Metabolismo de los Hidratos de Carbono: Glucólisis, Gluconeogénesis y Regulación Enzimática

Metabolismo de los Glúcidos: Glucólisis y Gluconeogénesis

1. Glucólisis

La glucólisis es la ruta metabólica encargada de oxidar la glucosa con el fin de obtener energía para la célula.

Ecuación global:
Glucosa + 2ADP + 2NAD⁺ + 2Pi → 2 Piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H⁺ + 2H₂O

Puntos de regulación: Carga energética, regulación hormonal (estimulada por insulina (+) e inhibida por glucagón (-)) y prevención de la acidosis láctica.

Enzimas Clave y Regulación:

• Hexoquinasa (tejidos): Inhibida por su producto, la Glucosa-6-P. Posee especificidad relativa y regulación alostérica.
• Glucoquinasa (hígado): Posee especificidad absoluta pero baja afinidad por la glucosa. Es estimulada por la insulina (+).
• Piruvato quinasa: Presenta diferentes isoformas (forma L en hígado, M en músculo y cerebro, forma A en el resto de tejidos). Su regulación se da por:
  • Modificación covalente: Producción controlada por glucagón. Un aumento de glucagón incrementa la proteína quinasa A fosforilada.
  • Regulación alostérica: Activada por Fructosa 1,6-bis-P y AMP (+). Inhibida por ATP, alanina, acetil-CoA y ácidos grasos (AG) (-).
• Fosfofructoquinasa I (PFK-1): Activada por Fructosa 1,6-bis-P y AMP (+). Inhibida por citrato, ATP y H⁺ (-).

2. Gluconeogénesis

Es la síntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos.

Ecuación global:
2 Piruvato + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H⁺ → Glucosa + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD⁺

Puntos de regulación alostérica: Se basa en el ciclo de sustrato, donde se regulan enzimas que catalizan pasos opuestos mediante los mismos factores, logrando una coordinación muy precisa para mantener gastos energéticos mínimos.

Enzimas Reguladoras:

• Piruvato carboxilasa: Activada por acetil-CoA (+) e inhibida por ADP (-).
• Fructosa 1,6-bisfosfatasa: Activada por citrato (+) e inhibida por fructosa 1,6-bis-P y AMP (-).
• Glucosa-6-fosfatasa: Activada por Glucosa-6-P (+).

3. Fermentaciones y Oxidación

• Fermentación láctica: Glucosa + 2ADP + 2Pi → 2 Lactato + 2ATP + 2H₂O
• Fermentación alcohólica: Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2H⁺ → 2 Etanol + 2ATP + 2H₂O + CO₂
• Glucólisis + Descarboxilación oxidativa: Glucosa + 2ADP + 2Pi + 4NAD⁺ → 2 Acetil-CoA + 2ATP + 4NADH + 4H⁺ + 2H₂O + 2CO₂

Destinos Metabólicos del Piruvato

Ácido Láctico y Ciclo de Cori

En células sin mitocondrias o con bajas concentraciones de O₂, el piruvato se convierte en lactato. Este se libera a la vía sanguínea hasta llegar al hígado, donde se transforma nuevamente en piruvato para entrar en la gluconeogénesis.

Ciclo de Cori: Transporte de lactato desde el músculo esquelético al hígado para su reciclaje en glucosa.

• Músculo (alto NADH/NAD⁺): Glucosa → Piruvato + LDH + NADH+H⁺ → NAD⁺ + Lactato (hacia el torrente sanguíneo).
• Hígado (bajo NADH/NAD⁺): Lactato + LDH + NAD⁺ → NADH+H⁺ → Piruvato → Glucosa-6P → Glucosa (hacia el torrente sanguíneo y de vuelta al músculo).

Glicerol

Producto de la degradación de lípidos que se incorpora a la gluconeogénesis:
Glicerol + Glicerol quinasa + ATP → ADP + Glicerol-3P + Glicerol-3P DH + NAD⁺ → Dihidroxiacetona-P + NADH+H⁺.

Alanina (Ciclo Glucosa-Alanina)

Permite transformar alanina en piruvato y transportarla desde los tejidos al hígado, transportando nitrógeno de forma segura en la sangre para su eliminación como urea.

• Músculo: Proteínas musculares → Aminoácidos → NH₃ → Glutamato + Alanina transaminasa → Alfa-cetoglutarato → Alanina (al hígado).
• Hígado: Alanina + Alanina transaminasa → Piruvato → Glucosa.

Ruta de las Pentosas Fosfato

Ocurre en el citoplasma. Sus funciones principales son la obtención de NADPH+H⁺ (poder reductor para biosíntesis de ácidos grasos y esteroides) y Ribosa-5-P (precursor de nucleótidos, NAD⁺, NADP⁺, CoA y ácidos nucleicos). Consta de dos fases: oxidativa y no oxidativa.

Regulación: Estimulada por Hidratos de Carbono (HdC), GSGH y Glucosa-6-P (+). Inhibida por NADPH, ATP y esteroides (-).

Metabolismo del Glucógeno

El glucógeno es un polisacárido de glucosas de origen animal, ramificado, que sirve como reservorio de glucosa a corto plazo. Se almacena principalmente en el hígado (mantenimiento de la glucemia) y en el músculo (combustible para ejercicio intenso).

1. Glucogenogénesis (Síntesis)

Proceso anabólico estimulado tras una alta ingesta de HdC.

1. Glucosa + Hexoquinasa/Glucoquinasa → Glucosa-6-P.
2. Glucosa-6-P + Fosfoglucomutasa ↔ Glucosa-1-P.
3. Glucosa-1-P + UTP → UDP-Glucosa + UDP-glucosa pirofosforilasa.
4. UDP-Glucosa + Glucógeno (n) → Glucógeno sintasa: Alarga las cadenas lineales mediante enlaces α(1→4).
5. Enzima ramificante: Induce ramificaciones mediante enlaces α(1→6).

Tanto la enzima ramificante como la glucógeno sintasa poseen actividad glucosiltransferasa.

Iniciación: Requiere un cebador. La proteína glucogenina cataliza la unión de la primera glucosa a un residuo de tirosina (Tyr) antes de que actúen las demás enzimas.

2. Glucogenólisis (Degradación)

Proceso catabólico que consta de:

• Glucógeno fosforilasa: Rompe enlaces α(1→4). Regulada en el músculo por AMP y Ca²⁺ (+), y ATP o Glucosa-6-P (-). En el hígado es inhibida por la glucosa (-).
• Enzima desramificante bifuncional: Elimina los puntos de ramificación α(1→6) mediante su actividad glucosil transferasa y glucosidasa (liberando glucosa libre).

3. Regulación Hormonal

• Insulina: Favorece la síntesis e impide la degradación.
• Glucagón y Adrenalina: Impiden la síntesis y favorecen la degradación. Actúan vía adenilato ciclasa estimulando la síntesis de AMPc.
• AMPc: Activa quinasas que fosforilan enzimas. La glucógeno fosforilasa fosforilada es activa, mientras que la glucógeno sintasa fosforilada es inactiva.

El hígado posee receptores para las tres hormonas, mientras que el tejido muscular responde principalmente a la adrenalina.

Tipos de Nutrición y Otros Glúcidos

Clasificación Nutricional

• Fuente de Carbono: Inorgánica (autótrofo) u orgánica (heterótrofo).
• Fuente de Energía:
  • Luz: Fotótrofos (Fotoautótrofo y Fotoheterótrofo).
  • Reacciones químicas: Quimiótrofos (Quimioorganótrofos y Quimiolitoautótrofos).
• Relación con el O₂: Aerobios estrictos, anaerobios estrictos y anaerobios facultativos.
• Auxótrofos: Organismos que requieren un nutriente específico que no pueden sintetizar por mutación (el estado original es protótrofo).

Metabolismo de otros Azúcares

1. Manosa

Manosa + Hexoquinasa + ATP → Manosa-6P + Fosfomanosa isomerasa → Fructosa-6P → Glucólisis.

2. Fructosa

La sacarosa se divide en glucosa y fructosa por la sacarasa. En el hígado:

• Vía músculo/riñón: Fructosa + Hexoquinasa → Fructosa-6P → Glucólisis.
• Vía hepática: Fructosa + Fructoquinasa → Fructosa-1P → Aldolasa → Gliceraldehído y Dihidroxiacetona-P → Glucólisis.

Patologías: El déficit de fructoquinasa causa fructosemia esencial. El déficit de fructosa-1P aldolasa provoca acumulación de fructosa-1P, causando hipoglucemia grave.

3. Galactosa

La lactosa se divide en galactosa y glucosa por la lactasa. La galactosa se transforma en Glucosa-1P mediante la galactoquinasa y la galactosa-1P uridiltransferasa, entrando finalmente en la glucólisis tras su conversión a Glucosa-6P.

Patologías:

• Intolerancia a la lactosa: Déficit de lactasa, provoca efectos osmóticos y distensión intestinal.
• Galactosemia: Puede deberse a déficit de galactoquinasa (cataratas), uridiltransferasa (daño hepático) o epimerasa.