2019 MONOGRAFÍA DE LOS CARBOHIDRATOS UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES CARRERA PROFESIONAL DE FARMACIA Y BIOQUÍMICA Universidad Peruana Los Andes “AÑO DE LA LUCHA CONTRA LA CORRUPCIÓN E IMPUNIDAD” UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD CARRERA PROFESIONAL DE FARMACIA Y BIOQUÍMICA TEMA “MONOGRAFÍA DE LOS CARBOHIDRATOS”. PRESENTADO POR: - Chambergo Ticse Deysi Rosario - Ninalaya Molina Sidma Soledad - Sedano Mendoza Joyce David DOCENTE: Dra. VALDERRAMA SUELDO MARTHA RAQUEL ASIGNATURA: BIOQUÍMICA II CICLO: VI HUANCAYO - PERÚ 2019 1 Universidad Peruana Los Andes INTRODUCCIÓN Los carbohidratos (también llamados “hidratos de carbono”) son uno de los tres tipos de macronutrientes presentes en nuestra alimentación (los otros dos son las grasas y las proteínas). Existen en multitud de formas y se encuentran principalmente en los alimentos tipo almidón, como el pan, la pasta alimenticia y el arroz, así como en algunas bebidas, como los zumos de frutas y las bebidas endulzadas con azúcares. Los carbohidratos constituyen la fuente energética más importante del organismo y resultan imprescindibles para una alimentación variada y equilibrada. Son las principales moléculas que almacenan energía en la mayoría de los seres vivos y también son constituyentes estructurales de las paredes celulares. Por otro lado, ellos son importantes en procesos de reconocimiento celular, incluyendo la adhesión de células vecinas y el transporte de proteínas a su destino intracelular final (modificaciones de la cadena glucosídica en su paso por el Aparato de Golgi). Químicamente, los carbohidratos están compuestos por C, H y O. La fórmula básica de estas moléculas es (CH2O) n de la cual deriva su nombre: C, carbo; H2O, hidrato. Se clasifican según el número de monómeros: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. El progreso en las investigaciones científicas ha puesto en relieve las diversas funciones que tienen los carbohidratos en el cuerpo y su importancia para gozar de una buena salud. En la siguiente explicación se examinan más a fondo dichas investigaciones, para que el lector conozca mejor este macronutriente, siendo además necesario señalar que gran parte de nuestros conocimientos en torno a los carbohidratos datan ya de hace bastante tiempo. La mayoría de la energía que necesitamos proviene de los carbohidratos. Se encuentran fundamentalmente en vegetales. Es la principal fuente de alimento en todo el mundo, la más fácil de obtener y más barata. Sin embargo, la población general tiende a considerarlos como productos que engordan, por lo que en el mundo desarrollado el consumo de carbohidratos feculentos y fibra ha disminuido drásticamente, incrementándose, por otra parte, el de azúcar. 2 Universidad Peruana Los Andes OBJETIVOS - Objetivo General Conocer los ciclos relacionados a la respiración celular, a través de los diferentes procesos en el metabolismo de los carbohidratos - Objetivos Específicos Analizar y describir cada uno de las rutas metabólicas de los carbohidratos Definir los procesos de suma importancia en el metabolismo de los carbohidratos Reconocer la importancia y función de los carbohidratos en el organismo. 3 Universidad Peruana Los Andes ÍNDICE INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 2 OBJETIVOS................................................................................................................................. 3 - Objetivo General ........................................................................................................... 3 - Objetivos Específicos ..................................................................................................... 3 CAPITULO I: CARBOHIDRATOS ................................................................................................. 7 1.1. Definición .................................................................................................................. 7 1.2. Clasificación ............................................................................................................... 7 1.2.1. Monosacáridos .................................................................................................. 7 1.2.1.1. Configuración ................................................................................................ 8 1.2.1.2. Derivados De Los Monosacáridos ................................................................. 9 1.2.2. Oligosacáridos ................................................................................................. 10 1.2.3. Polisacaridos.................................................................................................... 11 1.2.3.1. Polisacáridos Complejos.............................................................................. 12 CAPITULO II: GLUCÓLISIS ........................................................................................................ 13 2.1. Definición ................................................................................................................ 13 2.2. Lo Más Destacado De La Glucólisis ......................................................................... 13 2.3. Los Pasos A Detalle: La Fase En Que Se Requiere Energía ...................................... 15 2.4. Los Pasos A Detalle: La Fase En Que Se Libera Energía ........................................... 16 2.5. ¿Qué Le Sucede Al Piruvato Y Al NADH? ................................................................. 18 CAPITULO III: CICLO DE CORÍ .................................................................................................. 19 3.1. Descripción .............................................................................................................. 19 3.2. Metabolismo Aerobio De La Glucosa ...................................................................... 20 3.3. Ciclo De Cori ............................................................................................................ 21 3.4. Cuándo comienza el ciclo de Cori............................................................................ 21 3.5. Desarrollo Del Ciclo De Cori .................................................................................... 21 3.6. El Papel Del Lactato En El Ciclo De Cori ................................................................... 22 3.7. ¿Por Qué Se Produce El Ciclo De Cori? .................................................................... 23 3.8. Consumo Neto De ATP: 4 ATP ................................................................................. 23 CAPITULO IV: CICLO DE KREBS ............................................................................................... 24 4.1. Definición ................................................................................................................ 24 4.2. Reacciones Del Ciclo Del Ácido Cítrico .................................................................... 24 4.2.1. Reacción 1: Condensación Del Oxalacetato Con La Acetil CoA ....................... 25 4.2.2. Reacción 2: Isomerización Del Citrato A Isocitrato ......................................... 25 4.2.3. Reacción 3: Oxidación Y Decarboxilación Del Isocitrato ................................. 26 4 Universidad Peruana Los Andes 4.2.4. Reacción 4: El α -Cetoglutarato Se Transforma En Succinil-CoA ..................... 26 4.2.5. Reacción 5: La Succinil-CoA Rinde Succinato Y GTP ........................................ 27 4.2.6. Reacción 6: El Succinato Se Transforma En Fumarato .................................... 27 4.2.7. Reacción 7: El Fumarato Se Hidrata Y Genera Malato .................................... 28 4.2.8. Reacción 8: El Malato Se Oxida A Oxalacetato................................................ 28 CAPITULO V: FOSFORILACIÓN OXIDATIVA ............................................................................ 29 5.1. Definición ................................................................................................................ 29 5.2. Fosforilación Oxidativa: Síntesis De ATP ................................................................. 29 5.3. Transportadores Redox Mitocondriales .................................................................. 30 5.3.1. El Complejo I.................................................................................................... 30 5.3.2. Complejo II ...................................................................................................... 31 5.3.3. Complejo III ..................................................................................................... 31 5.3.4. Complejo IV ..................................................................................................... 31 5.4. Síntesis De ATP: Complejo V ................................................................................... 32 5.5. Complejo ATP Sintasa.............................................................................................. 32 5.5.1. El Componente F1 ........................................................................................... 32 5.5.2. El Componente F0 ........................................................................................... 33 5.6. Regulación De La Fosforilación Oxidativa ............................................................... 33 5.7. Importancia ............................................................................................................. 34 5.8. Función .................................................................................................................... 34 CAPITULO VI: GLUCONEOGÉNESIS ......................................................................................... 35 6.1. Definición ................................................................................................................ 35 6.2. Reacciones De La Gluconeogénesis......................................................................... 36 6.2.1. Conversión Del Piruvato En Fosfoenolpiruvato .............................................. 36 6.2.2. Conversión De La Fructosa-1,6-Bisfosfato En Fructosa-6-Fosfato .................. 37 6.2.3. Conversión De La Glucosa-6-Fosfato En Glucosa ............................................ 37 6.3. Regulación ............................................................................................................... 37 6.3.1. Regulación Por Los Niveles De Energía ........................................................... 38 6.3.2. Regulación Por Fructosa 2,6-Bisfosfato........................................................... 38 6.3.3. Regulación De La Fosforilación........................................................................ 38 6.3.4. Regulación Alostérica ...................................................................................... 38 6.4. Ciclo De Cori ............................................................................................................ 39 6.5. Balance Energético .................................................................................................. 39 6.6. Importancia Biomédica ........................................................................................... 39 6.7. Función .................................................................................................................... 40 CAPITULO VII: BALANCE ENERGÉTICO ................................................................................... 41 5 Universidad Peruana Los Andes 7.1. Definición ................................................................................................................ 41 CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 43 RECOMENDACIONES .............................................................................................................. 44 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 45 ANEXOS ................................................................................................................................... 46 6 Universidad Peruana Los Andes CAPITULO I: CARBOHIDRATOS 1.1. Definición Los glúcidos, azúcares o carbohidratos, son químicamente hablando, aldehídos o cetonas polihidroxilicos, o productos derivados de ellos por oxidación, reducción, sustitución o polimerización. Los glúcidos desempeñan una gran variedad de funciones en los organismos, como una fuente energética o formando material estructural de las membranas, esto entre otras muchas funciones, por lo que se consideran moléculas extremadamente versátiles. 1.2. Clasificación 1.2.1. Monosacáridos Los monosacáridos simples se pueden representar con la fórmula estequiométrica (CH2O) y pueden tener función aldehído: cuando el grupo funcional carbonilo se encuentra en el carbón primario de la molécula, o función cetona: cuando el grupo funcional se encuentra en un carbón secundario. Según la longitud de la cadena carbonada se distinguen entre Aldo o cetotriosas, tetrosas, pentosas etc. La molécula más pequeña que generalmente se considera un monosacárido son las triosas (con n = 3). 7 Universidad Peruana Los Andes 1.2.1.1. Configuración Los monosacáridos por su estructura pueden presentar diferentes tipos de isomería. La existencia de uno o varios carbonos asimétricos en todos los monosacáridos simples, excepto en la cetotriosa: dihidroxiacetona, implica numerosas posibilidades de configuración espacial de la cadena carbonada. a) Enantiómeros Este tipo de isomerismo se observa en la fórmula del gliceraldehido, el segundo átomo de carbono tiene cuatro sustituyentes diferentes, por lo que es un carbono quiral. Por lo tanto, el gliceraldehido tiene dos estereoisómeros de tipo enantiómeros, que son imágenes especulares, no superponibles, uno del otro. La forma más compacta de representar los enantiómeros es utilizando una proyección de Fischer. Otro tipo de isomerismo es el que se da debido a la capacidad de desviar el plano de la luz polarizada, los que desvían la luz hacia la derecha se conocen como D (dextrógiros) y los que la desvían hacia la izquierda L (levógiros). El carbono asimétrico, el más alejado del aldehído determina la designación D/ L según la posición del grupo funcional OH. En los organismos domina una forma enantiomérica de los monosacáridos, la forma D, No obstante, también hay monosacáridos L, aunque en menor proporción, desempeñando funciones bastante especializadas. b) Diastómeros Cuando se consideran los monosacáridos con más de tres carbonos, se aprecia que el monosacárido puede tener más de un carbono quiral, por lo que hay dos tipos de estereoisómeros: los enantiómeros y los diastómeros una nueva forma de estereoisómeros que se distinguen de los primeros por que no son imágenes especulares uno del otro. Son isómeros que difieren en su orientación alrededor de 8 Universidad Peruana Los Andes otros carbonos, con la misma fórmula estructural, pero con una disposición diferente en sus grupos, recibiendo nombres diferentes, Ejemplo de esto son la triosa y la eritrosa son dos aldotreosas con orientaciones contrarias alrededor del carbono 2, teniendo cada uno dos enantiómeros. c) Anómeros Los monosacáridos de 5 y 6 carbonos presentan la característica de poder formar estructuras de anillo muy estables mediante la formación de un hemiacetal interno. Cuando el enlace se da entre el oxígeno del carbono uno con el hidroxilo del carbono cuatro produce una estructura cíclica llamada furano. Si el enlace se da entre el uno y el cinco el anillo se denomina pirano. En condiciones fisiológicas en disolución, los monosacáridos de 5 y 6 carbonos se encuentran en un 99% en forma de anillo. Esta nueva estructura a formado un nuevo centro asimétrico basado en el carbono 1, dando lugar a los estereoisómeros α y β debido a la rotación de la luz polarizada, estos isómeros que difieren en la configuración tan sólo del carbono 1(átomo del carbono anomérico) se denominan anómeros. Con la proyección de Haworth podemos ejemplificar este isomerismo de la glucosa. Existen dos clases de conformaciones de piranosa para los azucares de 6 carbonos: la forma de silla más estable y la de bote, menos favorecida. Si bien existen en la naturaleza con más de 6 carbonos, la mayoría son de escasa importancia. a excepción de la sedoheptulosa. 1.2.1.2. Derivados De Los Monosacáridos A los grupos hidroxilos de los monosacáridos se le pueden unir a otros grupos funcionales, los más importantes y que desempeñan una función biológica son: a) Esteres De Fosfato 9 Universidad Peruana Los Andes Un grupo fosfórico se une a un grupo hidroxilo formando un éster fosfato, ejemplo de esto es el D-Gliceraldehído-3-fosfato o la a-Dglucosa -6-fosfato. Los azúcares fosfato son intermediarios importantes del metabolismo y actúan como compuestos activados en el anabolismo. b) Ácidos Y Lactonas Estos se producen en presencia de un agente oxidante, formando ácidos aldónicos. Algunos de ellos son el ácido D-glucónico, la dgluconolactona. c) Alditoles Estos se producen al reducirse el grupo carbonilo del azúcar, en la naturaleza se encuentran el eritrol, el D-manitol y el D-glucitol, también conocido como sorbitol. d) Aminoazúcares. En estos un grupo amino se une al azúcar, la glucosamina y la galactosamina son los más frecuentes. De la glucosamina proceden otros como el ácido murámico y el ácido N-acetilmurámico. Grafico Nº 1.1: Principales Monosacáridos 1.2.2. Oligosacáridos Son polímeros de monosacáridos, que no rebasan el número de diez los más abundantes son los disacáridos. Los oligosacáridos tienen propiedades reductoras cuando uno de los hidroxilos anoméricos no está comprometido 10 Universidad Peruana Los Andes con el enlace glucosídico. Es el caso entre otros, de la maltosa, isomaltosa, celobiosa y lactosa. Para describir las estructuras de estos oligosacáridos se comienza por el extremo no reductor en el lado izquierdo, se señala la forma anomérica y enantiomérica. Los átomos entre los cuales se forman los enlaces glucosídicos se indican mediante números entre paréntesis, escribiendo primero el carbono de la izquierda y después el carbono del residuo de la derecha. Existen otros en los cuales están comprometidos los carbonos anoméricos por lo que carecen de poder reductor y de mutarrotación entre estos se encuentran la sacarosa, la trehalosa y la rafinosa. La sacarosa es α D glucopiranosil-β-D-fructofuranósido. ´ Gráfico Nº 1.2: Principales Oligosacáridos 1.2.3. Polisacaridos Como su nombre lo indica estos compuestos son polímeros de elevada masa molecular, formados por condensación de monosacáridos simples, que a veces presentan estructuras complejas. Los polisacáridos pueden ser de reserva o estructurales. Los de reserva más importantes son: el almidón, la amilopectina y el glucógeno. Los dos primeros son reserva de las plantas y el último de los animales. El glucógeno tiene una estructura similar a la amilopectina, pero con ramificaciones más frecuentes, cada 8 a 12 monómeros y masa molecular más elevada, de hasta varios millones. El glucógeno tiene especial importancia en el reino animal porque garantiza un aporte endógeno instantáneo y considerable de glucosa. De los polisacáridos estructurales el más importante es la celulosa, que pueden contener varios 11 Universidad Peruana Los Andes miles de residuos de glucosa en secuencia lineal unidos por enlaces (1 β − 4) este tipo de enlace le da una configuración retorcida. 1.2.3.1. Polisacáridos Complejos Estos polisacáridos además de contener unidades de glucosa también pueden contener lípidos, proteínas o secuencias peptídicas, esta complejidad estructural es producto de una amplia variedad funcional. La pectina se halla en las paredes celulares de los vegetales, aunque en menor proporción que la celulosa, y son polímeros lineales del ácido Dgalacturónico, parcialmente esterificados con grupos metilo, ligados a galactosa, arabinosa y xilosa. La quitina es el material básico del exoesqueleto de los artrópodos y forma paredes celulares en hongos, Tiene una estructura básicamente similar a la de la celulosa, en donde el hidroxilo del carbono 2 de cada residuo se ha reemplazado por un grupo amino acetilado, formando unidades repetitivas de Nacetilglucosamina en enlaces (1 β − 4). La quitina se encuentra en el tabique que se forma entre las células que se están separando. También tenemos a los glucosaminoglucanos anteriormente denominados mucopolisacáridos, los más importantes son: el condroitín sulfato y el queratán su de la piel y el ácido hialurónico. Todos ellos son polímeros de unidades acetilgalactosamina o la N-acetilglucosamina, o uno de sus derivados. 12 Universidad Peruana Los Andes CAPITULO II: GLUCÓLISIS 2.1. Definición La glucólisis es una serie de reacciones que extraen energía de la glucosa al romperla en dos moléculas de tres carbonos llamadas piruvato. La glucólisis es una vía metabólica ancestral, o sea, que su evolución ocurrió hace mucho tiempo y se encuentra en la gran mayoría de los organismos vivos hoy en día. En los organismos que realizan respiración celular, la glucólisis es la primera etapa de este proceso. Sin embargo, la glucólisis no requiere de oxígeno, por lo que muchos organismos anaerobios —organismos que no utilizan oxígeno también tienen esta vía. 2.2. Lo Más Destacado De La Glucólisis La glucólisis tiene diez pasos, pero según tus intereses —y las clases que estés tomando— quizá no quieras conocer todos los detalles de cada paso. Tal vez estás buscando una versión Grandes Éxitos de la glucólisis, algo que destaque los pasos y principios clave sin seguir el camino de cada átomo. Vamos a comenzar con una versión simplificada de la vía que muestra justo eso. 13 Universidad Peruana Los Andes La glucólisis ocurre en el citosol de una célula y se puede dividir en dos fases principales: la fase en que se requiere energía, sobre la línea punteada en la siguiente imagen, y la fase en que se libera energía, debajo de la línea punteada. Fase en que se requiere energía: En esta fase, la molécula inicial de glucosa se reordena y se le añaden dos grupos fosfato. Los dos grupos fosfato causan inestabilidad en la molécula modificada ahora llamada fructosa-1,6-bifosfato, lo que permite que se divida en dos mitades y forme dos azúcares fosfatados de tres carbonos. Puesto que los fosfatos utilizados en estos pasos provienen de ATP, se deben utilizar dos moléculas de ATP. Gráfico Nº 2.1. Ciclo de la Glucolisis Los dos azúcares de tres carbonos formados cuando se descompone el azúcar inestable son diferentes entre sí. Solo uno el gliceraldehído-3-fosfato puede entrar 14 Universidad Peruana Los Andes al siguiente paso. Sin embargo, el azúcar desfavorable, DHAP, se puede convertir fácilmente en el isómero favorable, por lo que ambos completan la vía al final. Fase en que se libera energía. En esta fase, cada azúcar de tres carbonos se convierte en otra molécula de tres carbonos, piruvato, mediante una serie de reacciones. Estas reacciones producen dos moléculas de ATP y una de NADH. Dado que esta fase ocurre dos veces, una por cada dos azúcares de tres carbonos, resultan cuatro moléculas de ATP, T, P y dos de NADH en total. Cada reacción de la glucólisis es catalizada por su propia enzima. La enzima más importante para la regulación de la glucólisis es la fosfofructocinasa, que cataliza la formación de la inestable molécula de azúcar con dos fosfatos, fructuosa-1,6bifosfato. La fosfofructocinasa acelera o frena la glucólisis en respuesta a las necesidades energéticas de la célula. En resumen, la glucólisis convierte una molécula de glucosa de seis carbonos en dos moléculas de piruvato de tres carbonos. El producto neto de este proceso son dos moléculas de ATP (4 ATP producidos – 2 ATP invertidos) y dos moléculas de NADH. 2.3. Los Pasos A Detalle: La Fase En Que Se Requiere Energía Ya vimos lo que pasa en términos generales durante la fase de la glucólisis en la que se requiere energía. Se gastan dos moléculas de ATP para formar un azúcar inestable con dos grupos fosfato, el cual se rompe para formar dos moléculas de tres carbonos que son isómeros entre sí. A continuación, veremos cada paso con mayor detalle. Cada paso es catalizado por su propia enzima específica, cuyo nombre se indica abajo de la flecha de reacción en el siguiente diagrama. 15 Universidad Peruana Los Andes Gráfico Nº 2.2. "Glucólisis" de OpenStax College, Biología CC BY 3.0. Paso 1. Un grupo fosfato se transfiere del ATP a la glucosa y la transforma en glucosa-6-fosfato. La glucosa-6-fosfato es más reactiva que la glucosa y la adición del fosfato retiene la glucosa dentro de la célula, porque la glucosa con un fosfato es incapaz de atravesar por sí sola la membrana. Paso 2. La glucosa-6-fosfato se convierte en su isómero, la fructosa-6-fosfato. Paso 3. Un grupo fosfato se transfiere del ATP a la fructosa-6-fosfato y se produce fructosa-1,6-bifosfato. Este paso lo cataliza la enzima fosfofructocinasa, que puede ser regulada para acelerar o frenar la vía de la glucólisis. Paso 4. La fructosa-1,6-bifosfato se rompe para generar dos azúcares de tres carbonos: la dihidroxiacetona fosfato DHAP y el gliceraldehído-3-fosfato. Estas moléculas son isómeros el uno del otro, pero solo el gliceraldehído-3fosfato puede continuar directamente con los siguientes pasos de la glucólisis. Paso 5. La DHAP se convierte en gliceraldehído-3-fosfato. Ambas moléculas existen en equilibrio, pero dicho equilibrio "empuja" fuertemente hacia abajo, considerando el orden del diagrama anterior, conforme se va utilizando el gliceraldehído-3-fosfato. Es así que al final toda la DHAP se convierte en gliceraldehído-3-fosfato. 2.4. Los Pasos A Detalle: La Fase En Que Se Libera Energía En la segunda mitad de la glucólisis, los azúcares de tres carbonos formados en la primera mitad del proceso se someten a una serie de transformaciones adicionales 16 Universidad Peruana Los Andes para convertirse al final en piruvato. En el proceso se producen cuatro moléculas de ATP junto con dos de NADH. Aquí estudiaremos con más detalle las reacciones que generan estos productos. Las reacciones mostradas a continuación ocurren dos veces por cada molécula de glucosa, puesto que la glucosa se rompe en dos moléculas de tres carbonos y ambas proceden por la vía. Gráfico Nº 2.3. "Glucólisis", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0). Paso 6. Dos semirreaciones ocurren simultáneamente: 1) la oxidación del gliceraldehido-3-fosfato (uno de los azúcares de tres carbonos que se forma en la fase inicial), y 2) la reducción del NAD+ en NADH y H+. La reacción general es exergónica y libera la energía que luego se usa para fosforilar la molécula, lo que forma 1,3-bifosfoglicerato. Paso 7. El 1,3-bifosfoglicerato dona uno de sus grupos fosfato al ADP, lo transforma en una molécula de ATP y en el proceso se convierte en 3fosfoglicerato. Paso 8. El 3-fosfoglicerato se convierte en su isómero, el 2-fosfoglicerato. Paso 9. El 2-fosfoglicerato pierde una molécula de agua y se transforma en fosfoenolpiruvato (PEP). El PEP es una molécula inestable, preparada para perder su grupo fosfato en el paso final de la glucólisis. Paso 10. El PEP dona sin dificultad su grupo fosfato a un ADP y se produce una segunda molécula de ATP. Al perder su fosfato, el PEP se convierte en piruvato, el producto final de la glucólisis. 17 Universidad Peruana Los Andes 2.5. ¿Qué Le Sucede Al Piruvato Y Al NADH? Al final de la glucólisis nos quedan dos moléculas de ATP, dos de NADH y dos de piruvato. Si hay oxígeno presente, el piruvato se puede degradar (oxidar) hasta dióxido de carbono en la respiración celular y así obtener más moléculas de ATP. Puedes aprender cómo funciona esto en los videos y artículos sobre la oxidación del piruvato, el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa. ¿Qué pasa con NADH? No puede solo estar por ahí en la célula, acumulándose. Eso es porque las células solo tienen un cierto número de moléculas de NAD+, que va y regresa entre sus estados oxidado (NAD+) y reducido(NADH): La glucólisis necesita NAD+ para aceptar electrones durante una reacción específica. Si no hay NAD disponible (porque todo está en forma de NADH), esta reacción no puede ocurrir y la glucólisis se detiene. Por lo tanto, todas las células necesitan una forma de convertir NADH de NAD+ para mantener la glucólisis andando. Principalmente, hay dos formar de lograr esto. Cuando hay oxígeno presente, el NADH puede donar sus electrones a la cadena de transporte de electrones y así regenerar NAD+ para usar en la glucólisis. (Bono extra: ¡Se produce un poco de ATP)! En ausencia de oxígeno, las células pueden usar otras vías más simples para regenerar NAD+. En dichas vías, el NADH dona sus electrones a una molécula aceptara en una reacción que no genera ATP, pero regenera NAD+ y la glucólisis puede continuar. Este proceso se llama fermentación. La fermentación es una de las principales estrategias metabólicas de muchas bacterias incluyendo nuestra amiga de la introducción, Lactobacillus acidophilus. Incluso algunas células de tu cuerpo, como los glóbulos rojos, dependen de la fermentación para generar su ATP. 18 Universidad Peruana Los Andes CAPITULO III: CICLO DE CORÍ 3.1. Descripción El Ciclo de Cori es la circulación cíclica del lactato y la glucosa entre el hígado y el músculo. Consiste en un acoplamiento de dos rutas metabólicas (glucólisis y glucogénesis) en dos órganos distintos (músculo e hígado), que permite a las células musculares poder disponer de la energía que necesitan en todo momento. El ciclo de Cori involucra la utilización del lactato, producido en la glucólisis en tejidos no-hepáticos (como el músculo y los eritrocitos) como una fuente de carbono para la glucogénesis hepática. Algunos tejidos, como el cerebro, el riñón, la córnea del ojo y el músculo requieren de un aporte continuo de glucosa, obteniéndola a partir del glucógeno proveniente del hígado. Pero el hígado sólo puede satisfacer dichas necesidades de 10 a 18 horas. Después de este periodo o cuando el individuo realiza actividad extenuante, el glucógeno almacenado en el hígado disminuye drásticamente. Debido a ello comienza la formación de glucosa a partir de sustratos diferentes al glucógeno. 19 Universidad Peruana Los Andes Para entender el ciclo de Cori, debemos tener una visión general de cómo el organismo degrada la glucosa para la obtención de ATP, considerada como la “moneda energética” del organismo. Gráfico Nº 3.1. Ciclo de Cori 3.2. Metabolismo Aerobio De La Glucosa Se produce en presencia de oxígeno. Es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía (ATP) para la célula. Esta ruta comienza con la glucólisis, que consiste en diez reacciones enzimáticas consecutivas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato. La conexión entre esta fase anaeróbica (no presencia de oxígeno) de la glucólisis, con la fase aeróbica de la glucólisis (que llevará la degradación de la glucosa hasta CO2 y H2O en el Ciclo de Krebs) es la descarboxilación oxidativa del piruvato a acetilCoA. La conversión a Acetil-CoA compromete al piruvato a entrar al Ciclo de Krebs, donde podrá ser utilizado como sustrato para la fosforilación oxidativa. Para que el piruvato siga esta vía ya sí que es necesaria la presencia de oxigeno (por tanto, la glucólisis es anaerobia y el ciclo de Krebs es aerobio) La parte final del ciclo consiste en la reorganización de moléculas de cuatro átomos de carbono, hasta la regeneración del oxalacetato, lo que permite la extracción ulterior de energía mediante la formación de FADH2 y NADH. 20 Universidad Peruana Los Andes Al final del Ciclo de Krebs la célula ha ganado solo 4 ATP, 2 en la glucólisis y dos en el ciclo de Krebs, sin embargo, ha capturado estos electrones energéticos en 10 NADH2 y 2 FADH2. Estos transportadores depositan sus electrones en la cadena respiratoria localizada en la membrana interna de la mitocondria. En esta fase, los electrones captados por el NADH+ H+ y el FADH2 son transportados mediante reacciones redox (oxido-reducción) hasta el oxígeno molecular para formar agua. Es en este momento cuando se produce la fosforilación oxidativa, que utilizará esa energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir adenosina trifosfato(ATP) 3.3. Ciclo De Cori - El ciclo de CORI se produce entre las células del músculo esquelético y las del hígado. - Ocurre cuando tenemos bajos niveles de oxígeno durante el ejercicio. - Las moléculas que se van a intercambiar entre el hígado y el músculo son el lactato (o ácido láctico) y la glucosa. - El objetivo del ciclo de Cori es mantener la producción de ATP mediante glucólisis en el músculo esquelético en condiciones de hipoxia. 3.4. Cuándo comienza el ciclo de Cori En una situación de ejercicio y contracción muscular continuada, un músculo no entrenado enseguida gasta su propio glucógeno. El oxígeno comienza a ser insuficiente y el organismo demanda ATP, ya que necesita esa energía para seguir funcionando. Como consecuencia de dicha falta de oxígeno, no se puede producir la respiración aeróbica normal procedente del ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa, por lo que el organismo requerirá de la respiración anaeróbica mediante la fermentación láctica para abastecer al músculo de esas necesidades energéticas inmediatas. 3.5. Desarrollo Del Ciclo De Cori A lo largo del ciclo, el glucógeno muscular es desglosado en glucosa y ésta es transformada a piruvato mediante la glucólisis. Este piruvato se transformará en 21 Universidad Peruana Los Andes lactato (o ácido láctico) por la vía del metabolismo anaeróbico gracias a la enzima lactato deshidrogenasa. El ácido láctico es transportado hasta el hígado por vía sanguínea y allí es reconvertido a piruvato, y, después, a glucosa a través de la vía anaplerótica. La glucosa resintetizada vuelve al músculo donde se usa según la demanda para generar ATP para la contracción muscular, o también puede ser almacenada en forma de glucógeno en el hígado. Este reciclaje del ácido láctico es la base del Ciclo de Cori. El ciclo de Cori opera más eficientemente cuando la actividad muscular ha acabado. Esto ocurre ya que un paro de dicha actividad permite que se reponga el déficit de oxígeno y que comience a funcionar una vez más el ciclo de Krebs, la cadena de electrones y la fosforilación oxidativa. Durante el período de recuperación después de una actividad física, se ha demostrado que el Ciclo de Cori también es una manera en la que las reservas de glucógeno se pueden redistribuir. Así se producirá un repartimiento homogéneo que restablecerá las reservas de glucógeno por todos los músculos corporales. 3.6. El Papel Del Lactato En El Ciclo De Cori El lactato se produce constantemente durante el metabolismo y sobre todo durante el ejercicio, pero no aumenta su concentración hasta que el índice de producción no supera el índice de eliminación. La concentración de lactato en sangre usualmente es de 1 o 2 mmol/l en reposo, pero puede aumentar hasta 20 mmol/l durante un esfuerzo intenso. Cuando esta demanda de energía en tejidos (principalmente musculares) sobrepasa la disponibilidad de oxígeno en sangre, la enzima piruvato deshidrogenasa no alcanza a convertir el piruvato o a acetilCoA suficientemente rápido por la falta de oxígeno y el piruvato comienza acumularse. Esto generalmente inhibiría la glucólisis y reduciría la producción de ATP, pero mediante la fermentación láctica el organismo consigue reducir el piruvato a lactato. 22 Universidad Peruana Los Andes La fermentación láctica produce lactato en las células musculares y ese metabolito es altamente tóxico por lo que debe ser eliminado. Pero hay que tener en cuenta el organismo siempre trata de reciclarlo todo, por lo que no se degrada sin más, sino que este lactato se transferirá, vía sanguínea, al hígado, donde se convertirá en glucosa mediante la gluconeogénesis. Después de un esfuerzo vigoroso por lo general el organismo necesita unos 30 minutos para que todo el lactato producido se convierta en glucógeno y la velocidad de consumo de oxígeno vuelva a su nivel basal. Éste es el fenómeno conocido como deuda de oxígeno. Esta “deuda” puede producir acidosis láctica en los músculos y disminuir la eficiencia del sistema de buffer en la sangre, conduciendo al fatigamiento físico. 3.7. ¿Por Qué Se Produce El Ciclo De Cori? Para calcular el balance energético de ciclo de Cori, debemos conjugar el ATP producido en la fermentación láctica con el ATP gastado en la gluconeogénesis. Con estas dos reacciones al final obtenemos un gasto neto de 4 ATPs. - Glucosa + 2ADP –> 2 Lactato + 2H+ + 2ATP + 2H20 (músculo) - 2 Lactato + 6 ATP + 4 H20 –> Glucosa + 6ADP (hígado) 3.8. Consumo Neto De ATP: 4 ATP Es decir, al organismo le supone energía que se produzca el ciclo de Cori. Además, este proceso puede parecer complicado para proporcionar al final sólo algunos gramos de glucosa libre. Según esta conclusión, podría parecerle desfavorable al organismo esta ruta metabólica, pero es fundamental que exista para que el músculo pueda seguir funcionando en situaciones de ausencia de oxígeno sin afectar al resto de órganos que precisan glucosa para su funcionamiento, principalmente el cerebro. La alteración de estos valores normales de la concentración plasmática de la glucosa se asocia a la hipoglucemia, que puede motivar la pérdida de la conciencia y, en situaciones críticas, la muerte. 23 Universidad Peruana Los Andes CAPITULO IV: CICLO DE KREBS 4.1. Definición El Ciclo del Ácido Cítrico es la vía central de metabolismo aeróbico; en esta vía se oxidan los compuestos de carbono que proviene de la degradación de todos los principios inmediatos y también se forman moléculas precursoras para la síntesis de muchos de ellos. Su nombre proviene del primer intermediario formado, el Citrato. También se conoce como Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos porque dos intermediarios de la vía son ácidos de este tipo. 4.2. Reacciones Del Ciclo Del Ácido Cítrico En la Figura se presenta el esquema completo del ciclo en su forma actual, que es esencialmente igual a la propuesta por Krebs, y a continuación se discuten las reacciones individuales. 24 Universidad Peruana Los Andes Gráfico Nº 4.1. Ciclo de Krebs 4.2.1. Reacción 1: Condensación Del Oxalacetato Con La Acetil CoA La enzima citrato sintasa condensa a la acetil-CoA (2C) con el oxalacetato (4C) para dar una molécula de citrato (6C). Como consecuencia de esta condensación se libera la coenzima A (HSCoA). La reacción es fuertemente exergónica: es irreversible. Gráfico Nº 4.2. Reacción 01 4.2.2. Reacción 2: Isomerización Del Citrato A Isocitrato La isomerización del citrato en isocitrato ocurre por dos reacciones, que se resumen en una. Gráfico Nº 4.3. Reacción 02 25 Universidad Peruana Los Andes 4.2.3. Reacción 3: Oxidación Y Decarboxilación Del Isocitrato El isocitrato es sustrato de la isocitrato deshidrogenasa, enzima que tiene como cofactor un NAD, que forma parte de la cadena respiratoria. En la reacción 3 se resumen dos reacciones a partir de las cuales el isocitrato forma α-cetoglutarato (5C). Para lograr ese producto ocurre una decarboxilación, es decir la liberación de una molécula de CO2, y la reducción de un NAD que permite la formación de 3 ATP. Gráfico Nº 4.4. Reacción 03 4.2.4. Reacción 4: El α -Cetoglutarato Se Transforma En Succinil-CoA Este paso implica la segunda decarboxilación oxidativa, catalizada por la αcetoglutarato deshidrogenasa, que lleva a la formación de succinil-CoA (4C). El NAD es la coenzima de la deshidrogenasa, de manera que se formarán 3 ATP como consecuencia de la actividad de cadena respiratoria. Gráfico Nº 4.5. Reacción 04 26 Universidad Peruana Los Andes 4.2.5. Reacción 5: La Succinil-CoA Rinde Succinato Y GTP La succinil-CoA, es un tioéster de alta energía con un ∆G°′ de hidrólisis de -33.5 KJ.mol-1 aproximadamente. La energía liberada por la ruptura de ese enlace se utiliza para generar un enlace fosfoanhidro entre un fosfato y un GDP para dar 1GTP por fosforilación a nivel de sustrato. En la reacción se libera HSCoA. Gráfico Nº 4.6. Reacción 05 El GTP se puede convertir en ATP según la siguiente reacción: GTP + ADP GDP + ATP ∆G°′ = 0 KJ.mol- 1 4.2.6. Reacción 6: El Succinato Se Transforma En Fumarato El succinato es oxidado a fumarato por la succinado deshidrogenasa, enzima que tiene como cofactor al FAD: se producen 2ATP en la cadena respiratoria. La enzima usa FAD porque la energía asociada a la reacción no es suficiente para reducir al NAD. Gráfico Nº 4.7. Reacción 06 27 Universidad Peruana Los Andes El complejo enzimático de la succinato deshidrogenasa es el único del ciclo que está asociado a la membrana mitocondrial de eucariotas, y en la membrana plasmática de procariotas. 4.2.7. Reacción 7: El Fumarato Se Hidrata Y Genera Malato La fumarasa cataliza la adición de agua, es decir la hidratación del fumarato. El producto de la reacción es el malato. Gráfico Nº 4.8. Reacción 07 4.2.8. Reacción 8: El Malato Se Oxida A Oxalacetato Dada la naturaleza cíclica de la vía, las reacciones en su conjunto conducen a la regeneración del oxalacetato. La malato deshidrogenasa cataliza la oxidación del malato a oxalacetato, con la reducción de un NAD: se forman 3 ATP en la cadena respiratoria. Gráfico Nº 4.9. Reacción 08 28 Universidad Peruana Los Andes CAPITULO V: FOSFORILACIÓN OXIDATIVA 5.1. Definición La mitocondria es uno de los organelos de doble membrana con funciones especializadas productoras de energía, esto es, nucleótidos reducidos para finalmente formar la moneda energética celular que es el ATP. La molécula de Adenosin 5’-trifosfato (ATP) se sintetiza en la membrana interna mitocondrial como paso ulterior a la cadena de transporte de electrones a través de la fosforilación oxidativa. Este proceso aprovecha el flujo de protones o fuerza protón motriz, procedentes por un diferencial electroquímico de H+, para producir ATP mediante el complejo V de la membrana interna mitocondrial. Junto con la fotosíntesis es uno de los procesos de transducción de energía más importantes de la biosfera 5.2. Fosforilación Oxidativa: Síntesis De ATP La mitocondria, en su membrana interna, es el lugar de la cadena transportadora de electrones y de la fosforilación oxidativa, descubrimiento de Eugene Kenedy y Albert Lehninger en 1948. Asimismo, es el centro del ciclo de los ácidos tricarcoxílicos y de la oxidación de los ácidos grasos. El transporte electrónico 29 Universidad Peruana Los Andes mitocondrial y la fosforilación oxidativa son los mecanismos que utilizan los organismos aeróbicos para sintetizar ATP a partir de moléculas orgánicas reducidas. La cadena de transporte de electrones previa a la fosforilación oxidativa posee transductores electrónicos ligados a la membrana: complejo I (NADH -Ubiquinona deshidrogenasa), complejo II (Succinato ubiquinona deshidrogenasa), complejo III (Ubiquinona-Citocromo c oxidasa) y complejo IV (Citocromo oxidasa). Éstos acoplan el flujo de electrónico a la creación de una diferencia de pH transmembrana, que produce un gradiente de carga y concentración (fuerza protón-motriz). La síntesis de ATP se realiza por el complejo V, ATP sintetasa, gracias a la energía resultante de este gradiente de electrones que bombea protones a través de la membrana*. Los transportadores de electrones o complejos enzimáticos respiratorios son moléculas capaces de aceptar o ceder electrones, y que se asociación a enzimas para catalizar los electrones de un compuesto a otro. 5.3. Transportadores Redox Mitocondriales Se han identificado cuatro complejos enzimáticos unidos a membrana interna mitocondrial. Tres de ellos son complejos transmembrana, que están embebidos en la membrana interna, mientras que el otro está asociado a membrana. Los tres complejos transmembrana tienen la capacidad de actuar como bombas de protones. 5.3.1. El Complejo I NADH DESHIDROGENASA O NADH: UBIQUINONA capta dos electrones del NADH y los transfiere a un transportador liposoluble denominado ubiquinona (Q). El producto reducido, que se conoce con el nombre de ubiquinol (QH2) puede difundir libremente por la membrana. Al mismo tiempo, el Complejo I 30 Universidad Peruana Los Andes transloca cuatro protones a través de membrana y produce un gradiente de protones. El NADH es oxidado a NAD+, y reduce al FMN a FMNH2 en un único paso que implica a dos electrones. El siguiente transportador de electrones es un centro Fe-S que solo puede aceptar un electrón y transferirlo a la ubiquinona generando una forma reducida, denominada semiquinona. Esta semiquinona vuelve a reducirse con el otro electrón que quedaba, generando el ubiquinol, QH2. Durante este proceso, cuatro protones se translocan a través de la membrana interna mitocondrial, desde la matriz hacia el espacio intermembrana. 5.3.2. Complejo II El Complejo II o succinato deshidrogenasa; [1] EC 1.3.5.1 no es una bomba de protones. Además, es la única enzima del ciclo de Krebs asociado a membrana. Antes de que este complejo actúe, el FADH2 se forma durante la conversión de succinato en fumarato en el ciclo del ácido cítrico. A continuación, los electrones son transferidos por medio de una serie de centros FeS hacia Q. EL glicerol-3-fosfato y el acetil-CoA también transfieren electrones a Q mediante vías diferentes en que participan flavoproteínas. 5.3.3. Complejo III El complejo III o complejo citocromo bc1; EC 1.10.2.2, obtiene dos electrones desde QH2 y los transfiere a dos moléculas de citocromo c, que es un transportador de electrones hidrosoluble que se encuentra en el espacio intermembrana de la mitocondria. Al mismo tiempo, transloca cuatro protones a través de la membrana por los dos electrones transportados desde el ubiquinol. 5.3.4. Complejo IV El complejo IV o citocromo c oxidasa; EC 1.9.3.1 capta cuatro electrones de las cuatro moléculas de citocromo c y se transfieren al oxígeno (O2), para producir dos moléculas de agua (H2O). Al mismo tiempo, se translocan cuatro protones al 31 Universidad Peruana Los Andes espacio intermembrana, por los cuatro electrones. Además "desaparecen" de la matriz 2 protones que forman parte del H2O. 5.4. Síntesis De ATP: Complejo V El complejo V, ATP sintetasa o ATP sintasa (también denominada ATPasa o FoF1 ATP sintetasa, es una turbina molecular formada por dos componentes Fo y F1 con funciones definidas. Este complejo consume la energía del gradiente de concentración de H+ originado en por la cadena de transporte de electrones, para la síntesis de ATP transformándola en energía química de los enlaces de ésta molécula. El flujo de protones fluye hacia el interior a favor del gradiente electroquímico gracias a un rotor ubicado en la membrana. Los protones entran a través una entrada abierta a un lado de la membrana y se une a las subunidades del rotor. Diversas enzimas hidrolizan ATP, pero el 95% del ATP sintetizado por nuestras células en condiciones aerobias, es generado sólo por la F0F1 ATP sintasa. También hay formación de ATP por fosforilación a nivel de sustrato como ocurre en la glucólisis. Hay diferentes funciones para las ATPasas en función de la célula a la que pertenezcan. Esta función está determinada por la estructura y subcomponentes de la ATPasa. 5.5. Complejo ATP Sintasa 5.5.1. El Componente F1 - Subunidades de la ATP-Sintasa Es el componente responsable de la síntesis de ATP. Es una estructura que sobresale en forma de pomo, unido a la base mediante otras proteínas. Es una proteína periférica de membrana. Está formada por sendas cadenas polipetídicas: α 3 β3 Υεδ. Las cadenas alfa y beta están alternadas en un anillo hexamérico y son miembros de la familia de las NTPasas, ambas unen nucleótidos, pero solo beta participa en la catálisis. Las cadenas y forman el tallo central de la estructura. En la catálisis cada subunidad beta adopta una diferente conformación debido a su asociación con. Cabe destacar que este componente asilado en forma solubilizada cataliza la hidrólisis de ATP y que en bacterias tiene la composición α 3 β3 ATP sintasa. 32 Universidad Peruana Los Andes 5.5.2. El Componente F0 Es un canal protónico que acopla el paso de H+ a la formación de ATP. Es la base del pomo, una proteína integral de la membrana que transporta 3H+ por ATP sintetizado. Está formada por, 10-14 subunidades c y 1 subunidad a en la periferia del anillo. Este componente es sensible al antibiótico oligomiscina (de aquí deriva el O) y a la diciclihexilcarbodiimida, que impide la entrada de protones e inhibe la síntesis de ATP. "Complejo V: Catálisis enzimática" La catálisis enzimática es de tipo rotacional entre tres centros de unión: T. Conformación de ATP: une con fuerza al ATP L. Conformación ADP: une débilmente ADP + Pi O. Conformación vacía: baja afinidad por ATP La posición del eje central influye en la conformación y disposición de las subunidades vecinas que siguen una secuencia temporal de la rotación del eje central para formar ATP a partir de ADP. Esta enzima puede funcionar en sentido contrario en presencia de ATP para hidrolizar el mismo cuando hay un gradiente de protones bajo que son bombeados a través de la membrana. La enzima se desplaza entre la forma firmemente el ATP y otra forma que desprende el ATP siempre que exista un gradiente de H+. Aunque la sintasa no precisa del gradiente de protones para generar ATP como se ha comprobado en experimentos de marcaje), pero por sí sola la ATP sintasa no es capaz de liberar este ATP al centro catalítico. 5.6. Regulación De La Fosforilación Oxidativa El metabolismo celular es una maquinaria de autorregulación por la permanencia en la homeostasis, por este motivo es la demanda de energía celular la que regula el proceso de fosforilación oxidativa ya que el ATP se sintetiza sólo cuando es necesario para no desestabilizar otras rutas metabólicas. 33 Universidad Peruana Los Andes A nivel de organelo, la mitocondria presenta una velocidad de respiración o consumo de O2 dependiente del sustrato ADP disponible para la fosforilación. Esta dependencia se llama control por aceptor de la respiración. Esto significa que a mayor concentración de ADP, mayor velocidad de síntesis de ATP y a su vez, la concentración de ADP está regulada por la ley de acción de masas y depende de las concentraciones de ATP y Pi en la matriz mitocondrial. Debido a que el metabolismo celular es integrativo, procesos como la glucólisis, la beta oxidación de los ácidos grasos y la oxidación del acetilCoA en el ciclo de Krebs coordinan el control de la fosforilación oxidativa. Menor [ATP] implica mayor velocidad de estas rutas metabólicas; mayor [ATP] implica disminución de las mismas. Los efectores responsable de los anterior con el ATP, el ADP y el Pi. 5.7. Importancia La fosforilación oxidativa es el proceso mediante el cual se oxidan estas moléculas transfiriendo sus electrones al O2 y la energía resultante es aprovechada en forma de síntesis de ATP. 5.8. Función La mayor parte de este proceso tiene lugar dentro de las mitocondrias de la célula, la respiración está ligada a la generación de intermediarios de alta energía, ATP, por medio de la fosforilación oxidativa 34 Universidad Peruana Los Andes CAPITULO VI: GLUCONEOGÉNESIS 6.1. Definición La gluconeogénesis es una ruta metabólica anabólica que permite la biosíntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos. Incluye la utilización de varios aminoácidos, lactato, piruvato, glicerol y cualquiera de los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos (o ciclo de Krebs) como fuentes de carbono para la vía metabólica. Todos los aminoácidos, excepto la leucina y la lisina, pueden suministrar carbono para la síntesis de glucosa. Los Ácidos grasos de cadena par no proporcionan carbonos para la síntesis de glucosa, pues el resultado de su β-oxidación (Acetil-CoA) no es un sustrato gluconeogénico; mientras que los ácidos grasos de cadena impar proporcionarán un esqueleto de carbonos que derivarán en Acetil-CoA y Succinil-CoA (que sí es un sustrato gluconeogénico por ser un intermediario del ciclo de Krebs). Algunos tejidos, como el cerebro, los eritrocitos, el riñón, la córnea del ojo y el músculo, cuando el individuo realiza actividad extenuante, requieren de un aporte continuo de glucosa, obteniéndola a partir del glucógeno proveniente del hígado, el cual solo puede satisfacer estas necesidades durante 10 a 18 horas como 35 Universidad Peruana Los Andes máximo, lo que tarda en agotarse el glucógeno almacenado en el hígado. Posteriormente comienza la formación de glucosa a partir de sustratos diferentes al glucógeno. La gluconeogénesis tiene lugar casi exclusivamente en el hígado (10% en los riñones). Es un proceso clave pues permite a los organismos superiores obtener glucosa en estados metabólicos como el ayuno. 6.2. Reacciones De La Gluconeogénesis Las enzimas que participan en la vía glucolítica participan también en la gluconeogénesis; ambas rutas se diferencian por tres reacciones irreversibles que utilizan enzimas específicas de este proceso y los dos rodeos metabólicos de esta vía. 6.2.1. Conversión Del Piruvato En Fosfoenolpiruvato El oxaloacetato es intermediario en la producción del fosfoenolpiruvato en la gluconeogénesis. La conversión de piruvato a fosfoenolpiruvato en la gluconeogénesis se lleva a cabo en dos pasos. El primero de ellos es la reacción de piruvato y dióxido de carbono para dar oxaloacetato. Este paso requiere energía, la cual queda disponible por hidrólisis de ATP. La enzima que cataliza esta reacción es la piruvato carboxilasa, una enzima alostérica que se encuentra en la mitocondria. El acetil-CoA es un efector alostérico que activa la piruvato carboxilasa. Cuando hay más acetil-CoA del necesario para mantener el ciclo del ácido cítrico, el piruvato se dirige a la gluconeogénesis. El ion magnesio y la biotina son necesarios para una catálisis eficaz. La biotina, enlazada covalentemente con la enzima, reacciona con el CO2, que se une de manera covalente. Después el CO2 se incorpora al piruvato, formando así oxaloacetato. La conversión de oxaloacetato a fosfoenolpiruvato la cataliza la enzima fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, que se encuentra en la mitocondria y en el 36 Universidad Peruana Los Andes citosol. Esta reacción también incluye la hidrólisis de un nucleósido-trifosfato, en este caso el GTP en vez del ATP. 6.2.2. Conversión De La Fructosa-1,6-Bisfosfato En Fructosa-6-Fosfato La reacción de la fosfofructoquinasa 1 de la glucólisis es esencialmente irreversible pero sólo debido a que está impulsada por la transferencia de fosfato del ATP. La reacción que tiene lugar en la gluconeogénesis para evitar este paso consiste en una simple reacción hidrolítica, catalizada por la fructosa1,6-bisfosfatasa. La enzima con múltiples subunidades requiere la presencia de Mg2+ para su actividad y constituye uno de los principales lugares de control que regulan la ruta global de la gluconeogénesis. La fructosa-6-fosfato formada en esta reacción experimenta posteriormente la isomerización a glucosa-6-fosfato por la acción de la fosfoglucoisomerasa. 6.2.3. Conversión De La Glucosa-6-Fosfato En Glucosa La glucosa-6-fosfato no puede convertirse en glucosa por la acción inversa de la hexoquinasa o la glucoquinasa; la trasferencia de fosfato desde el ATP hace a la reacción virtualmente irreversible. Otra enzima específica de la gluconeogénesis, la glucosa-6-fosfatasa, que también requiere Mg2+, es la que entra en acción en su lugar. Esta reacción de derivación se produce también mediante una simple hidrólisis. La glucosa-6-fosfatasa se encuentra fundamentalmente en el retículo endoplásmico del hígado con su lugar activo en la cara luminal (del RE). La importancia de su localización en el hígado es que una función característica del hígado es sintetizar glucosa para exportarla a los tejidos a través de la circulación sanguínea. 6.3. Regulación La regulación de la gluconeogénesis es crucial para muchas funciones fisiológicas, pero sobre todo para el funcionamiento adecuado del tejido nervioso. El flujo a través de la ruta debe aumentar o disminuir, en función del lactato producido por 37 Universidad Peruana Los Andes los músculos, de la glucosa procedente de la alimentación, o de otros precursores gluconeogénicos. La gluconeogénesis está controlada en gran parte por la alimentación. Los animales que ingieren abundantes hidratos de carbono presentan tasas bajas de gluconeogénesis, mientras que los animales en ayunas o los que ingieren pocos hidratos de carbono presentan un flujo elevado a través de esta ruta. Dado que la gluconeogénesis sintetiza glucosa y la glucólisis la cataboliza, es evidente que la gluconeogénesis y la glucólisis deben controlarse de manera recíproca. En otras palabras, las condiciones intracelulares que activan una ruta tienden a inhibir la otra. 6.3.1. Regulación Por Los Niveles De Energía La fructosa 1,6-bisfosfatasa es inhibida por concentraciones altas de AMP, asociadas con un estado energéticamente pobre. Es decir, la elevada concentración de AMP y reducida de ATP inhiben la gluconeogénesis 6.3.2. Regulación Por Fructosa 2,6-Bisfosfato La fructosa 1,6-bisfosfatasa es inhibida por la fructosa 2,6-bisfosfato, un modulador alostérico cuya concentración viene determinada por la concentración circulante en sangre de glucagón; la fructosa 1,6-bisfosfatasa está presente tanto en el hígado como en los riñones. 6.3.3. Regulación De La Fosforilación Este proceso es dependiente de la concentración de ATP; al disminuir la concentración de ATP, la fosforilación también se observa disminuida y viceversa. En el hígado, este proceso aumenta al aumentar la síntesis de glucocinasa, proceso que es promovido por la insulina. La membrana de los hepatocitos es muy permeable a la glucosa, en el músculo y el tejido adiposo la insulina actúa sobre la membrana para hacerla permeable a ella. 6.3.4. Regulación Alostérica 38 Universidad Peruana Los Andes El ayuno prolongado aumenta el acetil-CoA y éste estimula la piruvato carboxilasa y por lo tanto la gluconeogénesis, al mismo tiempo que inhibe la Piruvato Deshidrogenasa; la elevación de alanina y glutamina estimulan la gluconeogénesis. El cortisol aumenta la disponibilidad de sustrato y la fructosa 2,6-bisfosfato inhibe a la fructosa 1,6-bisfosfatasa. 6.4. Ciclo De Cori La gluconeogénesis puede considerarse una reacción inversa a la glucólisis, sin embargo, difiere en los puntos control donde es irreversible la reacción. Estas reacciones se conocen como de rodeo o bypass. Es cuando el músculo obtiene ATP a partir de la glucolisis. Cuando las condiciones del ejercicio son anaeróbicas la glucosa se degrada a lactato. El lactato es exportado a la circulación y es captado por el hígado. El hígado sintetiza glucosa de nuevo a partir de lactato por la ruta gluconeogénica. Estas dos vías metabólicas que permiten el acoplamiento de la función de dos tejidos es lo que se conoce como el ciclo de Cori. 6.5. Balance Energético Hemos resaltado que las rutas catabólicas generan energía, mientras que las anabólicas comportan un coste energético. En el caso de la gluconeogénesis podemos calcular este coste; la síntesis de glucosa es costosa para la célula en un sentido energético. Si partimos desde piruvato se consumen seis grupos fosfato de energía elevada 4 ATP (debido a las reacciones de la piruvato carboxilasa y a la de fosfoglicerato quinasa) y 2 GTP (consecuencia de la descarboxilación del oxalacetato), así como 2 de NADH, que es el equivalente energético de otros 5 ATP (ya que la oxidación mitocondrial de 1 NADH genera 2,5 ATP). En cambio, si la glucólisis pudiera actuar en sentido inverso, el gasto de energía sería mucho menor: 2 NADH y 2 ATP 6.6. Importancia Biomédica La gluconeogénesis cubre las necesidades corporales de glucosa cuando no está disponible en cantidades suficientes en la alimentación. Se requiere un suministro constante de glucosa como fuente de energía para el sistema nervioso y los 39 Universidad Peruana Los Andes eritrocitos. Además, la glucosa es el único combustible que suministra energía al músculo esquelético en condiciones de anaerobiosis. La glucosa es precursora del azúcar de la leche (lactosa) en la glándula mamaria y la capta activamente el bebé. Por otro lado, los mecanismos gluconeogénicos se utilizan para depurar los productos del metabolismo de otros tejidos desde la sangre; por ejemplo, lactato, producido por el músculo y los eritrocitos, y glicerol, que se forma continuamente por el tejido adiposo. 6.7. Función El principal sitio de la Gluconeogénesis es el hígado, aunque también se lleva a cabo en la corteza renal, aunque la cantidad total de glucosa formada ahí es de 1/10 de la formada en hígado, debido a la menor masa renal. La Gluconeogénesis en el hígado ayuda a mantener los niveles de glucosa en sangre de tal manera que el cerebro y músculo pueden usar la glucosa circulante para suplir sus necesidades. Ayuda a mantener el nivel de glucosa en sangre de modo que el cerebro y el musculo pueden obtener suficiente glucosa para atender las demandas metabólicas Satisface las necesidades de glucosa del cuerpo cuando los carbohidratos disponibles a partir de la dieta o de las reservas de glucógeno son insuficientes 40 Universidad Peruana Los Andes CAPITULO VII: BALANCE ENERGÉTICO 7.1. Definición El balance energético es un concepto necesario para comprender la interacción entre el consumo, gasto y almacenamiento de energía, lo que determina el peso corporal. Cuando ingerimos algún alimento estamos obteniendo energía, cuando gastamos la misma cantidad de energía que consumimos en el día, estamos hablando de un balance energético en equilibrio. Esto significa que el peso corporal va a estar equilibrado. Cuando no es así, se producen situaciones que siguen la primera ley de la termodinámica: “la energía ni se crea ni se destruye, simplemente se transforma”. De esta manera, un exceso de energía respecto al gasto dará lugar a un aumento de masa corporal, balance energético positivo, mientras que un menos ingreso respecto al gasto energético producirá la pérdida de masa corporal, balance energético negativo. 41 Universidad Peruana Los Andes Gráfico Nº 7.1. Balance Energético PROCESO GLOBAL: Glucosa + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP (máximo) 42 Universidad Peruana Los Andes CONCLUSIONES 1. Los seres vivos necesitan energía para producir sus actividades, existen diversas formas de adquirirlas, por el metabolismo de los carbohidratos pasando por la glucolisis, el ciclo de Krebs, Fosforilación oxidativa obteniendo a través de los alimentos y ayudados de procesos de metabolismos los compuestos necesarios para la producción energía. 2. Los carbohidratos es la fuente de energía más importante para el organismo principalmente para el cerebro que depende obligatoriamente de la glucosa como molécula combustible, necesitando así 120 gr de glucosa al día 3. El principal producto de la digestión de los carbohidratos y el principal glúcido circulante en el plasma sanguíneo es la glucosa. 4. Los carbohidratos son llamados también glúcidos. Comprenden moléculas con funciones tanto de almacén de energía como estructuras celulares. Se clasifican en: monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. 43 Universidad Peruana Los Andes RECOMENDACIONES 1. Una dieta rica en carbohidratos tiene numerosos beneficios para la salud, y esto debería reconocerse y divulgarse. Los carbohidratos aportan mucho más que energía. 2. Lo mejor es obtener la mayoría de sus carbohidratos de alimentos integrales. Además de las calorías, los alimentos integrales suministran vitaminas, minerales y fibra. 3. Lo más sano para el cuerpo es obtener los carbohidratos, vitaminas y otros nutrientes en la forma más natural posible, sobre todo de frutas en lugar de productos refinados o procesados. 4. Lo mejor para controlar el peso son los carbohidratos de asimilación lenta, ya que mantienen un suministro continuo de glucosa en sangre durante varias horas. Por el contrario, los carbohidratos de asimilación rápida promueven el sobrepeso y las caídas de azúcar en sangre. 44 Universidad Peruana Los Andes BIBLIOGRAFÍA 1. "La dieta perfecta. Guía para conseguir una alimentación a tu medida"; Dr. J. L. Cidón Madrigal; edit. Grupo Correo; colección "biblioteca de la salud"; 1996. 2. "Guía de alimentación para el deportista"; Alberto Muñoz Soler y Fco. J. López Meseguer; Edit. Tutor; colección "En forma"; Madrid, 2001. 3. "Enciclopedia familiar Everest de la salud"; varios autores; Edit. Everest, León (España) 2000. 4. "Invitación a la biología"; Helena Curtis, N Sue Barnes; Edit. Panamericana; Madrid, 1994. 5. "Enciclopedia del cuerpo humano"; varios autores; Edit. Espasa Calpe; España 2003. 6. "Alimentación y nutrición, manual teórico-práctico"; C. Vázquez, A. I. De Cos, C. López-Nomdedeu; Edit. Diaz De Santos; Madrid, 1988 7. http://www.zonadiet.com/nutricion/hidratos-digestion.htm 8. http://www.zonadiet.com/nutricion/hidratos-digestion.htm 9. Anderson CA et al. (2009). Sucrose and dental caries: a review of the evidence. Obesity Reviews 10 Suppl 1:41-54. 10. Atkinson FS et al. (2008). International tables of Glycemic Index and Glycemic Load Values. Diabetes Care 31(12):2281-83. 45 Universidad Peruana Los Andes ANEXOS Imagen 01: Gluconeogénesis Imagen 02: Ciclo de la gluconeogénesis 46 Universidad Peruana Los Andes Imagen 03: Clasificación De Los Carbohidratos Imagen 04: Esquematización De Carbohidratos 47 Universidad Peruana Los Andes Imagen 04: Alimentos Ricos En Carbohidratos Imagen 04: Menestras 48