eritrocitos y las células del cristalino del ojo. Esta reacción, la cual se
desarrolla en un medio carente de oxígeno, es conocida como glucólisis
anaerobia Otros organismos, sobre todo las bacterias, presentan distintas
variantes en cuanto al metabolismo posterior del ácido pirúvico que caracteriza
la forma propia de la utilización de la glucosa. Muchas levaduras, por ejemplo,
convierten el ácido pirúvico en alcohol etílico, recibiendo este proceso el
nombre genérico de fermentación alcohólica o fermentación etílica. Algunas
bacterias producen ácido acético, láctico, propiónico, etcétera, por lo que el
proceso recibe entonces el nombre de fermentación acética, fermentación
láctica, propiónica.como se presenta en la siguiente figura.
Figura 5 :Rutas metabólicas del ácido pirúvico
2.4.1 Vía de Embden-Meyerhof
La vía de Embden-Meyerhof como tal está constituida por una serie de 10
reacciones, que se desarrollan en el citoplasma de la célula, al final de la cual
la glucosa queda convertida en dos moléculas de ácido pirúvico.
Para su estudio, dada la amplitud de la misma, es conveniente dividirla, de
manera didáctica, dos etapas; una primera etapa que podemos llamar
transformación de la glucosa en triosas mediante la cual la glucosa se prepara
para su catabolismo transformándose en 3 fosfogliceraldehido y una segunda
etapa donde se producen las reacciones de óxido-÷reducción y el 3
fosfogliceraldehído se convierte en ácido pirúvico y que llamaremos
transformación de las triosas en ácido pirúvico.
Pasemos a considerar la primera etapa de la glucólisis donde las hexosas
(glucosa) quedan convertidas en triosas.
Esta etapa de la glucólisis se inicia en verdad en la mayoría de las células a
partir de esta etapa de la glucólisis se inicia en verdad en la mayoría de las
células a partir de la glucosa 6 fosfato liberada en la glucogenólisis, sin
embargo, para establecer un balance más adecuado la hemos iniciado a partir
de la glucosa. En esta primera reacción la glucosa es fosforilada a glucosa 6
fosfato por acción de las hexoquinas que requiere la presencia de iones de Mg
y el ATP como donador de radicales de fosfato macroenergético. Se puede
considerar una reacción activadora que permite a la glucosa entrar en la
secuencia de reacciones de la glucólisis. La hexoquinasa cataliza la reacción
de fosforilación de la glucosa y de muchas más hexosas. Es una enzima
reguladora pues puede ser inhibida por su propio producto de acción ya que
cantidades apreciables de glucosa 6 fosfato en la célula inhibirían su activador
alostérico de la glucógeno sintetasa (D). En el hígado la fosforilación de la
glucosa puede realizarse por medio de la glucocinasa que no es inhibida por la
glucosa 6 fosfato. Esta reacción e irreversible.
En el siguiente paso la glucosa 6 fosfato es convertida en fructosa 6 fosfato por
medio de la fosfohexosa isomerasa (fosfoglucoisomerasa). Es una reacción
francamente reversible en ambas direcciones. Continúa la glucólisis con la
fosforilación de la fructosa 6 fosfato a fructos 1-6 difosfato. Reacción catalizada
por lo fosfofructo cinasa que requiere la colaboración de los iones de magnesio
y el ATP como fuente de fosfatos macroenergéticos. Esta reacción es
sumamente importante pues la fosfofructo cinasa es una enzima clave que
regula toda la glucólisis por varios mecanismos. Esta enzima posee múltiples
moduladores alostéricos positivos y negativos que son los responsables de
regular su actividad que varían de una célula a otra. Concentraciones elevadas
de ácido cítrico, ATP o de ácidos grasos de cadena larga la inhiben, mientras el
ADP o el AMP la estimulan. Como es lógico suponer concentraciones elevadas
de ATP crearían la posibilidad de su utilización por la célula de forma directa
cuando sea necesario, por ello no haría falta seguir oxidando la glucosa.
Por otra parte los excesos de glucosa, una vez cubiertos los niveles de
glucógeno y de ATP, son convertidos en ácidos grasos a partir del acetil CoA o
proveniente de la glucólisis. Para ello la vía de degradación de la glucosa debe
ser mantenida, lo cual es realizado por un metabolito intermedio de esta vía, la
fructosa 2-6 difosfato, que actúa estimulando la enzima fosfofructocinasa,
independiente del nivel inhibitorio del ATP. Con ello la vía continúa hasta el
acetil CoA que pasa a formar parte del Ciclo de Krebs.
El siguiente esquema resume las vías anabólicas y catabólicas de la glucosa
en los animales ,teniendo como eje central la glucosa-6-fosfato en la función
celular hepática
GLUCÓGENO
1
2
GLUCOSA -6FOSFATO
HEPÀTICA
TG
ÀCIDOS
GRASOS
3
5
GLUCOSA
SANGUÌNEA
NADPH
Àcido pirùvico
7
COLESTEROL
4
RIBOSA-5FOSFATO
NUCLEÒTIDOS
6
ACETIL-CoA
ATP
ADP+Pi
8
e-
9
CO2
O2
10
H2O
Figura 6. Rutas metabólicas de la glucosa.
Lección 3:Ciclo de Krebs
En los animales superiores la única vía degradativa para el acetil CoA es su
incorporación al ciclo de Krebs donde es oxidado totalmente a CO2. Este ciclo,
de enorme significación dentro del metabolismo intermediario de los
aminoácidos, glúcidos y lípidos, constituye de hecho la etapa final del
metabolismo oxidativo de estos tres grupos de compuestos.
Conocido inicialmente como ciclo del ácido cítrico y también como ciclo
tricarboxílico, por las características de este ácido de poseer tres grupos
carboxílicos, hoy se acostumbra a usar el nombre de ciclo de Krebs en
homenaje al bioquímico alemán H. A. Krebs quien en 1937, a partir de una
serie de experimentos realizados en suspensiones de músculos de paloma,
integró y postuló la secuencia fundamental de la serie de reacciones cíclicas de
esta vía metabólica, a la que él denominó ciclo del ácido cítrico , sentando las
bases para un estudio más profundo sobre el tema.
El ciclo de Krebs no es una vía metabólica particular de los glúcidos, sino que
en sí constituye la vía oxidativa final común para los productos de la oxidación
de los aminoácidos, los glúcidos y los ácidos grasos.
Los glúcidos, lípidos y aminoácidos en sus vías catabólicas oxidativas, sufren
primero una oxidación parcial en procesos metabólicos propios y los productos
de esto pasan al ciclo de Krebs, donde son oxidados totalmente hasta CO2.
Los aminoácidos originan por desaminación oxidativa determinados cetoácidos;
la degradación de la glucosa por la glucólisis conduce a la producción del ácido
pirúvico y acetil CoA, mientras que las grasas en su vía oxidativa,conocida
como beta oxidación, producen también acetil CoA. Todos estos productos
confluyen en el ciclo de Krebs, el cual es posible por la existencia de un juego
completo de enzimas ubicadas en la fracción mitocondrial de las células del
metabolismo aerobio, muy en relación con las enzimas de la cadena
respiratoria, a la que aportan material reductor para la síntesis del ATP, lo cual
es su principal objetivo.
Por otra parte, aunque el ciclo como tal debe considerarse una vía catabólica,
pues su función principal es la degradación del acetil CoA a CO2 , muchas de
sus reacciones se encuentran en relación con otras vías del metabolismo.
El ciclo, en su conjunto, se desarrolla en las mitocondrias de todas las células
del metabolismo aerobio, que poseen las enzimas requeridas para catalizar las
10 reacciones principales de este ciclo, muy en relación con la cadena de
respiración a la que aportan equivalentes de reducción (NADH) y (FADH) para
la síntesis del ATP.
El primer hecho importante de señalar la propia existencia del ciclo, donde al
conjugarse los productos finales de los glúcidos, lípidos y aminoácidos, se
produce un mayor aprovechamiento de los mismos. La existencia de vías
distintas para cada uno de estos provocaría una mayor complejidad y menor
eficiencia del organismo. Igualmente, es de mencionar la gran cantidad de
energía que aporta el ciclo; el sistema del ciclo tricarboxílico es uno de los
principales suministradores de material reducido a la cadena respiratoria para
la síntesis del ATP.
También, varios compuestos del ciclo se utilizan como material para la síntesis
de nuevas sustancias. Por ejemplo, a partir de los ácidos axaloacéticos y
cetoglutárico se originan por transaminación, los aminoácidos, el ácido
aspártico y el ácido glutámico respectivamente, que están muy relacionados
tonel ciclo de la úrea. Así mismo, para la síntesis del anillo porfirínico hace falta
el succinil CoA. La utilización de los componentes del ciclo para estas
reacciones permite sintetizar muchos productos de gran utilidad para el animal.
De especial significación es la utilización del oxaloacético para la síntesis de la
glucosa (gluconeogénesis), la cual se realiza a partir del ácido láctico, el ácido
pirúvico y varios aminoácidos que deben originar como etapa intermedia ácido
oxaloacético de forma que el componente central del ciclo se ve muy
relacionado con la formación de glucosa en el organismo, por lo cual es posible
señalar que todos los compuestos que originan oxaloacético pueden finalmente
originar glucosa y glucógeno; por eso se designan con el nombre de
glucogenéticos.
Es de destacar tambiién la relaciión del ciclo con el nivel de cuerpos cetónicos.
Producto de la oxidación de los ácidos grasos se producen residuos de ácido
beta hidroxibutírico y beta cetobutírico. Estos compuestos tienen carácter
cetónico y pueden oiginar acetona. Normalmente estos compuestos presentan
un nivel fisiológico producto del equilibrio que mantienen con el acetil CoA que
es oxidado en el ciclo, cuando el aporte de glúcidos es deficiente, no existen
los
niveles
adecuados
de
oxaloacético
para
mantener
el
correcto
funcionamiento del ciclo, por tanto, no se oxida el acetil CoA, lo cual provoca
aumento en la sangre de los cuerpos cetónicos y se produce la cetosis. Tal es
el caso que se produce en la cetosis bovina y en la diabetes mellitus, aunque
por causa diferente.El esquema que se muestra a continuación,permite
observar la integración del ciclo con las demás rutas metabólicas del animal.
Figura 7. Integración de las vías metabólicas, a partir del consumo de forraje
Lección 4. Fosforilación oxidativa
La cadena respiratoria o sistema de transporte electrónico está constituída por
una serie de reacciones enzimática de oxidación - reducción que se realizan a
nivel de las mitocondrias de todas las células del metabolismo aerobio. La
mitocondria ha sido llamada "planta motriz" ya que a este nivel es donde gran
parte de la energía derivada de la oxidación es capturada en forma de un
intermediario macroenergético, el ATP. La energía útil liberada en la oxidación
de los glúcidos, los lípidos y los aminoácidos se produce en las mitocondrias.
Para ello dispone de una serie de catalizadores, conocidos como cadena
respiratoria, que intervienen en el transporte de electrones hasta su reacción
final con el O2 para formar H2O; por tanto, la oxidación de los hidrógenos
contenidos en las sustancias es el principal objetivo de la cadena respiratoria.
Estas enzimas son las llamadas oxidorreductasas y fueron estudiadas dentro
del capítulo de las enzimas; las principales son las deshidrogenasas con el
NAD y el FAD de coenzimas y los citocromos, así como otras de carácter
auxiliar. Además debe considerarse como componente de la cadena
respiratoria la coenzima Q, con estructura semejante a la vitamina K, y a las
ferro-sulfo enzimas, simbolizadas por Fe- S o por FeNH, debido al carácter del
hierro no hemínico que poseen.
Estos componentes de la cadena respiratoria están organizados según su
potencial redox, los que van desde las deshidrogenasas ligadas al NAD,
pasando por las flavoproteínas (FAD), a los citocromos y, finalmente, al
oxígeno. Se encuentran acopladas unas a otras, pasando de las formas
oxidadas a las reducidas y viceversa.
4.1 Organización de la cadena respiratoria
La organización de los elementos que forman parte de una cadena respiratoria
modelo o típica dentro de las mitocondrias ha sido objeto de múltiples estudios.
El establecimiento de la secuencia de reacciones a partir de la captación del
par de hidrógeno o equivalente de reducción de los sustratos por el NAD
oxidado hasta el oxígeno a veces presenta serias dificultades. Actualmente se
sabe que la cadena se inicia por las enzimas que trabajan con el NAD, el que
se reduce a NADH que es la forma en que se recogen los electrones de
muchos sustratos. Una flavoenzima FAD dependiente está situada bien a
continuación o en un lugar destacado de la cadena encargada de oxidar el
NAD reducido y reducir al sistema de los citocromos que se encuentran al final
del proceso; sobre todo citocromo oxidasa que está en contacto con el O2.
Muchos sustratos son deshidrogenados directamente por el sistema de las
flavoenzimas FAD y FMN dependientes. Por otra parte en muchos sistemas
transportadores de electrones de las mitocondrias de los animales y de otros
organismos, se han encontrado, en la secuencia de las reacciones, a la
coenzima Q y otras enzimas ferro-sulfuradas.
La fosforilación oxidativa es el proceso mediante el cual la energía liberada por
la oxidación del NADH en la cadena respiratoria es utilizada para la
fosforilación del ADP a partir de la incorporación de un fósforo inorgánico con
la consecuente formación del ATP y agua.
Debemos recordar que en el ATP está presente la energía química requerida
para todo el trabajo celular, ya sea osmótico, mecánico o biosintético. En este
sentido el ATP constituye el núcleo central de todo el proceso de captación de
energía y de todo el ciclo energético de la naturaleza. En relación con estos
aspectos tiene vital significación el proceso de fosforilación oxidativa, por
cuanto permite la captación de la energía liberada en la cadena respiratoria
para la síntesis de ATP, que en esencia es la única forma posible de utilización
de la energía por los animales para el trabajo celular.
La teoría quimiosmótica formulada por Mitchel en 1968 supone que la energía
liberada por el flujo de electrones en la cadena respiratoria es utilizada para la
separación de los protones y los electrones de cada lado de la membrana
interna de la mitocondria, explicando satisfactoriamente muchos aspectos
hasta ahora no bien dilucidados.
Según la misma, la membrana interna de la mitocondria posee un sistema de
translocación selectiva de protones provenientes de la cadena respiratoria. Los
protones son transferidos de la matriz mitocondrial al espacio externo de la
membrana interna. La disminución de la concentración de H en la matriz
mitocondrial se acompaña de un aumento en la alcalinidad (OH-) en el medio
interno y un aumento de la acidez en el medio externo de dicha membrana.
Lección 5. Regulación del metabolismo de los carbohidratos.
Al analizar las diferentes reacciones, en particular de las distintas vías
metabólicas de los glúcidos hemos referido, en cada caso que así ha sido
necesario, los factores que intervienen en la regulación del proceso
destacando, por un lado, la regulación alostérica y por el otro los mecanismos
de activación e inactivación de las llamadas enzimas claves. Los mecanismos
alostéricos son factores reguladores del propio sistema analizado, pues
dependen de la concentración de los sustratos de las propias vías y en su
conjunto constituyen factores que limitan o aceleran una vía determinada.
Por otra parte los mecanismos de activación de las enzimas dependen de
sistemas que se localizan en el exterior de las propias vías, generalmente
dependientes del AMP cíclico y otros nucleótidos cíclicos (GMP cíclico) que a
su vez depende del nivel hormonal.
Varías son las hormonas que ejercen un efecto directo sobre los metabolismos
de los glúcidos; entre otras citamos: los glucorticoides, la adrenalina, el
glucagón, la STH, la TSG y la insulina. Los efectos particulares de estas
hormonas sobre el metabolismo de los glúcidos serán analizados al estudiar el
capítulo correspondiente al metabolismo hormonal, pues muchas de sus
acciones tienen relación con otros productos, sobre todo los lípidos.
Destaca por su importancia la regulación del nivel de la glucosa sanguínea
(glicemia) el cual depende del aporte de glucosa a la sangre a partir de la
glucogenólisis hepática y de la utilización de la glucosa por los tejidos
extrahepáticos. El . mecanismo de control de la glicemia depende de un
conjunto de factores y de la acción directa de varias hormonas. El glucagón,
hormona hiperglicemiante del páncreas, es el responsable, en primer lugar, del
mantenimiento de la glicemia, otras hormonas, tienen, por diferentes vías,
algún efecto hiperglicemiante, entre ellas, la STH, los glucorticoides y la
adrenalina.
Por
otro
lado,
la
insulina
presenta
un
marcado
efecto
hipogliceamiante al permitir la utilización de la glucosa por los tejidos.
CAPÍTULO 2.Metabolismo de lípidos
Lección 1:Introdución
Los lípidos presentes en el tejido animal tienen su origen en las grasas
ingeridas y en las sintetizadas en el organismo a partir de los carbohidratos o,
en menor escala, de las proteínas. Estos lípidos están en constante
intercambio, lo que constituye, en su conjunto, el metabolismo, que incluye
como aspectos fundamentales: la digestión, absorción, circulación y depósito;
la síntesis y degradación de los ácidos grasos; la síntesis y degradación de la
glicerina; el metabolismo del colesterol y demás esteroles y, por último, su
regulación.
La hidrólisis de las grasas contenidas en los alimentos se produce
fundamentalmente en el intestino delgado por medio de la lipasa pancreática,
enzima producida por el páncreas exocrino que tienen la responsabilidad de
hidrolizar los glicéridos en ácidos grasos y glicerina. La lipasa en una hidrolasa
del grupo de las estereasas que presentan un pH óptimo de acción igual a 8.
Su acción se ve favorecida por la función de los ácidos y sales biliares, que por
su poder estimulante, es decir, por disminuir la tensión superficial, permiten
aumentar considerablemente la superficie de contacto de la enzima con su
sustrato. La acción de estos tres factores: pH, lipasa y bilis, permite la digestión
de la mayoría de los glicéridos.
El jugo pancreático posee también otra enzima, la colesterolestearasa , que
hidroliza el colesterol esterificado a ácidos grasos, de forma que al terminar la
digestión los productos serán ácidos grasos libres, glicerina y colesterol. A esto
hay que añadir que no todos los triglicéridos son hidrolizados totalmente, pues
la unión del ácido graso con la glicerina en la posición beta es hidrolizada muy
lentamente, por lo que el monoglicérido es un producto importante de la
digestión. Los alfa monoglicéridos pueden ser hidrolizados en la pared
intestinal y los beta son resintetizados a triglicéridos. La absorción de las
grasas ocurre a nivel de todo el intestino delgado,presenta cierta complejidad e
implica la resíntesis de los triglicéridos a nivel del epitelio. Los productos de la
digestión,
ácidos
grasos
libres,
glicerol,
beta
monoglicéridos
y
alfa
monoglicéridos son utilizados para la síntesis de los glicéridos a este nivel, la
grasa sintetizada pasa a los vasos linfáticos (quilíferos) y por el conducto
linfático pasa a la sangre venosa, donde pueden describirse como partículas
lipoproteicas, llamadas quilomicrones. El mecanismo de este proceso comienza
con la unión de los ácidos grasos activados (acil CoA) con una beta
monoglicérido, posteriormente se une otro acil CoA formando el triglicérido.
También el glicerol libre puede ser absorbido pasando por la vena porta del
hígado. Parte de los ácidos grasos libres, sobre todo los de pequeño peso
molecular, pasan directamente al hígado por medio de la vena porta. Un
pequeño número de ácidos grasos pasa a la circulación general esterifícados
con los ácidos biliares en forma de complejos coleínicos.
El alfa monoglicérido absorbido puede originar en la pared intestinal glicerol y
glicerofosfato; este último puede combinarse con los ácidos grasos formando
ácidos fosfáticos y finalmente triglicéridos.
El colesterol se absorbe por los vasos linfáticos, principalmente como ésteres
del colesterol y también como colesterol libre. Los fosfolípidos de la dieta son
absorbidos como tales y transportados por la vena porta al hígado. La síntesis
y la recirculación de los fosfolípidos aumentan en la pared intestinal durante la
absorción de los lípidos, aunque su papel en dicha absorción no está bien
definido. Los productos de la absorción de los lípidos pasan, ya sea por la vía
linfática o venosa, a la circulación general, donde circulan unidos a las
globulinas y de aquí son llevados a diferentes partes del organismo animal, que
en forma general pueden señalarse como: a) tejidos de depósitos (tejido
adiposo), b) tejidos en general y c) hígado
Lección 2 Grasas en los tejidos
Todos los tejidos del organismo animal necesitan de las grasas para su normal
funcionamiento. La mayoría de las estructuras celulares y subcelulares son de
constitución lipoproteíca. Tanto la membrana celular como el retículo
endoplasmático, el aparato de Golgi y otros elementos celulares están
formados o contienen lípidos en su estructura. Estos forman los lípidos de la
circulación general a partir de ellos forman sus propias estructuras, la mayoría
del tipo de las esfingomielinas, cerebrósidos y gangliósidos. También en estos
tejidos pueden ser usadas las grasas como fuente de energía.
El hígado, al igual que en el caso del metabolismo de los glúcidos y las
proteínas, tiene una participación destacada en el metabolismo de las grasas.
En él, ocurren varios procesos relacionados con estos compuestos, que
veremos posteriormente, tales como síntesis y oxidación (beta oxidación) de
los ácidos grasos, síntesis y degradación del glicerol, síntesis del colesterol,
sales biliares y de la mayoría de los compuestos de los fosfolípidos y la síntesis
de los triglicéridos. El hígado es también el lugar donde ocurre mayormente la
liponeogénesis a partir de los carbohidratos.
También se produce desaturación y saturación de ácidos grasos. La
desaturación de los ácidos grasos en el hígado es un factor limitado a los de un
solo doble enlace, por lo que los ácidos grasos de dos o más dobles enlaces no
pueden ser formados en este órgano; así, el línoleico, linolénico y el
araquidónico se deben considerar como ácidos grasos esenciales que deben
estar presentes en la dieta. Las funciones de estos ácidos grasos esenciales
parecen ser varias. Se encuentran en los lípidos estructurales de las células, en
la membrana de las mitocondrias y en otros elementos celulares. A partir de
ellos se forman las prostaglandinas.El hígado desempeña un papel clave en la
cetogénesis. Una función hepática de gran importancia en relación con los
lípidos es la formación de las lipoproteínas hepáticas. Las lipoproteínas del
hígado, como su nombre lo indica, están formadas por dos fracciones; una
proteica y otras lipídica que contiene una mezcla de triglicéridos, fosfolípidos y
colesterol. Según esto pueden tener diferentes niveles y por ello diferentes
índices de densidad clasificándose en: Lipoproteínas de muy baja densidad (VL
DL) Lipoproteínas de baja densidad (LDL) y Lipoproteínas de alta densidad
(HDL). Las lipoproteínas de muy baja densidad presentan mayor concentración
en glicéridos, mientras las de baja densidad tienen mayor proporción de
colesterol y las lipoproteínas de alta densidad incorporan una mayor proporción
de fosfolípidos. El incremento de los niveles de las dos primeras puede traer
trastornos al metabolismo de las grasas.
Los ácidos grasos de los triglicéridos son incorporados a la lipoproteína de baja
densidad y llevados al tejido adiposo. Estos ácidos grasos pueden tener su
origen en la síntesis hepática a partir del acetil CoA proveniente de los
glúcidos, por incorporación de AGI, desde la circulación o por la captación de
los quilomicrones, de forma que cuando se alteran estos mecanismos, se
puede producir acumulación de grasas en forma de triglicéridos en el hígado.
Una extensa acumulación debe considerarse como patológica, lo que puede
producir cambios fibróticos y hasta una cirrosis con el tiempo.
El hígado graso puede producirse por dos motivos, en primer lugar por niveles
elevados de AGL plasmáticos por una movilización exagerada, en este caso, el
hígado forma triglicéridos, pero no tiene lipoproteína en cantidades suficientes
para movilizarlos, por lo que estos se acumulan. Tal es el caso de dietas ricas
en grasas, inanición, diabetes, cetosis, alimentación abundante en colesterina,
biotina y tiamina, acción hormonal continuada, etc. El segundo tipo se debe a
una deficiencia en la producción de las lipoproteínas bien por el bloqueo de la
síntesis de la apoproteína, de la lipoproteína como tal, o como una falta en la
provisión del colesterol o los fosfolípidos que se encuentran en la lipoproteína.
Uno de los hígados grasos más estudiados se debe a esto último, o sea, por
falta de factores necesarios para formar fosfolipidos de la lipoproteína,
movilizadora de los glicéridos. Estos factores se conocen como factores
lipotrópicos y están relacionados con la colina y los procesos de transmetilación
de la metionina, a partir de donde se puede formar la colina necesaria para los
fosfolípidos. De forma similar actúan otros elementos, que bien directa o
indirectamente coadyuvan a la síntesis de la colina o a la salida del hígado, los
que también deben considerarse como agentes lipotrópicos.
Lección 3. Betaoxidación de ácidos grasos
La oxidación de los ácidos fue señalada hace varios años por Knoop quien explicó los
1
mecanismos fUndamentales de este proceso, el cual recibe el nombre de beta de la
cadena del ácido graso a partir del grupo carboxilo con liberación de acetil CoA.
La beta oxidación es, por tanto, el mecanismo fundamental de oxidación de los ácidos
grasos, que se lleva a cabo por varias enzimas presentes en las rrátocondrias, las cuales
reciben el nombre de oxidasas de los ácidos grasos, íntimamente relacionadas con
la cadena respiratoria. El proceso con la activación del ácido graso por una tiocinasa,
enzima que actúa acoplada a la CoA y al ATP. Este es el único paso de la oxidación
del ácido graso que requiere energía. Esta tiocinasa que en verdad es una sintetasa
existe en las células bajo tres formas encargadas de activar los ácidos grasos de bajo,
medio y alto peso molecular respectivamente. Esta reacción rinde los acil CoA
correspondientes,posteriormente estos acil CoA son transportados al medio
intramitocondrial por el sistema transportador de la carnitina, continuando el proceso
dentro de las mitocondrias.
El ácido graso activado o acil CoA es dehidrogenado por la Acil CoA deshidrogenasa, lo
cual da como resultado un a - b desaturado CoA , que rápidamente capta agua,
formándose el b - Bidroxiacil CoA, reacción catalizada por una crotonasa (enoil
hidratasa). Posteriormente se deshidrogena por medio de la o. -hidroxiacil CoA
deshidrogenasa, que depende del NAD para formar el β - cetoacil CoA (β- cetotiolasa)
completamente por la presencia de la otra molécula de CoA, con liberación de una
molécula de acetil de carbono menos que el inicial. Este último comienza nuevamente el
proceso. Al terminar el proceso de la beta oxidación, se libera una molécula de acetil CoA
y queda un ácido graso activado de dos carbonos menos que el inicial, que puede a su
vez iniciar secuencia.
Lección 4: Origen y degradación de los cuerpos cetónicos
Muy estrechamente relacionados con la oxidación de los ácidos grasos se presenta un
fenómeno conocido genéricamente con el nombre de cetosis. La cetosis se
produce por incremento de los cuerpos cetónicos en la sangre, los cuales se originan
en la oxidación de las grasas. Se conocen tres cuerpos cetónicos; el beta
hidroxibutírico, el beta cetobutírico o acetoacético y el producto de la
descarboxilación de éste, la acetona o propanona. Los dos primeros de estos
compuestos son ácidos moderadamente fuertes y normalmente son amortiguados
por los sistemas buffer de la sangre; sin embargo, cuando incrementan sus valores
esto no es posible, por lo que se produce una acidosis, de forma que el proceso en
su conjunto es una acidosis cetónica, con cetonemia y cetonuria.
La cetosis como tal debe considerarse como un fallo del metabolismo; se presenta
en la diabetes mellitus, la cetosis bovina y la toxemia del embarazo de las ovejas.
Las causas de este trastorno pueden ser varias, según el tipo de cetosis, pero desde
el punto de vista bioquímico el proceso es similar; empobrecimiento de los
carbohidratos a nivel celular y exagerada movilización de las grasas, lo que provoca
el incremento de los cuerpos cetónicos.
El hígado es el principal órgano forrnador de cuerpos cetónicos (ceto0genético), en
los rumiantes debe añadirse la glándula mamaria y la pared del rumen, mientras que
los tejidos extrahepáticos utilizan estos cuerpos cetónicos para la obtención de energía,
corno sustrato, por lo que son cetolíticos.
El origen de los cuerpos cetónicos está en la oxidación de las grasas, y su cuantía,
en el grado de esta oxidación, está en relación con una deficiencia en la utilización
del acetil CoA, por incapacidad del ciclo tricarboxilico de catabolizarlo. También es
evidente la relación que existe entre la producción de cuerpos cetónicos y la
oxidación de las grasas por un lado y la degradación de los cuerpos cetónicos, la
glucolisis y el ciclo de Krebs por otro lado, en relación muy directa entre el hígado
y los tejidos extrahepáticos y el metabolismo de los glúcidos y los lípidos en
general.
Por otra parte, es indudable que en el rumiante se presentan características
especiales que lo hacen muy susceptible al incremento del nivel de cuerpos
cetónicos. Por un lado tenemos la producción de ácidos grasos volátiles ( AGV) del
rumen, entre los cuales están el acético y el butírico, ambos con carácter
cetogenético. Esto ligado a los bajos niveles de glucosa, que producto del propio
proceso ruminal, normalmente presenta este animal, con el agravante, en las
vacas lecheras de alta producción, de la gran cantidad de glucosa destinada a la
producción de lactosa por la glándula mamaria.
Esto hace que el rumiante destine gran parte de la glucosa producida por la vía
de la gluconeogénesis a la producción láctea, pudiendo provocar en algunos
casos estados de hipoglicemia, además de considerar los bajos niveles de la
glucosa sanguínea en condiciones normales. La hipoglicemia provoca, por otro
lado, un efecto estimulador sobre la liberación de la glucosa hepática, sin
embargo, esta hormona provoca también liberación de ácidos grasos del tejido
adiposo con el consecuente incremento de la oxidación de las grasas y de los
cuerpos cetónicos. Todo ello provoca serios trastornos metabólicos en el
rumiante que conducen a la cetosis.
Lección 5.Anabolismo de ácidos grasos (AG)
La síntesis de los ácidos grasos ocurre en varios tejidos del organismo animal;
así el hígado, el riñón, el tejido adiposo y la glándula mamaria; entre otros,
son capaces de sintetizarlos. El material necesario para ello es el acetil CoA
aportado por medio de los carbohidratos. Se requiere también del aporte del
NADPH2(reducido), el cual se origina por la vía de la derivación de la hexosa
monofostato (ciclo de las pentosas) como elemento aportador de hidrógeno.Por
otra parte ,se necesita un sistema extrarnitocondrial muy activo que está
responsabilizado con la síntesis total de los ácidos grasos.
En condiciones anaerobias, las mitocondrias producen la incorporación del acetil
CoA a los ácidos grasos de moderado peso molecular. El sistema opera como
semejanza a la reversión de la oxidación y requiere ATP, y CO2 y NADH, y NADPH2.
Se señala también la necesidad del fosfato de piridoxal.
El sistema extra mitocondrial es el que produce la síntesis de la mayor cantidad de
ácidos grasos, sobre todo del palmítico y el esteárico, que son los predominantes
en el tejido animal, requieren NADPH,, ATP Y CO, . La enzima clave de este
proceso es la acetil CoA carboxilasa o malonil sintetasa, que requiere de la biotina
como elemento aportador de CO2. La malonil CoA sintetasa es una enzima
alostérica, que requiere del modulador positivo en este caso del ácido cítrico o del
isocítrico. De esta manera se produce el malonil CoA que es la forma activa de
incorporarse el acetil CoA a la síntesis de los ácidos graso. La síntesis de los
ácidos grasos requiere una proteína portadora de grupos etilos (Acyl Carrier
Protein, ACP) y de 6 enzimas, de ellas la enzima condensante (EC) dos
tranferasas, dos reductasas y una hidratasa. La ACEP y la EC presentan restos
de cisteina (-SH) en los centros activos que fijan los radicales acilos.
En los animales superiores estas enzimas forman un complejo multienzimático
que recibe el nombre de complejo ácido graso sintetasa.
El proceso de la síntesis del ácido graso se inicia como señalamos con la formación
del malonil CoA a partir de acetil CoA y la posterior condensación de este con el
primer grupo de acetil, posterior condensación de este con el primer grupo de
acetil, procedente también de acetil CoA , y que actúa como cebador de la enzima,
quedando formado con beta ceto acil, en este caso el beta cetobutinil, que se
mantiene unido a la ACP y el cual es reducido por las otras fracciones enzimáticas
de la enzima ácido graso sintetasa.
A continuación, tiene lugar el proceso
reductor en el carbono beta con el aporte de NADPH2 ,bien directamente o bien
por medio del FMM hasta producir el correspondiente acil saturado, en este
primer paso el butiril, proceso este donde el cetobutiril y los productos siguientes
se mantienen unidos formando un complejo multienzimático, el radical del butiril
es transferido a continuación al grupo -SH de la enzima condensante (EC)
quedando libre el - SH de la ACP, lo cual incorpora un resto de Matonil procedente
del malonil CoA. Tiene entonces lugar la condensación del radical del butiril con el
malonil, con pérdida del CO2 formándose el beta ceto caproil el cual repite el
proceso reductor y así de nuevo hasta llegar al palmítico.
El proceso ocurre en la parte extramítocondrial de la célula del hígado, pulmón,
glándula mamaria y otros tejidos que requieren del aporte constante de acetil
CoA y de energía. El acetato proviene fundamentalmente de los carbohidratos,
que por esta vía aportan a la síntesis de los lípidos (lipogénesis) un material
fundamental, no oxidado por la vía del ciclo tricarboxílico.
Los ácidos grasos sintetizados se unen al glicerol, que puede ser aportado también
por los glúcidos y en forma de triglicéridos son almacenados en el tejido adiposos
y en otros tejidos en menor proporción.
En la mitocondria, por otra parte, a partir del ácido palmítico tiene lugar el proceso
de elongación con la producción de diferentes ácidos grasos de 18, 20, 22 y 24
átomos de carbono por la incorporación directa de acetil CoA. Este
mecanismo es muy similar a la Beta - oxidación en sentido contrario y usa enzimas
propias de este proceso metabólico,de igual manera ocurre en el retículo
endoplasmático.
CAPÍTULO 3.Otras vías metabólicas en los animales.
Lección 1: Anabolismo y catabolismo de proteínas
Uno de los aspectos más significativos dentro del metabolismo proteico, en
particular, así como dentro del metabolismo en general, es la síntesis de
proteínas. Por ello
el estudio del metabolismo debe iniciarse a partir del
dominio de los complejos mecanismos que posee la célula para asegurar la
síntesis de sus propias proteínas.
Recordemos que asociados a las proteínas están todas las estructuras que
determinan las funciones de cada célula. No se debe considerar a las proteínas
como únicas responsables de todas las propiedades que caracteriza a los
organismos vivos, pues estas propiedades dependen de la interrelación de las
proteínas, glúcidos, lípidos, ácidos nucleícos, vitaminas, minerales ; agua y
otros factores pero, indudablemente que son las proteínas, la membrana celular,
las diferentes estructuras celulares las que presentan en su composición
proteínas específicas. La membrana celular, las diferentes estructuras celulares
presentan en su composición proteínas específicas. La contracción muscular, el
transporte activo, los procesos inmunitarios y otras funciones de las células tienen
como base alguna proteína. Una simple bacteria, la E. coli, presenta más de
3000 proteínas diferentes. Por todo ello, se comprende que los mecanismos
que posee la célula para asegurar la síntesis de sus propias proteínas revisten una
importancia fundamental para todo el metabolismo en general.
1.1 Biosíntesis de proteínas
Se considera la biosíntesis proteica como el mecanismo anabólico por excelencia,
ya que permite la formación de nuevas células y tejidos, con lo cual se garantiza
el crecimiento de la masa viviente. La biosíntesis proteica constituye un proceso
endergónico que consume gran cantidad de energía en forma de ATP. Es un
proceso universal que se realiza de manera similar en todas las especies, desde las
más sencillas hasta el hombre, prueba palpable del origen común y que tiene como base
una estrecha relación con los ácidos nucleícos, pues estos dan la información genética
para la misma. Puede decirse sin exagerar que es un mecanismo perfecto en el cual
los ácidos nucleícos conservan la información, la transcriben enviándola al citoplasma,
donde se traduce en una proteína con una estructura primaria establecida según la
información guardada en los ácidos nucleícos, lo que determina su función. De esta
manera se establece una unión estrecha y funcional entre ácidos nucleicos, lo que
determina su función.
En la síntesis proteica participan del DNA y el RNA, éste por medio de los diferentes RNA
ya conocidos, el RNArn, RNAt y el RNAr.
El DNA, como se sabe hoy en día, contiene la información genética requerida para la
síntesis de cada proteína específica. Esta información está presente en la estructura
primaria del DNA, la cual es duplicada y transmitida a las células ihijasj por medio de la
recopilación del DNA. La explicación del proceso de replicación del DNA no está dentro
de los objetivos de este texto, pues corresponde más bien a la biología molecular. El
mecanismo es sumamente complejo y requiere de varias enzimas.
El DNA debe servir también para la formación de RNA, muy especialmente en la
síntesis del RNA mensajero, proceso conocido como transcripción mediante el cual la
información genética almacenada en el DNA requerida para proveer la estructura
primaria (es decir, el orden de sucesión de los aminoácidos de proteínas
específicas) puede ser transmitida al aparato sintetizador de la célula. Esto se realiza
por la síntesis dentro del núcleo de la hélice , donde una tira de DNA sintetiza la
tira complementaria de RNA; de manera tal que la T, C, G, y A del DNA
incorporan en tiras sencillas de RNA a la A, G, C y U respectivamente. Esta reacción
es catalizada por la enzima RNA polimerasa y las bases incorporadas están en forma
de ácidos trifosforados.
El orden de sucesión de las bases púnicas y pirimídicas en la tira de RNAm,
determinada por la información trancrita por el DNA establece el orden de los
aminoácidos, o sea, la estructura primaria de la proteína. La clave genética está
constituida por un triplete de bases, ella debe dirigir la incorporación de un
aminoácido cada tres bases. Como hay cuatro bases diferentes, las posibilidades de
combinación posibles son sesenta y cuatro, de forma que puede haber más de una
palabra o codón para cada aminoácido y otras no incorporan aminoácidos y se han
llamado tripletes que terminan cadenas.
Se ha demostrado que de los sesenta y cuatro tripletes posibles, tres no codifican
aminoácidos. También se ha llegado a la conclusión que de las dos primeras bases del
triplete son más específicas que la tercera.
Además de los codones que terminan cadenas, parece que hay otros que inician
cadenas, lo cual sugiere que las cadenas polipeptídicas comienzan siempre por el codón
que codifica a la N-forilrnetionina .
Por otra parte, el RNA ribosómico sirve de soporte para la realización de la síntesis.
En los ribosomas de los animales superiores se han aislado cuatro RNA de
diferentes velocidades de sedimentación. En general constituyen del 65 al 70 %
del ribosoma.
Además de otros ácidos, hay que señalar la participación en este proceso del RNA soluble
o de transferencia ( RNAs o RNAt ). Este RNA realiza la transferencia de los
aminoácidos desde el citoplasma a los sitios específicos del riboaosma durante la
síntesis proteica.
La unión del aminoácido activado con el RNAt es altamente específica por lo cual se
requieren enzimas activadores para cada aminoácido que va a ser incorporado a la
síntesis proteica, la unión del aminoácido activado con el RNAt es altamente
específica por lo cual se requieren enzimas activadores para cada aminoácido que va
a ser incorporado a la sínteis proteica. El RNA presenta una estructura similar a un
treból, el extremo libre de unas de las cadenas presenta siempre ácido adenílico
como nucleótido terminal, el cual fija el aminoácido activado. La molécula de
RNAt posee una sección con tres bases libres, llamado anticodón,
complementario del codón del RNAm.
La molécula de RNAt puede tomar la forma de doble tira en ciertas unidades por
medio de los enlaces de hidrógeno. También se ha considerado la posibilidad de
una estructura terciaria en donde la molécula pueda doblarse para constituir una
forma más globular.
La síntesis proteica propiamente dicha, también llamada, desde el punto de
vista genético, traducción, pues mediante ella se traduce la información genética
contenida en el RNAm a la estructura proteica, se verifica en los ribo somas.
Los ribosomas son partículas presentes en la fracción microsomal con diferentes
coeficientes de sedimentación (s) en dependencia del organismo y el tipo de
célula analizada. Los ribosomas de 50 s y 30 s contienen varios tipos de RNA y
varios tipos de proteínas con actividad catalítica y son, al parecer, los
predominantes en las células de los animales superiores. Pueden formar
agregados activos de 70 s que constituyen el ribosoma funcional con la síntesis
proteica.
La síntesis proteica ha sido dividida para su estudio en cuatro etapas sucesivas
llamadas activación, iniciación, prolongación y terminación respectivamente.
1.2 Regulación de la biosíntesis proteíca
Las moléculas de RNAm no funcionan indefinidamente y la alteración o la
destrucción de ellas puede suprimir la síntesis proteica. Esta proteína,
que tendría una función en la célula, ya sea estructural o enzimática, no se
formaría, por lo que no se realizaría esta función y el metabolismo celular
se alteraría: por este medio el DNA (gen) regularía toda la función celular.
Todo este proceso está a su vez regulado genéticamente mediante
diferentes tipos de DNA y producto de las funciones de las proteínas
sintetizadas (enzimas). El control de síntesis proteica está perfectamente
regulado. La existencia de varios tipos de genes ha sido demostrada
completamente. Así se ha señalado que el gen estructural DNA dirige la
síntesis de enzimas específicas y otras proteínas por medio del molde
RNAm. Hay además un gen operador (operón) que regula la acción de varios
genes estructurales. Además, para un determinado sistema existe un gen
regulador que actúa por medio de sustancia represoras.
Los productos de la acción enzimática ejercen por retroalimentación, un efecto
directo sobre el agente represor, que es, generalmente, una proteína y puede
actuar alostéricamente determinando la represión de la síntesis proteica o la
derrepresión (activación). A su vez, las enzimas sintetizadas modifican su
velocidad de reacción por infinidad de factores.
Numerosas hormonas ejercen acción directa sobre la síntesis proteica, bien
estimulando la síntesis de RNAm o bien a nivel de ribosoma en el mecanismo de la
traducción, estableciendo de esta forma un control directo sobre la misma.
Cuando se produce un transtorno en este proceso, como por ejemplo alteraciones
en el DNA, en el RNAm o ausencia del mismo, se deja de producir una enzima u
otra proteína, o la misma que tiene una estructura primaria anormal lo que impide
realizar su función. Este es el origen de varias enfermedades moleculares, como
por ejemplo el caso de la llamada anemia de las células falciformes, donde el
lugar ocupado por el ácido glutámico dentro de la molécula de hemoglobina es
ocupado por la resina, el resultado es la formación de una hemoglobina anormal
(hemoglobina S) y producto de ello, una anemia hemolítica. Por mecanismos
similares se producen otros transtornos.
Lección 2.Catabolismo de aminoácidos
2.1 Desaminación oxidativa
La desaminación o la remoción del grupo alfa amino de los aminoácidos es el primer
paso en su catabolismo. Se trata de una reacción catabólica irreversible que ocurre en
el hígado, aunque el riñón también puede realizarla. La reacción es catalizada por la
enzima aminoácido deshidrogenasa (o aminoácido oxidasa), la cual es flavina
dependiente, o sea, que actúa acoplada al FAD. Tal parece que este proceso no le
ocurre a todos los aminoácidos, sino especialmente al ácido glutámico mediante la
enzima glutámico deshidrogenasa, que está bastante distribuida en todos los tejidos,
así como en el hígado y el riñón.
Según estos criterios, los aminoácidos originarían ácido glutámico por
transaminación y este sera desaminado oxidativamente por la glutámico
deshidrogenasa ,los productos finales de la desaminación son´: material
reductor, un cetoácido y el NH3 . El material reductor puede ser bien en forma
de NADH, o de FADH,„ según ocurre en uno u otro caso, su destino será la
cadena respiratoria, que es oxidada por el oxígeno y aporta energía para la
síntesis de ATP. El cetoácido generalmente es metabolizado por medio del
ciclo tricarboxílico y por esta vía puede oxidarse totalmente a CO2 y H2O o
convertirse en carbohidratos o grasas, siendo esta una fuente principal para
la síntesis de glucógeno por la vía de gluconeogónesis. Si puede sintetizar
carbohidratos, se clasifica como glucogenético ; si algunos de estos
cetoácidos son convertidos en beta cetobutírico o acetil CoA pueden también
originar cuerpos cetónicos y se clasifican como cetogenéticos. Este cetoácido
también puede volver a convertirse en aminoácido por transaminación. El NH3
removido de los aminoácidos es eliminado del organismo en su mayor parte como
urea. Este compuesto es, por tanto, el producto final del catabolismo proteico. Parte de
este amoníaco puede ser excretado en forma de sal de amonio, sobre todo en los
casos de acidosis. También por amidación del ácido glutámico (reacción
catalizada por la glutamina sintetasa) puede ser fijado parte de ese amoniaco,
sobre todo en el sistema nervioso central. Esto es esencial puesto que pequeñas
cantidades de NH3 son muy tóxicas para el encéfalo, por lo que se utiliza ácido
glutámico sintetizado a partir del cetoglutárico por transaminación para, la
glutamina formada sería hidrolizada después en el riñón por la glutaminasa.
2.2 Transaminación
El proceso de transaminación es catalizado por enzimas específicas, más
conocidas como transaminas, se realiza entre un aminoácido que aporta el grupo
amino y un cetoácido que acepta dicho grupo. El fosfato de piridoxal (Vitamina B6 ),
actúa como coenzima. En esta reacción participan todos los aminoácidos a partir de
sus respectivos cetoácidos. El alfa teto glutárico y el oxaloacético, cetoácidos del
ácido glutámico y del ácido aspártico respectivamente, son los cetoácidos más
comunes en estas reacciones.
Por estos mecanismos los aminoácidos se interconvierten, con lo cual pueden ser
sintetizados en los tejidos animales un aminoácido a partir de otro y el
correspondiente cetoácido. Estos aminoácidos así formados, serán dispensables o
no esenciales.
Existen otros tipos de transaminación en los cuales la glutamina y la aspargina
actúan como donadores del grupo amino. La transaminación tiene un papel esencial
en la formación de la urea, en relación con la síntesis de los ácidos glutámicos y
aspártico como medio de tranferencia de amoníaco para la producción de úrea.
Las transaminasas también presentan un especial significado para el diagnóstico de
las enfermedades del hígado, el corazón y los músculos. Estas poseen ciertos niveles
séricos que se incrementan notablemente cuando hay afecciones en estos
órganos. La elevación de la GPT es indicativa del daño celular en el hígado,
mientras que el incremento de la GOT puede deberse a altraciones del corazón en
los músculos o el hígado, todo lo cual tiene gran importancia para el diagnóstico, pues
estos cambios comienzan aún antes de aparecer los síntomas clínicos.
2.3 Descarboxilación
Se trata de una reacción que le puede ocurrir a todos los aminoácidos mediante la cual
estos son convertidas en aminas con pérdida del grupo carboxílico,RCOOH, como CO2,
la reacción es catalizada por la enzima aminoácido descarboxilasa con la vitamina B
como coenzima, estas aminas biógenas pueden ser tóxícas (ptomaínas) y
muchas son vasopresoras poderosas. La reacción puede ocurrir por acción
bacteriana producto de la putrefacción, aunque también puede tener lugar en los
tejidos normales y producida por enzimas propias
Cuadro 2.Productos de descarboxilación de varios aminoácidos.
Aminoácido
Aminas biógenas
Lisina
Cadaverina
Arginina
Agmatina
Tirosina
Tiramina
Ornitina
Putrescina
Histidina
Histamina
Serina
Etanolamina
Cisteína
Beta mercapto Etilenamina
Acido aspártico
Acido glutámico
Beta alanina
Gama aminobutirico
(GABA)
Estas aminas son generalmente detoxicadas por el hígado por medio de un
sistema enzimático, conocido como las mono amino oxidasa (MAO).
Lección 3.Ciclo de la úrea
El ciclo fue descrito por primera vez por H.A.Krebs y K.Henseleit en 1932 por lo
que lleva sus nombres.
La úrea( H2N-CO-NH2 ) ,constituye el principal producto del catabolismo de los
aminoácidos; por tanto es un producto de desecho que se obtiene a partir de la
oxidación de los aminoácidos. Cuando éstos son oxidados en el hígado, por medio de la
desaminación oxidativa, se producen grandes cantidades de amoníaco (NH3), el cual
debe ser eliminado del organismo ya que este producto es extremadamente
tóxico, para ello el hígado lo convierte en úrea, lo que constituye un proceso de
detoxicación del organismo.En la síntesis de la urea, que se realiza en el hígado,
intervienen tres aminoácidos directamente, la ornitina , la citrulina y la arginina, que
trabajan en forma de ciclo, y que tienen responsabilidades muy señaladas dentro
del ciclo. Además, como aspecto muy importante hay que señalar que el proceso
consume gran cantidad de energía; se gasta cuatro enlaces del ATP.
Desde el punto de vista didáctico, el proceso puede ser separado en cuatro
pasos :
1.
Síntesis del carbamil fosfato.
2.
Síntesis de la citrulina
3.
Síntesis de la arginina
4.
Hidrólisis de la arginina
La síntesis del carbamil fosfato se realiza en la fracción mitocondrial por medio de
la enzima carbamil fosfato sintetasa. El carbamil fosfato se forma a partir del
NH5 libre producto de la desaminación oxidativa y el CO2.la reacción requiere de
dos moléculas de ATP como fuente de energía, del acetil glutámico que actúa
como activador alostérico de la enzima y de la biotina portadora del grupo CO2 .
En general la reacción global de la formación de úrea sería:
2 NH3 + CO2 + 3 ATP + 3H20
Urea + 2 ADP + AMP + 4Pi
Como puede observarse, el ciclo actúa como un pequeño proceso de producción, donde
la "materia prima" es el amoníaco y el producto final, la urea. Asegurando este proceso
por el aporte de energía en forma de ATP. Se discute mucho sobre el aporte de
amoníaco al ciclo, la mayoría de los autores concuerdan en que esto se hace partir del
ácido glutárnico y el aspártico o sea, los aminoácidos por trasaminación originarían
ácido glutámico, que sería desaminado por la glutámico deshidrogenasa en el
hígado, con lo cual aportaría NH3 al ciclo. El otro aporte de nitrógeno al ciclo es por el
aspártico, el cual se resintetiza por transaminación a partir del oxaloacético.
Una vez formada la úrea por el hígado, esta toma la circulación general
difundiéndose a todo el organismo, dado su gran poder de difusión; de esta forma
llega al riñón y se elimina con la orina.
Lección 4 Metabolismo ruminal
4.1Introducción
En general se puede decir que el metabolismo del rumiante transcurre por vías
similares a las ya estudiadas, con las características propias impuestas por el
trabajo bioquímico que tiene lugar en el rumen. Se acostumbra a hacer referencia
siempre al rumen, aunque es sabido que los rumiantes presentan en su tubo digestivo
un estómago pluricavitario que está formado por el rumen o panza, el bonete o
retículo, el librillo u omaso y el cuajar, ahornas() o verdadero estómago. Los tres
primeros (rumen, bonete y librillo) constituyen los llamados preestómagos de los
rumiantes con las caracteristicas de no poseer glándulas en su mucosa e
histológicamente presentan un epitelio escamoso estratificado, mientras el cuajar
tiene todas las características del estómago normal de todas las especies.
El rumen o panza ocupa la parte izquierda de la cavidad abdominal, desde el
diafragma hasta la pelvis. Está formado por dos sacos, uno ventral y otro dorsal,
con una capacidad promedio de 180 a 200 litros en animales adultos. Está desprovisto
de glándulas e internamente la mucosa forma múltiples papilas que participan en la
absorción de los productos de la transformación de los alimentos. El bonete está
colocado contra el diafragma, en la parte antero superior del rumen, en comunicación
con la panza y el librillo, su mucosa es también sin glándulas y toma la forma de
panal de abejas por los repliegues que contiene. El librillo u omaso es algo globular,
con mucosas pliegues o láminas recubiertas de papilas con el epitelio tonificado.
El cuajar es como ya señalamos, el verdadero estómago del rumiante, con todas
las características del estómago, donde ocurre la digestión.
La existencia del rumen en los poligástricos permite realizar grandes transformaciones en los alimentos ingeridos, generalmente de bajo valor nutritivo, con la
posterior utilización por eI rumiante de los productos de este trabajo bioquímico, los
cuales son de mayor utilidad. Esto ha posibilitado la confección de dietas que sólo
son posibles en estos animales.
El metabolismo de los carbohidratos en el rumen es activo e importante. La dieta del
rumiante contiene grandes cantidades de celulosa que, producto de este trabajo
bioquimico ruminal, es utilizado en grado sumo. En dependencia del régimen alimentario
del animal, pueden aparecer en la dieta mayor o menor cantidad de almidón si el animal
está recibiendo concentrado. Otros glúcidos en la dieta pueden ser la hemicelulosa y la
pectina. También debemos señalar que si el animal está sometido a dieta de miel, estará
recibiendo grandes cantidades de glúcidos de pequeños peso molecular. La Figura 8
,muestra la composición y origen de los nutrientes en los forrajes.
MATERIAL
VEGETAL
Como el
FORRAJE
Tiene
HUMEDAD
Contiene
MATERIA
SECA
(MS)
Comprende
Comprende
MATERIA
INORGÁNICA
MATERIA
ORGÁNICA
Presente
en
CENIZAS
(CZ)
Contienen
MINERALES(P,Ca,
Mg,Si,Fe…)
Contiene
PROTEÍNA
CRUDA
(PC)
Incluye
NNP + NP
Contiene
EXTRACTO
ETÉREO
(E.E)
Incluye
GRASAS,AG,
PIGMENTOS
ÁCIDOSORGÁNICOS
Contiene
FIBRA
CRUDA
(FC)
Incluye
FDA +FDN+LDA
Figura 8. Componentes químicos del forraje
Las transformaciones de los carbohidratos en el rumen son intensas e implican dos
procesos fundamentales; en primer lugar la hidrólisis de los polisacáridos, que pasando por
polímeros de menor peso molecular y disacáridos, son llevados finalmente a
monosacáridos, y en segundo lugar la fermentación de estos monoglúcidos con
producción de ácidos grasos volátiles (AGV) fundamentalmente acético, propiónico y
butírico. La hidrólisis de los polisacáridos es realizada por enzimas bacterianas del tipo de
las hidrolasas pertenecientes al grupo de las carbohidrasas.
La fermentación sigue pasos muy similares a las fases de la glucóli sis, ya estudiada, con
producción primeramente de ácido pirúvico y a partir del cual se producen los AGV. En la
Figura 9, se representa un esquema sobre las líneas generales del metabolismo de los
glúcidos en el rumen. Producto del intenso trabajo bioquímico desarrollado en el rumen,
principalmente a partir de las fuentes de carbohidratos , se producen también grandes
cantidades de gases, encontrándose entre los principales el CO2 , el CH4 y el H2 . Estos
gases son eliminados principalmente por el eructo, muy desarrollado en estos animales.
Por otra parte hay que señalar que no todos los monosacáridos son fermentados en el
rumen, pues parte se usan por los microorganismos formando polímeros, como el caso
de los polisacáridos bacterianos, el glúcogeno de los protozoos, etcétera. Producto de la
fisiología ruminal, junto con el bolo alimenticio, estos microorganismos pasan al
cuajar y al intestino delgado donde son hidrolizados, de manera similar como ocurre en otros
animales, constituyendo con ello una fuente de glucosa directa que es absorbida como tal.
4.2 Metabolismo de la Celulosa
La celulosa es el principal poliglicérido presente en la dieta de los rumiantes. Está
constituida básicamente por unidades de beta glucopiranosa unidas por enlaces
glucosidicos 1-4, recubiertos en gran parte por lignina. La lignina no es un
carbohidrato, sino un polímero de alcoholes aromáticos, que puede representar desde
el 15 al 30 % de la masa seca. La estructura de la lignina no es conocida aunque se
precisa que es una biopolímero estructural ,constituído por Benzaldehidos, polifenoles
e isopropilbencenos, está presente en unidades repetidas.
Figura 9.Bioquímica ruminal de forrajes
La celulosa es el principal polisacárido estructural ingerido por los rumiantes, siendo notable
la capacidad de los mismos para su utilización.
Los rumiantes, entre ellos los bovinos y los ovinos, pueden utilizar la celulosa producto
de la acción de los microorganismos del rumen, principalmente las bacterias tales como el
Bacteroides succinogenes y el Ruminococus flavefaciens. Estas bacterias
producen enzimas extracelulares que degradan la celulosa, así como la hemicelulosa. La
enzima básica en la hidrólisis de la celulosa es una beta 1 - 4 glucosidasa (conocida
como celulasa) que produce glucosa pasando por diferentes polímeros de masa
molecular menores que la celulosa y finalmente por celobiosa, que es un diglúcido que
se obtiene por la hidrólisis de la celulosa. La celulosa producida por la hidrólisis de la
celulasa es fermentada, tambien por acción bacteriana, con la producción final de los
ácidos grasos volátiles (AGV), acético, propiónico y butírico, otros ácidos en menor
cuantía y diferentes gases . En la Figura 9, se muestra este proceso .
4.3 Metabolismo del Almidón y hemicelulosa
El almidón es un polisacárido no estructural(CNE), constituido por unidades de alfa
glucopiranosa con enlace gucósido 1-4 y ramificaciones 1-6. Generalmente junto al
almidón se encuentran diferentes tipos de dextrinas y otros carbohidratos solubles. Cuando
se administra mieles finales de la industria azucarera de los animales es considerable la
presencia de sacarosa y otros oligosacáridos solubles en la dieta. Todos de manera
general, presentan un metabolismo semejante.
En condiciones normales de pastoreo el almidón no constituye un elemento básico en la
dieta de los rumiantes, sin embargo, en la explotación ganadera moderna, con el suministro
de concentrados a las vacas lecheras u otras categorías productivas, este polisacárido no
estructural(CNE), ha pasado a constituir un producto en la dieta del rumiante.
El almidón y otros carbohidratos solubles (CHOS), son degradados de forma semejante
a la ya estudiada, primero son hidrolizado a monosacáridos y éstos se fermentan a AGV.
En la figura 9, se presenta un esquema del metabolismo del almidón en el rumen.
El AGV predominante a partir de la fermentación del almidón es el ácido propiónico, siendo
considerable también la producción de láctico así como eI succínico y fórmico, en la
cantidad de almidón en la dieta es significativa.
Junto con la celulosa, que es el componente principal en la dieta de los rumiantes, se
encuentra también otros productos en menor cuantía tales como la hemicelulosa. La
pectina, fructuosa, xilanas, La hemicelulosa presenta, como base en su constitución
difierentes tipos de pentosas, sobre todo xilosa y arabinosa, hexosas y ácido gluc urónico
asociado a fracciones de celulosa de bajo peso molecular. Las pectinas presentan en su
constitución el ácido galacturónico esterificado al metanol.
En todos estos carbohidratos están presentes hexonas, ácidos urónicos, pentosas y otros
componentes de menor significación. En su esquema metabólico en el rumen estos
productos se metabolizan siguiendo patrones semejantes.
Las hexosas se incorporan a la vía glucolítica, los ácidos urónicos se transforman en
pentosas y estos juntos a las demás pentosas se metabolizan siguiendo la vía de la hexosa
monofosfato o ciclo de las pentosas. En la Figura 9, se muestran estas vías.
4.4 Trastornos metabólicos ruminales: La cetosis.
Despues de haber estudiado el metabolismo de los carbohidratos en el rumiante, se
pueden comprender mejor ciertos trastornos metabólicos de estos animales, tales como la
cetosis de la vaca lechera y la toxemia de la oveja gestante, caracterizados ambos por un
fallo del metabolismo de los glúcidos con bajos niveles de glucosa sanguínea e
incrementos de los cuerpos cetónicos.
Según se desprende de los estudios anteriores el aporte de glucosa como tal, a partir de
los carbohidratos ingeridos, es limitado en el rumiante productor de las fermentaciones que
ocurren en el manen y que conllevan a la parcial transformación de los carbohidratos de la
dieta en AGV. De estos tres AGV, uno es glucogenético ( el propiónico) y los otros dos
son cetogenéticos (el acético y el butírico).
Por otra parte, los niveles de la glucosa sanguínea de los rumiantes son normalmente los más
bajos entre los animales superiores, encontrándose valores de 45 a 75 mg / 100 mL en los
bovinos y de 50 a 80 mg / 100 mL en los ovinos, mientras en los equinos, porcinos y
caninos, por ejemplo, pueden llegar hasta 100 o más mg / 100 Ml. Los niveles bajos de la
glicemia de estos animales pueden estar en dependencia del pobre aporte de la glucosa
como tal por la vía digestiva, la cual depende, en gran medida, de la hidrólisis de los
polisacáridos bacterianos y de los protozoos. El déficit en el aporte de glucosa trata de ser
compensado a partir de una mayor gluconeogénesis, proceso este, más desarrollado en
el rumiante, tomando como producto gluconeogenético al ácido propiónico. En
condiciones especiales, todo este complejo equilibrio de los rumiantes puede ser
alterado, produciéndose un incremento en el metabolismo oxidativo de las grasas con el
conveniente incremento de los cuerpos cetónicos y la presentación de las cetosis como
tal. Esta alteración se produce, fundamentalmente, en la vaca lechera de alta producción
producto de la gran cantidad de glucosa destinada a la producción de la lactosa, asociada a
otros procesos de carácter metabólico hormonal y nutritivo que traen como consecuencia
dicha alteración metabólica. Esto se manifiesta por hipoglicemia más o menos manifiesta y
elevación del nivel de los cuerpos cetóncos. En estos casos se producen grandes
alteraciones de las principales rutas metabólicas, pu por un lado la hipoglicemia provoca un
efecto estimulados sobre la liberación del glucagón que a su vez estimula la liberación de la
glucosa hepática por incremento de la glucogenogénesis, esto, como es lógico, da
respuesta en dependencia de los niveles del glucógeno hepática Además, se debe
considerar el efecto estimulante del glucagón sobre la liberación de los ácidos grasos del
tejido adiposo, que de no existir reservas de glucosa en el hígado para su posterior
redistribución traerá como resultado un exceso de la oxidación de dichos ácidos con el
consecuente incremento de los cuerpos cetónicos, que requieren para su oxidación del
funcionamiento adecuado de ácido oxaloacético, que por otra parte depende, en gran
medida, del nivel de glucosa sanguínea y que también por la vía de la gluconeogénesis
puede ser convertidos en glucosa y escapar hacia la formación de lactosa. En la Figura 14.9
hemos relacionado todos estos factores.
Lección 5.Metabolismo de los compuestos nitrogenados ruminales.
Incluye entre sus principales aspectos, el metabolismo de las proteínas, tanto la síntesis
como la degradación o proteólisis; la síntesis y el catabolismo de los aminoácidos, así
como los aspectos que comprenden el metabolismo del nitrógeno no proteico (NNP), en
especial la urea como fuente de amoniaco y su posterior destino. El rumiante es capaz
de usar diferentes fuentes de nitrógeno no proteico para satisfacer sus necesidades
nutritivas, lo cual es posible por el trabajo bioquímico realizado por los
microorganismos rumiantes, en especial las bacterianas. La dieta del rumiante
contiene, como es lógico suponer, diferentes tipos de proteínas y compuestos
nitrogenados en general de carácter no proteicos. Al mismo tiempo, producto de las
características metabólicas especiales de estos rumiantes, al rumen llegan cantidades
apreciables de urea procedente de la síntesis hepática, o en algunos casos, por la
aplicación de la misma dieta. Todos estos productos son transformados en el rumen. Las
proteínas hidrolizadas liberan aminoácidos, los aminoácidos son oxidados produciendo NH3
y cadenas carbonadas que conducen a la formación de AGV; el NH3 producto de la
hidrólisis de la urea o de los aminoácidos pueden ser usados para la síntesis de nuevos
aminoácidos y nuevas proteínas por las bacterias; estas a su vez son fuente de nitrógeno
para los protozoos y por último todo pasa al cuajar donde ocurre la digestión final,
adquiriendo el animal diferentes aminoácidos para cubrir los requerimientos de su propio
metabolismo. Todo este trabajo representa un enorme beneficio para el rumiante pues le
permite disponer de una fuente de compuestos proteicos en mayor cantidad y calidad que
los recibidos inicialmente pudiendo satisfacer en gran medida su requerimiento nutritivo,
desde el punto de vista proteico.
5.1 Metabolismo Proteíco en el Rumen
Las proteínas sufren grandes transformaciones en el rumen. En este lugar puede ocurrir la
hidrólisis (proteólisis) por enzimas bacterianas, así como la síntesis de nuevas proteínas
a partir de los aminoácidos liberados o de nueva formación..La figura 10,muestra las
vías metabólicas ,por medio de las cuales se degradan las proteínas en el rumen.
Figura 10. Metabolismo proteíco ruminal
Las enzimas proteoliticas del rumen son producidas por las bacterias y por los
protozoos. Entre las bacterias con esta actividad se encuentran los géneros
bacteroides Selenomonas y Butirivibrio, mientras los protozoos pertenecen a los géneros
Entodinium y Endiplodium entre otros. Al parecer, la actividad proteolítica de las bacterias
se encuentran localizadas en la superficie de las células bacterianas en contacto con el
sustrato. Estas enzimas son responsables de hidrolizar las proteínas hasta aminoácidos,
pasando por péptido de diferentes tamaños. Como es lógico el pH y el estado ruminal son
factores que influyen de manera destacada en la actividad proteolitica general del numen.
Por ejemplo, a pH 6-7 la actividad proteolítica presenta un estado óptimo. Las bacterias
atacan preferentemente a las proteínas de la dieta, no así los protozoos que pueden
actuar hidrolizando tanto las proteínas de la dieta como las proteínas bacterianas, a
partir de las bacterias fagocitadas. Por esta vía, los protozoos en gran medida satisfacen
sus necesidades de aminoácidos para formar sus propias proteínas.
En relación con este aspecto debemos señalar, por último, que un porcentaje
determinado de proteínas, sobre todo las de las paredes celulares recubiertas de
lignina, escapan a la acción proteolitico del rumen y en muchos casos a la del cuajar
e intestino, y aparecen en las heces fecales del rumiante. Esto está en muy estrecha relación
con la solubilidad de las proteínas, pues es conocido que a medida que aumenta también la
intensidad de la proteosis en este órgano.
Por otra parte, en el rumen ocurre una intensa síntesis de nuevas proteínas. Tanto las
bacterias como los demás microorganismo ruminales requieren para su metabolismo
de su propia proteína, bien proteínas estructurales o proteínas enzimáticas. Como es
lógico, las proteínas somáticas de cada microorganismo deben ser formadas a partir de
los elementos básicos; o sea, los aminoácidos, los cuales pueden tener su origen en los
aminoácidos procedentes de las proteinas ingeridas o a partir de los aminoácidos
sintetizados por medio del nitrógeno amoniacal (N-NH3 ).
La síntesis proteica a partir del NNP es, sin duda, uno de los aspectos más
significativos en la bioquímica ruminal, pues permite la utilización de fuentes no proteicas en
la alimentación de estos animales, economizando recursos alimentarios que son deficitarios
en el mundo, como es el caso de las proteínas, y su posterior utilización para otros fines.
Otro aspecto que queremos explicar, es la síntesis de proteínas por los protozoos, dada la
mayor calidad biológica de estas proteínas que las proteínas vegetales ingeridas por el
animal. Posteriormente el rumiante, producto del intenso metabolismo del rumen y el
paso del contenido ruminal al cuajar e intestino, dispone de una fuente proteica de mucho
más valor nutritivo que la ingerida inicialmente.
5.1.1 Metabolismo de los aminoácidos en el rumen
Los aminoácidos también sufren de un intenso metabolismo en el rumen. En general, existe
en el rumen, por un lado, la desaminación oxidativa de los aminoácidos con liberación de
NH3 y la posterior conversión de la cadena carbonada en AGV; así como la síntesis de
nuevos aminoácidos por aminación, con la correspondiente incorporación de NH3 a
diferentes cetoácidos, los cuales pueden ser, inclusive, formados totalmente en el
rumen. La desaminación de los aminoácidos en el rumen ocurre por la vía de la
desaminación oxidativa dependiente del aminoácido oxidasa, acoplando al FAD. La
cantidad de aminoácidos libres normalmente es baja, ya que la mayoria son convertidos
en NH3 , AGV y CO2, solo unos pocos son incorporados como tal a las proteínas celulares.
La desaminación de los aminoácidos libera NH3 que debemos considerar dentro del total
de NH3 del contenido ruminal. Producto de la desaminación de los aminoácidos en el
rumen se producen AGV de cadenas ramificadas, tal como el isobutírico y el
isovalérico. Muchos aminoácidos en el rumen también, producen compuestos
aminados o aminas biógenas que más tarde son metabolizadas liberando NH3 y AGV.
En definitiva, todos los aminoácidos del rumen pueden ser convertidos en estos
productos.
Por otra parte es conocido que las bacterias ruminales son capaces de formar el esqueleto
carbonado de muchos aminoácidos, entre otros: lucina, valina, isoleucina, fenilalanina,
glutámico, triptófano, alamina etcétera. Entre ellos, muchos considerados esenciales
en otras especies de animales. Esto nos obliga a considerar el concepto tradicional de
aminoácido esencial bajo otro ángulo para esta especie. Diferentes autores consultados
coinciden en este aspecto, aunque faltan estudios más profundos para considerar la relación
de aminoácidos esenciales en los rumiantes algunos señalan a la lisina y la metionína como
limitante, aunque ambos también se sintetizan en el rumen. La figura 11,muestra un
resumen de estos procesos descritos en el rumen.
Figura 11. Metabolismo de aminoácidos en el rumen.
Muchas bacterias del rumen son capaces de fijar el NH3 al cetoglutárico por medio de
la glutámico deshidrogenasa, que puede trabajar acoplada al NADH2 O NADPH2 como
elemento reductor. Por este mecanismo se sintetiza el ácido glutámico, el cual, con los
correspondientes cetoácidos, puede originar diferentes aminoácidos por transaminación.
El cetoglutárico se obtiene por la vía del ciclo de Krebs.. Con esto se asegura la síntesis
del glutámico requerido para la formación de la arginina y prolina, aminoácidos
pertenecientes a la familia del ácido glutámico. Muchas bacterias incorporan el NH3 al
glutámico por la vía de la glutamina sintetasa. La glutamina formada puede incorporar
el NH3 a la síntesis de otros aminoácidos o las bases púricas.
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