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Metabolismo de los hidratos de carbono

  • Escrito por Alberto Rodriguez

Este es el primer capítulo de una serie de temas que me gustaría publicar para el aprendizaje de todo aquel interesado sobre la bioquímica en el cuerpo a un nivel básico, estará seguido de un tema sobre las proteínas, otro sobre los ácidos grasos y quizá uno sobre la química del carbono en los esteroides, aunque para comprender este último sí que considero que se deben tener nociones de la misma.

El motivo de este texto no es otro que el de ayudar, o de algún modo enseñar a las personas que están interesadas en conocer cómo funciona la bioquímica en nuestro cuerpo sin tener que ser un entendido de la misma, he intentado resumir las partes más importantes del que me parece un gran libro al respecto, por si a alguien le interesa su título es: Bioquímica, Conceptos Esenciales, de la Editorial Médica Panamericana.

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Hay partes o palabras, tecnicismos en general que quizá sea de origen desconocido para alguien que nunca haya cursado estos temas, nuevamente creo que se puede entender en su gran mayoría sin ser un lumbreras, almenos yo no lo soy.

Sin más agradecer a todas las personas que de algún modo colaboran en internet con el aprendizaje del resto, ya sea desde foros, webs propias colgando sus trabajos, etc. Mi intención no es otra que ayudar igual que otros hacen conmigo.

METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO

El metabolismo de los hidratos de carbono es una de las principales rutas del metabolismo celular, entre los azúcares utilizados como fuente de energía para la célula destaca uno principalmente, la glucosa, que es la base de muchos polisacáridos.

Las principales rutas metabólicas postuladas a continuación están estrechamente relacionadas con la producción de energía y de poder reductor. Diferenciamos 3 rutas, las relacionadas con el glucógeno, las relacionadas con los monosacáridos y las relacionadas con el piruvato.

1.- Las rutas relacionadas con el glucógeno. El glucógeno es un polisacárido de reserva energética a corto plazo en los animales, es de gran importancia para mantener un correcto balance energético en el organismo, especialmente en el tejido muscular y hepático.

La Glucogenólisis comprende las reacciones de degradación de mismo mientras que la Glucogenogénesis comprende las vías de síntesis a partir de moléculas de glucosa.

2.- Las rutas relacionadas con los monosacáridos. Entre ellas la principal ruta catabólica es la glucólisis, ruta degradativa de la glucosa que sirve para obtener energía de esta molécula y también de otras hexosas y monosacáridos. La Gluconeogénesis es la principal ruta que sintetiza glucosa a partir de otros intermediarios metabólicos.

3.- Las rutas relacionadas con el Piruvato. Como intermediario metabólico del ciclo de Krebs el piruvato juega un papel de entrada en las rutas catabólicas de fermentaciones y de descarboxilación oxidativa, también sirve de sustrato para la síntesis de glucosa.

El análisis de este conjunto de rutas se completará con el estudio del proceso digestivo de los hidratos de carbono, ya que en el caso de los seres humanos la ingesta de azúcares, sobre todo polisacáridos de la dieta constituye la principal fuente de energía. Aunque el organismo humano puede sintetizar azúcares a partir de moléculas intermediarias, (gluconeogénesis) esta capacidad es relativamente poco importante si la comparamos con el aporte de azúcares de su dieta.

DIGESTIÓN DE AZÚCARES DE LA DIETA

En función de su comportamiento durante el proceso de digestión los hidratos de carbono se pueden dividir en 2 grandes grupos. Hidratos de carbono no digeribles e hidratos de carbono digeribles.

Los primeros son los que comúnmente se les conoce con el nombre de fibra alimentaria, o fibra de la dieta, son en su mayoría polisacáridos complejos que no se pueden digerir porque el organismo no posee las enzimas necesarias para hidrolizar los enlaces que unen los distintos monosacáridos. Entre ellos podemos destacar la celulosa, la inulina y compuestos como el agar, derivados de algunas algas marinas.

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No obstante a pesar de que la fibra alimentaria no tiene un papel como nutriente (al no poder ser digerida y asimilada correctamente) sí que desempeña diversas funciones fisiológicas importantes, como estimular la peristalsis intestinal y facilitar el correcto tránsito intestinal. Entre otros beneficios podemos destacar que la fibra ralentiza el vaciado gástrico y aumenta su distensión, prolongando así la sensación de saciedad. Esto provoca una disminución en la absorción de glucosa, lípidos y aminoácidos, que ayuda a regular los niveles glucémicos y de colesterol.

Dentro de los hidratos de carbono digeribles hay que destacar el papel del almidón, principal hidrato de carbono de la dieta. Cabe recordar la existencia de 2 tipos de estructura de almidón, amilosa y amilopectina, implican una mayor complejidad a la hora de poder digerir y asimilar totalmente los monosacáridos del almidón: además, también tienen mucha importancia en la dieta ciertos productos derivados del almidón como pueden ser las dextrinas. Otros hidratos de carbono que presentan gran importancia en la dieta son los disacáridos, principalmente la sacarosa y la lactosa.

En general el proceso digestivo de los HC implica la transformación del azúcar en sus constituyentes básicos, es decir, los monosacáridos, a través de enzimas digestivas específicas. Estos monosacáridos posteriormente serán asimilados por la acción de transportadores específicos a nivel intestinal.

ENZIMAS DIGESTIVAS DE AZÚCARES Y PRODUCTOS OBTENIDOS

La digestión del almidón viene determinada por el tipo de estructura que esté implicada. Así, la estructura amilosa (estructura lineal con enlaces α1 -> 4), va a ser digerida por la enzima amilasa. Esta enzima se secreta ya en la saliva (amilasa salival) iniciándose desde la deglución el proceso digestivo del almidón, si bien es la amilasa pancreática secretada en el intestino la que termina de hidrolizar la mayor parte de la amilosa. Como resultado de esta actividad se obtienen disacáridos de y trisacáridos de glucosa: la maltosa y la maltotriosa respectivamente.

Esta misma enzima, la amilasa, también ataca parcialmente a la estructura amilopectina del almidón, (estructura ramificada con una estructura central de moléculas de glucosa con enlaces α1 -> 4 y puntos de ramificación α1 -> 6) La actuación de la amilasa sobre la estructura amilopectina origina tres productos distintos, la maltosa, la maltotriosa y las llamadas dextrinas límite, que son los fragmentos restantes del almidón que no han podido ser hidrolizados por la amilasa debido a la presencia del enlace α1 -> 6.

Las dextrinas terminan de ser hidrolizadas por la acción de la isomaltasa, enzima que hidroliza el enlace α1 -> 6 liberando moléculas de maltosa y maltotriosa, o bien fragmentos de varias glucosas que serán hidrolizadas nuevamente por la amilasa, originando como habíamos comentado moléculas de maltosa y maltotriosa. Finalmente las moléculas resultantes se digieren por la maltasa, que hidroliza los enlaces α1 -> 4 de disacáridos y trisacáridos, liberando moléculas de glucosa que serán incorporadas por los transportadores específicos hacia el interior de las células intestinales, dichos transportadores son el SGLT-1 y el GLUT-2.

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El glucógeno, al poseer una estructura similar a la amilopectina del almidón también requiere la presencia de amilasa y de isomaltasa para hidrolizar los enlaces. (Los comentados anteriormente, α1 -> 4 y α1 -> 6 respectivamente)

La hidrólisis de los disacáridos se produce a través de disacaridasas específicas que liberarán los monosacáridos constituyentes del disacárido. Así sobre la sacarosa actuará la sacarasa y sobre la lactosa intervendrá la lactasa. (Me he tomado la libertad de omitir el proceso de hidrólisis de los disacáridos ya que es más de lo mismo, hidrólisis de enlaces α y β, este texto se creó pensando en llegar a un lector que quiere conocer los aspectos básicos de la bioquímica de los alimentos, y no para expertos, con lo que me permito el lujo de omitir las cosas que creo repetitivas o de poco interés, pasarme el día hablando de reacciones químicas provocaría que esto no lo leyese ni el Tato y mi intención es que aprendan la mayor cantidad posible de personas interesadas).

Los monosacáridos resultantes de estos procesos una vez asimilados por las células intestinas se liberan rápidamente al torrente sanguíneo gracias a un transportador, el GLUT-2, es un transportador de grupo capaz de arrastrar los principales monosacáridos de la dieta, la glucosa, la fructosa y la galactosa, desde el intestino hasta la sangre, para su distribución y utilización por todos los tejidos del organismo. Gran cantidad de la glucosa procedente de la dieta será asimilada por el hígado, órgano encargado de mantener los niveles de glucosa en sangre.

Cabe destacar que relacionadas con las enzimas digestivas isomaltasa, lactasa y sacarasa podeos encontrar ciertos trastornos alimenticios denominados intolerancias alimentarias, que suelen originar cuadros de dolores abdominales y diarreas principalmente, las más típicas son.

Intoleracia a la leche. Aunque no es frecuente esta intolerancia puede ser hereditaria, al producirse un déficit de lactasa. Más frecuente es la intolerancia adquirida como consecuencia de dejar de consumirla en la edad adulta y por tanto, de producir lactasa. Es muy típica de poblaciones asiáticas y africanas. Los caucásicos, sin embargo, mantienen una buena tolerancia a la leche siendo adultos. Para tratar esta intolerancia se hace necesario eliminar la leche de la dieta o añadir una leche sin lactosa (Nota del escritor, no es sin lactosa, es con la enzima lactasa, de ahí que podamos digerirla sin problemas). En lactantes se sustituía por leche de soja, pero se ha visto que de esa forma puede producir una deshidratación muy rápida en los bebés.

Deficiencia en sacarasa e isomaltasa. Estas dos enzimas presentan un control genético común, por lo que se suele dar siempre el fallo común de ambas enzimas. El almidón se tolera mal porque la amilasa pancreática genera alrededor del 30% de α-dextrina, que no será hidrolizada por el fallo de la isomaltasa.

Intolerancia a la fructosa. Se produce por deficiencia de Aldosala B y la consiguiente acumulación de fructosa-1-P en el hígado, o que desregula su funcionamiento y ocasiona alteraciones hepáticas. Puede originar hipoglucemias y además, pérdida de peso, vómitos, hepatomegalia e ictericia.

(Hay más enfermedades derivadas como pueden ser las galactosemias, galactoquinasa, galactosa epimerasa, fructosuria esencial… pero se producen en un porcentaje de población tan pequeño que no considero de importancia explicarlas.)

LA GLUCÓLISIS

Aspectos generales de la degradación de glucosa

La glucólisis es la ruta degradativa de la glucosa, es una de las rutas más importantes del metabolismo, ya que constituye uno de los primeros pasos en el procesamiento y aprovechamiento de la glucosa para la obtención de energía para la célula.

La glucólisis es la forma más rápida de conseguir energía para una célula, y en el metabolismo de los carbohidratos generalmente es la primera vía de combustión. El tipo de glucólisis más conocida es la vía de Embden-Meyerhoff. La glucólisis tiene lugar en el citoplasma de la célula, si bien en algunas células vegetales algunas de estas reacciones se encuentran también en el Ciclo de Calvin (Fase de fijación del CO2 de la fotosíntesis).

(Aquí he omitido los 10 pasos de la glucólisis porque es hablar de fosforilaciones, oxidaciones, esciciones, interconversiones, etc etc etc. Lo importante es que cada molécula de glucosa rinde dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH4, el ATP puede ser usado como fuente de energía para realizar trabajo metabólico mientras que el NADH puede tener diferentes destinos.)

Los 3 puntos regulados de la glucólisis

(Esta parte puedes ahorrártela si quieres, no te hará más cachas ni te pondrá más seco, simplemente me pareció interesante comentar lo subrayado unos párrafos más abajo)

En la ruta de la glucólisis existen tres pasos importantes de regulación, correspondientes con los tres pasos irreversibles y que están catalizados, respectivamente, por la hexoquinasa, la fosfofructoquinasa-1 y la piruvato quinasa.

La Hexoquinasa está regulada alostéricamente por su producto, la glucosa-6-fosfato, que inhibe la actuación de la enzima. También se inhibe por ATP, un indicador de que las necesidades energéticas de la célula están satisfechas.

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La fosfofructoquinasa-1 está activada por la fructosa-2,6-bifosfato y AMP (un indicador de una baja producción de energía), inhibiéndose por citrato, ATP y protones de hidrógeno. Los protones son un control para prevenir un posible daño por un incremento de la concentración de ácido, ya que el producto final de la glucólisis puede formar fácilmente ácido láctico, que podría ser causa de una acidos. La fructosa-2,6-bifosfato se produce por la acción de la fosfofructoquinasa-2, que es una enzima controlada por la acción de la insulina y el glucagón, lo cual permite un control hormonal de la glucólisis. Así, la insulina, una hormona que indica un alto nivel de glucosa en sangre favorece la glucólisis, y el resultado es que disminuyen los niveles de glucosa en sangre, mientras que el glucagón actúa de forma opuesta inhibiendo la glucólisis. Los demás factores regulados por esta enzima informan del nivel energético de la célula, de tal forma que si la célula tiene un bajo nivel energético, la glucólisis se incrementa y viceversa.

Finalmente el último paso regulado de la glucólisis es la fosforilación catalizada por la piruvato quinasa, esta reacción resulta inhibida cuando hay suficiente ATP o existen otros combustibles como el acetil CoA o la alanina.

Entrada de otros monosacáridos en la ruta glucolítica

La ruta de la glucólisis no sólo sirve para degradar glucosa, sino que también se utiliza para catabolizar otra serie de monosacáridos. (Fructosa, manosa, galactosa…) Nuevamente evito definir la ruta glucolítica de estos monosácaridos porque es casi más de lo mismo.

LA GLUCONEOGÉNESIS

Aspectos generales de la biosíntesis de glucosa

La gluconeogénesis es la ruta que utilizan las células de los organismos no autótrofos para sintetizar moléculas de glucosa, constituye una ruta muy importante ya que permite suministrar glucosa a los tejidos cuando el aporte de la dieta o los niveles presentes en sangre no son los adecuados.

La gluconeogénesis va a permitir sintetizar glucosa a partir de piruvato a través de un proceso anabólico que requiere una importante inversión de energía. También permite la síntesis de glucosa a partir de diversos precursores no glucídicos, entre los que podemos encontrar aminoácidos, lactato, glicerol o intermediarios del ciclo de Krebs. La gluconeogénesis es una ruta que se lleva a cabo únicamente en el hígado y en la corteza renal.

Regulación de la gluconeogénesis

Las enzimas citadas anteriormente en este proceso están reguladas alostéricamente por una serie de factores que, muchas veces, son los mismos que regulan la enzima opuesta de la glucólisis. Este sistema permite una coordinación muy precisa de ambas rutas, de tal manera que el mismo factor que está activando una ruta, a su vez está inhibiendo la ruta opuesta. Por tanto el control de las dos rutas es muy preciso y se minimiza el gasto energético.

Sustratos gluconeogénicos

Existen varias moléculas que pueden ser precursores de la síntesis de glucosa gracias a esta ruta. Destacan el ácido láctico, el glicerol y el aminoácido alanina.

Así, el ácido láctico que se genera en cantidades importantes en diversas células que no poseen mitocondrias o que presentan en determinados momentos unas bajas concentraciones de oxígeno (como puede suceder en el músculo durante un ejercicio intenso), se libera y transporta vía sanguínea hasta el hígado. En este órgano se transforma en piruvato, que servirá para la síntesis de nuevas moléculas de glucosa, vertidas después a la sangre para que sean aprovechadas por esas células sin mitocondrias o con carencia de oxígeno. Este proceso conocido como el ciclo de Cori permite compartir el gasto metabólico entre diversos tejidos y el hígado.

El glicerol, que es un producto de la degradación de los lípidos puede ser utilizado para formar glucosa gracias a la gluconeogénesis y a las enzimas glicerol quinasa y glicerol 3-P-deshidrogenasa.

Por último tenemos la alanina, que de todos los aminoácidos capaces de convertirse en sustratos gluconeogénicos es el más importante. Gracias a la actividad de las enzimas aminotransferasas se convierte fácilmente en piruvato y éste a su vez en alanina, esto es posible gracias al ciclo de la glucosa alanina, que permite transportar piruvato desde los tejidos al hígado para que éste sintetice glucosa, a la vez que permite transportar nitrógeno de forma segura por la sangre, para posteriormente eliminarlo en forma de urea.

Destinos del piruvato

Va a ser aprovechado por distintas rutas metabólicas, tanto anabólicas como anabólicas, con la finalidad de aumentar la producción de energía o servir para la síntesis de nuevas moléculas, principalmente aminoácidos.

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LA RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO

La ruta de las pentosas fosfato es otra ruta catabólica que parte de la glucosa, en esta ruta la glucosa se oxida y se obtiene energía, pero no en forma de ATP, si no en forma de NADPH + H+ (esto es un maldito protón de hidrógeno pero no encuentro el símbolo, omito las fases de esta ruta por no considerarla importante, lo relevante de la misma es la obtención de moléculas de poder reductor para utilizarlas en biosíntesis reductoras y la generación de diversos monosacáridos).

EL METABOLISMO DEL GLUCÓGENO

Aspectos generales del polisacárido de reserva animal

El glucógeno es un polisacárido de origen animal formado por una gran cantidad de moléculas de glucosa. La función de este polisacárido es constituir un reservorio a corto plazo de moléculas de glucosa con la finalidad de cubrir las necesidades a corto plazo del mismo.

Aunque todas las células pueden tener glucógeno, éste principalmente se forma en dos tejidos: el músculo y el hígado. El tejido muscular va a utilizar las reservas de glucógeno para cubrir las necesidades propias de este tejido, especialmente en los momentos de ejercicio intenso, mientras que el hígado almacena el glucógeno con la finalidad de mantener los niveles de glucosa en sangre; en este sentido, el hígado también se ayuda de la gluconeogénesis para sintetizar glucosa y mantener los niveles en sangre tal y como se acaba de comentar.

Mantener los niveles de glucosa dentro de unos límites aceptables es importantísimo ya que es la glucosa disponible en la sangre la que utilizan la mayor parte de los tejidos para obtener la energía que necesitan en circunstancias normales. Las células cerebrales dependen en gran medida de la glucosa en sangre, aunque éstas pueden adaptarse y obtener energía de los cuerpos cetónicos.

El metabolismo del glucógeno se puede dividir en dos procesos, la glucogenogénesis o síntesis de glucógeno y la glucogenólisis o degradación de glucógeno. Son procesos opuestos, el primero es anabólico mientras que el segundo es catabólico.

Glucogenogénesis

La síntesis de glucógeno se produce normalmente después de la ingestión, sobre todo si la dieta es rica en carbohidratos, pues en esos momentos habrá una gran cantidad de glucosa en sangre procedente de la dieta. Esta glucosa será almacenada tanto en el tejido muscular como en el tejido hepático en forma de glucógeno.

El tejido hepático será el que se encargue de acumular la mayor cantidad de glucosa en forma de glucógeno debido a la presencia de la enzima glucoquinasa, la cual le permite almacenar gran cantidad de glucosa en la célula en forma de glucosa-6-fosfato. (Esto es relativo, el tejido hepático tiene mayor capacidad para almacenar glucógeno con respecto al músculo gramo a gramo, obviamente tenemos mucho más tejido muscular que hepático, con lo que el cómputo global para almacenar glucógeno es claramente a favor del tejido muscular)

Glucogenólisis

La degradación de glucógeno normalmente se produce horas después de las comidas, pues en esos momentos habrán descendido los niveles de glucosa en sangre. Es aquí cuando el tejido hepático empieza a degradar el glucógeno para intentar liberar la mayor cantidad posible de glucosa a la sangre. Mientras, en el tejido muscular, la degradación del glucógeno tendrá lugar cuando se realice un mayor gasto energético que no pueda ser cubierto con el aporte de glucosa desde la sangre, normalmente cuando se produce un ejercicio intenso.

Regulación hormonal del metabolismo del glucógeno

La síntesis y degradación del glucógeno están reguladas cuidadosamente para que la disponibilidad de glucosa, especialmente en el torrente sanguíneo, permita cubrir las necesidades energéticas del organismo. El control de estos procesos se produce fundamentalmente a través de 3 hormonas, la insulina, el glucagón y la adrenalina.

Estas hormonas actúan a través de receptores celulares que regulan normalmente la actividad de una enzima adenilato ciclasa, de modo que la adrenalina y el glucagón estimulan la síntesis de AMP cíclico, mientras que a insulina inhibe su síntesis. El AMPc es un mensajero secundario que activa una serie de quinasas encargadas de fosforilar a la glucógeno fosforilasa y a la glucógeno sintasa. La glucógeno fosforilasa es la forma activa de la enzima mientras que la glucógeno sintasa es la forma inactiva, de tal forma que el glucagón y la adrenalina, al favorecer las formas fosforiladas, impiden la síntesis de glucógeno y favorecen la degradación del mismo.

La insulina por el contrario no incrementa los niveles de AMPc y, por tanto, en su presencia, no se activa la quinasa que fosforilará las enzimas del metabolismo del glucógeno. Así la insulina potencia la síntesis de glucógeno e inhibe la degradación de mismo, al contrario de lo que sucedía con la insulina y el glucagón.

Por último es interesante resaltas que el hígado tiene receptores para las tres hormonas, mientras que el tejido muscular principalmente tiene receptores de adrenalina. De esta manera la insulina y glucagón afectan fundamentalmente al hígado, mientras que la adrenalina regula la síntesis y degradación de glucógeno en el músculo. Este hecho tiene su lógica, pues la insulina y el glucagón informan de los niveles de glucosa en sangre, niveles que se encarga de controlar el hígado. La adrenalina se sintetiza como respuesta a un estímulo de alerta o un estrés emocional, de tal forma que, al favorecer la glucogenólisis en el músculo, facilita una respuesta rápida frente a un estímulo.

CONCEPTOS CLAVE

1.- En el interior de la célula se producen numerosas reacciones en las que están implicadas los hidratos de carbono, ya que éstos son una fuente de energía fundamental para el organismo.

2.- La glucólisis es la principal ruta degradativa de la glucosa y de otros muchos monosacáridos, y sirve para la obtención de ATP y NADH + H+(protón de H)

3.- El piruvato que se genera en la ruta de la glucólisis va a ser aprovechado por diversas rutas metabólicas, tanto anabólicas como catabólicas.

4.- Los hidratos de carbono se dividen en dos grandes grupos, digeribles y no digeribles, estos últimos aunque no son asimilables en gran medida son de vital importancia para el correcto tránsito intestinal.

5.- El principal hidrato de carbono de la dieta es el almidón, que puede encontrarse en forma de amilosa o amilopectina, en función de su esqueleto será hidrolizado por unas u otras enzimas.

6.- Existen varias intolerancias relacionadas con el déficit de las enzimas encargadas de hidrolizar y digerir los hidratos de carbono, las más conocidas son la intolerancia a la lactosa y las galactosemias. Importante no confundir con la intolerancia al gluten, que si bien se encuentra en gran cantidad de alimentos ricos en carbohidratos el gluten es un conjunto de proteínas.

7.- El glucógeno es la reserva más importante de moléculas de glucosa del cuerpo, está regulado hormonalmente de manera que se cubran las necesidades de glucosa tanto de la sangre y las células de los diversos órganos como del tejido muscular.

8.- Las moléculas de los hidratos de carbono, tanto de la glucosa como del glucógeno pueden degradarse para obtener energía como ser creados de nuevo por la síntesis de moléculas sillares o monómeros para cumplir con las necesidades de cada célula, esto puede suceder por glucólisis o gluconeogénesis en la glucosa y por glucogenólisis o glucogenogénesis en el caso del glucógeno.

Resumido y compilado para Fisiomorfosis.com por A. Rodríguez


Publicado: 3 años 1 mes antes por ferradas #207582
Avatar de ferradas
En mi opinión, un tema muy relevante. Al igual q mis compañeros, espero con ganas las otras entregas.

Muchas gracias y karma!

Un abrazo
Publicado: 3 años 1 mes antes por Hopper #207414
Avatar de Hopper
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