Metabolismo de Carbohidratos: Glucólisis, Ciclo de Krebs, Glucogenogénesis y Cadena Respiratoria

Generalidades de los carbohidratos

La principal función de los carbohidratos es proveer energía al organismo, especialmente al cerebro. Producen 4 kcal/g y se almacenan en el hígado y el músculo en forma de glucógeno.

Están compuestos por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno (CHO).

Clasificación

• Carbohidratos simples: monosacáridos (glucosa, fructosa, galactosa) y disacáridos (maltosa, sacarosa y lactosa).
• Carbohidratos complejos: polisacáridos (almidón, glucógeno y fibra).

Digestión y absorción

La digestión comienza en la boca por acción de la enzima amilasa salival, y continúa en el intestino delgado mediante la amilasa pancreática. El intestino delgado presenta un proceso de absorción activo.

Funciones de la glucosa en el organismo

• Produce energía.
• Ahorra el uso de proteínas como fuente de energía.
• Regula el metabolismo de las grasas.
• Previene la cetosis.

Glucólisis

En el ser humano existen dos vías para catabolizar la glucosa: la vía glucolítica y la vía de las pentosas fosfato. La vía glucolítica es la más importante y la más difundida en la naturaleza para el metabolismo de la glucosa. El término "glucólisis" se refiere a la ruptura (lisis) del azúcar (gluco).

Conversión de piruvato a acetil CoA

Esta reacción es catalizada por el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa, que incluye tres enzimas:

• E1: piruvato deshidrogenasa
• E2: dihidrolipoil transacetilasa
• E3: dihidrolipoil deshidrogenasa

Además, requiere cinco coenzimas: TPP (tiamina pirofosfato), ácido lipoico, NAD, FAD y CoA. La conversión es regulada por el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa. La vitamina que interviene es la tiamina (B1).

Vía de las pentosas fosfato

Generalidades

También se denomina vía de las hexosas monofosfato o vía del fosfogluconato. Se realiza en el citosol y guarda relación con la glucólisis, ya que forma intermediarios comunes con ambas vías. Esta vía es muy activa en tejidos donde la síntesis de ácidos grasos y esteroides es intensa. No requiere ni forma ATP.

Importancia:

• Proporciona NADPH, que desempeña un papel importante en las reacciones biosintéticas.
• Proporciona ribosa-5-fosfato, que interviene en la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos.

Reacción global

Glucosa-6-fosfato + 2 NADP⁺ + H₂O → Ribosa-5-fosfato + CO₂ + 2 NADPH + 2 H⁺

Conclusión

La enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa es clave en la regulación de la vía de las pentosas fosfato y tiene importancia clínica. Esta vía se activa en todo tipo de células que sintetizan nucleótidos y ácidos nucleicos, y requiere la participación de tres enzimas: ribulosa-5-fosfato epimerasa, transcetolasa (requiere pirofosfato de tiamina y magnesio) y transaldolasa.

Usos del NADPH

• Biosíntesis reductiva.
• Reducción de peróxido de hidrógeno, mediante la enzima que cataliza esta reacción antioxidante.
• Antioxidante químico.
• Sistema del citocromo P450.
• Fagocitosis por leucocitos.

Ciclo de Krebs

También llamado ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo del ácido cítrico. Es una vía propia de los organismos aerobios y resulta esencial, ya que junto con la glucólisis, la descarboxilación del piruvato y la fosforilación oxidativa, permite la conversión química de carbohidratos, lípidos y aminoácidos en CO₂ y agua, liberando gran cantidad de energía que, en un alto porcentaje, puede ser almacenada en la moneda energética de la célula: el ATP.

Reacciones del ciclo

1. Primera reacción: condensación de acetil CoA con oxalacetato para formar citrato.
2. Segunda reacción: citrato → isocitrato.
3. Tercera reacción: el isocitrato se oxida y se descarboxila para formar α-cetoglutarato.
4. Cuarta reacción: el α-cetoglutarato se descarboxila oxidativamente para originar succinil CoA, con la participación del complejo enzimático α-cetoglutarato deshidrogenasa.
5. Quinta reacción: se rompe el enlace tioéster del succinil CoA para dar succinato.
6. Sexta reacción: con participación de FAD, el succinato se convierte en fumarato.
7. Séptima reacción: interviene la enzima fumarasa (fumarato hidratasa), una reacción reversible que hidrata el fumarato para formar malato.
8. Octava reacción: la oxidación del malato regenera el oxalacetato.

Regulación del ciclo de Krebs

El ciclo se regula por la actividad de varias enzimas, entre las que destacan aquellas que catalizan reacciones con ΔG alto y negativo, como las catalizadas por la citrato sintasa, la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa.

Vías metabólicas de los carbohidratos

• Glucólisis
• Gluconeogénesis
• Glucogenogénesis
• Glucogenólisis
• Vía de las pentosas fosfato
• Ciclo de Cori
• Ciclo de la alanina

Glucólisis

Vía por la cual la glucosa se convierte en piruvato. Ocurre en el citosol y se obtiene ATP, NADH y piruvato.

Enzimas reguladoras:

• Hexoquinasa: es inhibida por su producto, la glucosa-6-fosfato.
• Fosfofructoquinasa
• Piruvato quinasa

Gluconeogénesis

Ocurre principalmente en el hígado. Es el proceso mediante el cual se sintetiza glucosa a partir de compuestos no glucídicos, como el lactato, los aminoácidos (alanina), el glicerol y los ácidos grasos.

Glucogenogénesis

El glucógeno es un polímero ramificado y constituye la forma principal de almacenamiento de glucosa. Se sintetiza a partir de glucosa y se almacena en el hígado y el músculo.

Estructura del glucógeno: es un polímero ramificado formado por residuos de D-glucosa. Las uniones se realizan mediante enlaces glucosídicos α-1,4 y los puntos de ramificación mediante enlaces α-1,6.

Glucogenina: es una proteína de 37 kDa que sirve de punto de unión y de molde para la síntesis de glucógeno.

Síntesis de glucógeno

La UDP-glucosa es el precursor de la síntesis de glucógeno:

1. La glucosa entra a la célula y es fosforilada a glucosa-6-fosfato por la hexoquinasa.
2. La fosfoglucomutasa convierte la glucosa-6-fosfato en glucosa-1-fosfato.
3. La glucosa-1-fosfato reacciona con UTP formando UDP-glucosa. Esta reacción es catalizada por la UDP-glucosa pirofosforilasa, liberándose pirofosfato inorgánico.

Glucógeno sintasa: es la enzima reguladora de la síntesis de glucógeno. Transfiere residuos de glucosa desde la UDP-glucosa al extremo no reductor de la molécula de glucógeno (glucogenina).

Degradación del glucógeno (glucogenólisis)

Su degradación produce glucosa-1-fosfato. La enzima clave es la fosforilasa, que remueve glucosas de los extremos no reductores.

El glucógeno hepático se utiliza para mantener el nivel de glucosa en sangre durante el ayuno o el ejercicio.

Regulación hormonal del metabolismo del glucógeno

• Epinefrina (adrenalina): hormona secretada por la glándula suprarrenal que estimula de forma repentina la degradación del glucógeno muscular.
• Glucagón: secretado por las células alfa del páncreas en respuesta a la hipoglucemia. Es una hormona que eleva el nivel de glucosa en sangre, al contrario de la insulina, y moviliza la reserva de glucosa presente en el hígado en forma de glucógeno.
• Insulina: principal hormona que regula el nivel de glucosa en sangre. El páncreas la secreta cuando la concentración de glucosa en sangre es elevada, y estimula la síntesis de glucógeno tanto en el hígado como en el músculo. Su función es controlar la velocidad a la que la glucosa se consume en las células musculares, el tejido graso y el hígado.
• Epinefrina: hormona vasoactiva secretada por la glándula suprarrenal, perteneciente al grupo de las catecolaminas, que deriva de los aminoácidos fenilalanina y tirosina. Sus funciones son: aumentar la concentración de glucosa en sangre, aumentar la presión arterial y el ritmo cardíaco, aumentar la respiración y dilatar la pupila para mejorar la visión.

Mitocondria y cadena respiratoria

Estructura mitocondrial

La mitocondria está compuesta por: membrana externa, membrana interna, espacio intermembrana y matriz.

Intermediarios de la cadena respiratoria

• Deshidrogenasas dependientes de NAD
• Deshidrogenasas flavínicas
• Proteínas hierro-azufre
• Citocromos

Inhibidores de la cadena respiratoria

Son sustancias que actúan en sitios específicos de la cadena respiratoria mitocondrial:

• Rotenona, clorpromazina y piericidina: actúan inhibiendo la flavoproteína NADH reductasa (a nivel del complejo I). La rotenona y el amital bloquean la transferencia de electrones en la NADH-Q oxidorreductasa, impidiendo la utilización del NADH como sustrato pero no el flujo de electrones correspondiente a la utilización del succinato.
• Antimicina A: antibiótico que interrumpe el flujo de electrones a nivel del citocromo b y del citocromo c oxidorreductasa.
• Naptoquinona: actúa a nivel de la citocromo oxidasa.
• Cianuro y azida: también actúan a nivel de la citocromo oxidasa.