Fisiopatología y Bioquímica de los Carbohidratos: Metabolismo, Glucemia y Diabetes Mellitus

Propiedades y Estructura de los Carbohidratos

Monosacáridos: Propiedades Físicas y Químicas

Propiedades Físicas

• Sólidos, cristalinos, incoloros y de sabor dulce.
• Muy solubles en agua, ya que establecen enlaces polares con las moléculas de agua.

Propiedades Químicas

El grupo carbonilo reduce fácilmente los compuestos de cobre (Licor de Fehling) y de plata, oxidándose y pasando a grupo ácido. Esta es una propiedad característica.

Oligosacáridos y el Enlace O-Glicosídico

Los oligosacáridos están formados por la unión de 10 o menos monosacáridos mediante enlaces O-glicosídicos. Se encuentran en la membrana plasmática, donde actúan como receptores de muchas sustancias y como moléculas que sirven para que las células se reconozcan entre sí.

Si reacciona el -OH de un carbono anomérico de un monosacárido con un -OH de otro monosacárido, quedan unidos por enlaces O-glicosídicos (se forma un disacárido y una molécula de agua).

Polisacáridos de Interés Biológico

Homopolisacáridos unidos por enlaces alfa (α)

• Almidón: Función energética, sintetizado por los vegetales. Se reconoce por teñirse de violeta con Lugol.
• Glucógeno: Función de reserva energética en los animales (en hígado y músculo), donde se hidroliza transformándose en glucosa. Estructura similar al almidón, pero más ramificada y con masa molecular mucho mayor.

Homopolisacáridos unidos por enlaces beta (β)

• Celulosa: Sintetizada por los vegetales. Función estructural; forma parte de la pared celular. Posee una disposición que permite que se formen puentes de hidrógeno entre cadenas yuxtapuestas, produciendo fibras muy resistentes.
• Quitina: Formada por un derivado nitrogenado de la glucosa. Constituye el exoesqueleto de los artrópodos.

Metabolismo de los Hidratos de Carbono

Metabolismo Exógeno

Se debe a la alimentación, que implica la ingesta de diversos hidratos de carbono (mono, di y polisacáridos). Las enzimas liberadas por las glándulas salivales, el intestino delgado y el páncreas los hidrolizan a hexosas o pentosas, que son absorbidas por el intestino delgado, pasando al torrente circulatorio. Principalmente, se utiliza la glucosa como fuente de energía.

Los productos finales del catabolismo de los hidratos de carbono son, además de energía (ATP), CO₂ y H₂O, que retornan a través de la sangre venosa para su eliminación vía pulmonar o renal.

El exceso de glucosa que la célula no necesita para aportar energía va por la circulación portal al hígado. Las otras hexosas son transformadas en glucosa por la acción de células hepáticas. La glucosa es transformada en glucógeno hepático por la Glucogenogénesis y se almacena como reserva. También es utilizada para la síntesis de ácidos grasos y aminoácidos específicos.

Metabolismo Endógeno

Cuando el aporte de glucosa en la dieta es insuficiente para obtener energía, el glucógeno del hígado se transforma en glucosa mediante la Glucogenólisis.

Si disminuye también la reserva de glucógeno y los niveles de glucemia son bajos, se produce glucosa a partir de sustancias que no son hidratos de carbono, sino aminoácidos de proteínas y glicerol procedente de ácidos grasos neutros y triglicéridos (TG), proceso conocido como Gluconeogénesis.

Quedan ácidos grasos libres al producirse la Lipólisis, que se transforman en cuerpos cetónicos que pueden aumentar en sangre y pasar a la orina.

Funciones de los Hidratos de Carbono y Vías Catabólicas

Funciones Principales

• Reserva Energética: El glucógeno actúa como función de depósito, siendo una fuente de energía en los músculos.
• Base para Síntesis de Otras Estructuras: Como proteínas.
• Fuente de Energía: Es la función más importante. Se obtiene energía por degradación de glucosa a través de tres vías principales.

Vías de Obtención de Energía

1. Vía Glucólisis: Es la vía más importante cuantitativamente para la obtención de ATP.
   • En condiciones de anaerobiosis: Degradación de piruvato en lactato.
   • En presencia de O₂: El piruvato se oxida originando Acetil-CoA, que se incorpora al Ciclo de Krebs. Esto produce ATP, CO₂, H y e⁻, que se incorporan a la cadena respiratoria hasta el oxígeno molecular en el proceso de fosforilación oxidativa, obteniendo un mayor rendimiento energético (36 ATP por cada molécula de glucosa).
2. Vía Pentosa Fosfato: Permite obtener ribosa y NADPH, importantes en muchos procesos metabólicos.
3. Vía Sorbitol.

Glucólisis

Conjunto de reacciones que degradan la glucosa, transformándola en dos moléculas de ácido pirúvico. Se realiza en el hialoplasma (citosol). Es un proceso anaerobio, no necesita O₂. Por cada molécula de glucosa se obtienen 2 ATP y 2 NADH + H⁺.

Para evitar que la glucólisis se detenga por exceso de ácido pirúvico y NADH + H⁺ o falta de NAD⁺, se necesitan otras vías que eliminen los productos obtenidos y recuperen los sustratos imprescindibles.

Respiración Aerobia (Catabolismo Aerobio)

Si hay O₂, el ácido pirúvico es degradado, obteniéndose CO₂ y NADH + H⁺. Los coenzimas reductores obtenidos son oxidados y los electrones (e⁻) transportados hacia el O₂, recuperándose el NAD⁺ y obteniéndose H₂O. Este proceso se realiza en eucariotas en las mitocondrias.

Descarboxilación Oxidativa del Ácido Pirúvico

En condiciones aeróbicas, el ácido pirúvico obtenido en la glucólisis y otros procesos atraviesa la membrana de la mitocondria y en la matriz mitocondrial sufre un proceso químico con dos fases:

1. Descarboxilación: El ácido pirúvico pierde el grupo CO₂ correspondiente al primer carbono con función ácido.
2. Oxidación: Al perderse, el segundo carbono pasa de tener grupo cetona a tener grupo aldehído. Se oxida a grupo ácido por acción del NAD⁺, donde interviene la CoA, que se unirá al ácido acético para dar Acetil Coenzima A.

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

Ruta metabólica a través de la cual el ácido acético unido a CoA cumple su oxidación en la matriz mitocondrial. Aunque es la última etapa de degradación de azúcares, otros compuestos orgánicos van a ser degradados a Acetil-CoA e integrados en Krebs.

Como todo ciclo, es alimentado continuamente con sustratos y genera productos. Se detiene si faltan sustratos o por exceso de productos, ya que se inhiben las enzimas que participan en él.

Alteraciones de la Glucemia: Hipoglucemia e Hiperglucemia

Hipoglucemia

Disminución de la glucemia por debajo de 45-50 mg/dL, causada por un desequilibrio entre la glucosa que llega al torrente sanguíneo y la que sale del mismo para el consumo por los tejidos.

Etiología

Hipoglucemias Espontáneas

• Procesos metabólicos endógenos que provocan hipoglucemia en ayunas o ayuno prolongado (se consume glucosa y después la reserva de glucógeno).
• Mecanismos que aumentan la utilización de glucosa (ejercicio, embarazo).
• Consumo excesivo de glucosa (ej. Insulinoma).
• Producción deficiente de glucosa (ej. Hepatopatías extensas).
• Mecanismo desconocido: Hipoglucemia cetósica en la niñez.

Causas Reactivas (Factor Externo)

• Administración exógena de insulina.
• Hipoglucemiantes orales.
• Alcohol.
• Hipoglucemia idiopática.
• Hipoglucemia post-gastrectomía (absorción brusca de glucosa y secreción en exceso de insulina).

Manifestaciones Clínicas

Son inespecíficas. Se deben a la liberación de catecolaminas e indican la movilización endógena de glucógeno (glucogenólisis) para elevar los niveles de glucemia (ansiedad, temblores), y síntomas debidos a la alteración del SNC por déficit de glucosa (convulsiones, coma).

Hiperglucemia y Diabetes Mellitus (DM)

Aumento anormal de glucosa en sangre. Se produce en la DM por déficit absoluto o relativo de insulina.

Diabetes Mellitus (DM)

Conjunto heterogéneo de síndromes hiperglucemiantes por la combinación de un defecto en la función beta del páncreas y por la disminución de sensibilidad a la insulina en los tejidos diana. También puede ser causada por:

• Nutrición inadecuada.
• Aporte energético excesivo.
• Mucho alcohol.
• Errores en la dieta.
• Poca actividad física.

Fisiopatología del Déficit de Insulina

El déficit de insulina puede ser:

• Absoluto: Secreción de insulina insuficiente para las necesidades del metabolismo.
• Relativo: Cantidad de insulina disponible normal, pero necesidad de aporte mayor.

Esto afecta al metabolismo de los tres principios inmediatos:

• Metabolismo Hidrocarbonado: Hiperglucemia y glucosuria por disminución de la utilización de glucosa y aumento de glucogenólisis y gluconeogénesis.
• Metabolismo Lipídico: Aumento de lipólisis. Los TG sufren un proceso de hidrólisis, originando ácidos grasos y glicerol.
• Metabolismo Proteico: Catabolismo proteico aumentado, liberación de aminoácidos que constituyen las proteínas que son utilizadas en el hígado para sintetizar glucosa (gluconeogénesis).

Tipos de Diabetes

• DM1: Típica de jóvenes. Déficit absoluto de insulina (insulinodependientes, necesitan inyectarse). Incluye:
  • Diabetes mediada por procesos autoinmunes (DM1a).
  • Diabetes idiopática (DM1b).
• DM2: Típica de adultos. Tratamiento hipoglucemiante. Causada por resistencia a la insulina y deficiencia relativa en su producción pancreática.
• Diabetes Gestacional.

Clínica de la DM

Signos cardinales: Poliuria, polidipsia, polifagia (a las células no les llega glucosa).

Complicaciones Agudas

• Cetoacidosis diabética.
• Coma hipoglucémico.
• Coma diabético hiperosmolar no cetósico.

Complicaciones Crónicas

• Cataratas.
• Retinopatía diabética.
• Neuropatía diabética.
• Alteraciones cardiovasculares.
• Nefropatía.
• Lesiones cutáneas.

Pruebas Diagnósticas y Seguimiento de la Glucemia

Glucemia Basal

Nivel de glucosa en sangre después de un ayuno de 8-10 horas sin comer. Se mide en suero o plasma. Valor Normal (V.N.): 70-110 mg/dL.

Glucemia Postprandial y Curva de Glucemia

• Glucemia Postprandial: Medida después de comer. V.N. poco probable: 110-120 mg/dL. Más de 120 mg/dL: muy probable. Debe confirmarse con prueba de sobrecarga estandarizada.
• Curva de Glucemia: Mide la capacidad del sujeto para eliminar la sobrecarga de glucosa del torrente circulatorio. Se utiliza para diagnosticar, no para los ya diagnosticados.

Test de O'Sullivan

Utilizado para el diagnóstico de la Diabetes Mellitus Gestacional. Se realiza un screening con sobrecarga de 50g de glucosa oral y extracción a los 60 minutos. Si la glucosa es mayor de 140 mg/dL, se procede a una sobrecarga de 100g de glucosa oral y extracción de glucemia basal a 60', 120' y 180'.

Determinación de Péptido C

El péptido C es un polipéptido originado junto con la insulina por la ruptura de la proinsulina secretada por el páncreas. Su ventaja frente a la insulina es que, aunque se secreta en la misma proporción, se destruye en menor grado, por lo que su presencia en plasma es más prolongada.

Su uso más importante es el diagnóstico de hiperinsulinemia de tipo endógeno o exógeno. También se utiliza para conocer la reserva pancreática de insulinemia en la DM.