Metabolismo de Los Nutrientes

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Zaragoza Bromatología Profesor: Víctor Corvera P

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Zaragoza Bromatología Profesor: Víctor Corvera Pillado Martínez Mendoza Anel Elizabeth Grupo: 2751 METABOLISMO DE LOS NUTRIENTES  Metabolismo de los nutrientes (enzimas, hormonas, y otros factores participantes): Se conoce con el nombre de metabolismo a las transformaciones químicas que sufren los nutrientes en los tejidos, una vez superados los procesos de digestión y absorción correspondientes. Una función importante de algunos nutrientes, concretamente los macronutrientes, hidratos de carbono, grasas y proteínas, es la de suministrar la energía necesaria para permitir el funcionamiento del organismo. Sin embargo, los tejidos no pueden utilizar directamente la energía contenida en las citadas macromoléculas nutricionales. Por ello, los macronutrientes deben sufrir distintos procesos metabólicos para producir finalmente una molécula única, el adenosín trifosfato (ATP), en cuyos enlaces se almacena parte de dicha energía. Posteriormente, este compuesto es el que suministra energía para cualquier trabajo celular. El ATP es un nucleósido trifosfato. Los dos enlaces pirofosfato que contiene producen una gran cantidad de energía cuando se hidrolizan (y la necesitan igualmente para formarse), la energía sólo se libera en cantidades importantes desde el ATP cuando la hidrólisis se realiza sobre los enlaces pirofosfato (formación de ADP o AMP). La hidrólisis del enlace siguiente, que no tiene ese carácter, proporciona una energía mucho menor. Por otra parte, la hidrólisis del propio pirofosfato inorgánico también produce una gran cantidad de energía. Fosforilación oxidativa. Mediante esta vía, los macronutrientes sufren un proceso de oxidación que se puede resumir en dos fases. En primer lugar, se obtienen coenzimas reducidas, especialmente NADH y FADH2. Estas coenzimas derivan de vitaminas hidrosolubles (niacina y riboflavina, respectivamente). La reducción de estos coenzimas supone la utilización del hidrógeno de los nutrientes. Por ello, las grasas originan una mayor cantidad de coenzimas reducidos, ya que los ácidos grasos contienen en sus moléculas una mayor proporción de hidrógeno que los hidratos de carbono o las proteínas. La formación de las coenzimas reducidas se puede realizar en diversas etapas del metabolismo, pero la fuente principal es el ciclo de Krebs. Estas coenzimas reducidas se incorporan a las cadenas respiratorias mitocondriales. En estas cadenas, los electrones de las coenzimas reducidas se transfieren hasta el oxígeno. La reducción final del oxígeno molecular ingresado por la respiración produce agua y la

energía resultante se utiliza para sintetizar ATP mediante el proceso de la fosforilación oxidativa, que está acoplado a la cadena de transporte electrónico. Cadenas de transporte electrónico. Las cadenas de transporte electrónico están constituidas por diversas moléculas (flavoproteínas, coenzima Q, citocromos, etc.) que se disponen en la membrana interna mitocondrial ordenadas de acuerdo con sus potenciales de óxido-reducción (desde los más negativos hasta los más positivos). De esta forma, la energía se obtiene de forma escalonada, lo que permite su aprovechamiento biológico. La mayoría de los transportadores están incluidos en cuatro agrupaciones o complejos fijos, mientras que hay dos transportadores libres o móviles (coenzima Q y citocromo c). El complejo I (denominado NADH-coenzima Q reductasa) está constituido por flavoproteínas y ferrosulfoproteínas. Estas últimas contienen centros hierro-azufre de tal manera que el átomo de hierro puede aceptar o donar electrones, como los citocromos. Las flavoproteínas contienen FMN (flavín mononucleótido), que es un derivado de la riboflavina, capaz de transportar hidrógeno. De esta forma, funcionan como intermediarios en el transporte de hidrógeno desde el NADH hasta la coenzima Q. Este complejo constituye la entrada principal de equivalentes de reducción, ya que las moléculas de NADH proceden de una gran cantidad de reacciones de óxido-reducción. El complejo II (succinato-coenzima Q reductasa) está constituido igualmente por flavoproteínas y ferrosulfoproteínas. En este caso, las flavoproteínas contienen FAD (flavín-adenín dinucleótido) y tienen carácter enzimático. Concretamente, poseen actividad succinato deshidrogenasa, ya que se trata de la enzima que cataliza una de las etapas del ciclo de Krebs (ver más adelante). En esta reacción, el succinato pasa a fumarato y el FAD se reduce a FADH2. Este complejo constituye, por tanto, la entrada de esta coenzima reducida. Además, constituye también la puerta de entrada de otras moléculas de FADH2 procedentes de la actividad de otras enzimas catabólicas. En este caso, la transferencia hasta la coenzima Q se realiza directamente a través de las ferrosulfoproteínas. La coenzima Q (llamado también ubiquinona) es un derivado de la benzoquinona que contiene una larga cadena isoprenoide. Su constitución química le permite tener una forma oxidada con grupos ceto (quinona) y una forma reducida con grupos hidroxilo (hidroquinona). La cadena isoprenoide y su pequeña masa molecular facilitan su movilidad dentro de la membrana interna mitocondrial, permitiendo la conexión con los complejos I, II y III. El complejo III (coenzima Q-citocromo c reductasa) está constituido por citocromos (citocromos b y citocromo c1) y ferrosulfoproteínas. Los citocromos son proteínas unidas a grupos hemo. En este caso, el transporte desde la coenzima Q hasta el citocromo c ya no se realiza con átomos de hidrógeno, sino mediante cambios en el estado del ión hierro, desde el estado férrico oxidado (+3) hasta el estado ferroso reducido (+2). El citocromo c es de pequeño peso molecular y muy hidrofílico, por lo que presenta una gran movilidad en la fase citosólica de la membrana interna mitocondrial. El complejo IV (citocromo c oxidasa) está constituido también por citocromos (citocromo a y citocromo a3) y por iones de cobre. El transporte de electrones se realiza desde el citocromo c hasta el oxígeno molecular. La reducción del oxígeno molecular se traduce en la formación de agua. Para ello, se necesitan átomos completos de hidrógeno y no solamente electrones. A partir del complejo III se describe un flujo de electrones en lugar de un transporte de hidrógeno. Aunque el proceso es mucho más complicado, se puede decir que al llegar los hidrógenos al complejo III hay una disociación de los átomos de hidrógeno en electrones y

protones. Los electrones se transportan a través de los complejos III y IV y los protones vuelven a coincidir con los electrones en la reducción del oxígeno. Es interesante resaltar, por otra parte, que la reducción de una molécula de oxígeno (O2) exige la transferencia de cuatro electrones y cuatro protones para la formación de dos moléculas de agua (2H2O). El proceso no transcurre exactamente así, sin embargo, ya que se producen también ciertas cantidades de especies moleculares, como el ión superóxido (O2 .- ), formado por la llegada de un solo electrón. Esta molécula es lo que se denomina un radical libre, muy reactivo.

Formación de ATP. El transporte de electrones desde los coenzimas reducidos hasta el oxígeno genera una gran cantidad de energía. • La energía de óxido-reducción originada por el transporte electrónico se utiliza para bombear protones al exterior de la membrana interna mitocondrial. • Los protones van acumulándose en el exterior de esta membrana, creándose un gradiente protónico. • Existen unos canales en la membrana por los que los protones pueden volver a entrar al interior mitocondrial, siendo el resto de la membrana impermeable a ellos. • La energía generada por la fuerza del movimiento de protones es aprovechada por un complejo enzimático (ATP sintasa) situado en estos canales para sintetizar el ATP a partir de ADP y fosfato. En la membrana interna de las mitocondrias del tejido adiposo marrón existen unas proteínas denominadas termogeninas que permiten también la entrada de protones al interior mitocondrial, pero que no están conectadas con la ATP sintasa. Por ello, la fuerza del movimiento de protones no se utiliza en este caso para sintetizar ATP, sino que se disipa en forma de calor. Éste es el mecanismo que utiliza este tejido para cumplir su función termogénica. Aunque la cantidad de tejido adiposo marrón es muy pequeña en el ser humano adulto, es interesante resaltar que existen también proteínas semejantes en otros tejidos (tejido adiposo blanco, músculo, etc.). A todas estas proteínas se les denomina genéricamente UCP (Uncoupler Proteins: proteínas desacoplantes) y están implicadas en la regulación del balance energético. Transporte de ATP. La mayor parte del ATP sintetizado en la mitocondria se utiliza en el espacio extramitocondrial. Pero la membrana mitocondrial no permite el transporte pasivo de las moléculas como el ATP, fuertemente cargadas. Inversamente, el ADP procede

fundamentalmente del exterior mitocondrial y tiene que entrar en la mitocondria para poder pasar a ATPY tampoco el ADP puede transportarse de forma pasiva. Para que el ADP pueda entrar y el ATP pueda salir de la mitocondria, existen unas proteínas transportadoras (ATPADP translocasas) que permiten el intercambio de estos nucleótidos con el correspondiente gasto energético. Rendimiento energético. Parece bien establecido que se necesita el flujo de tres protones por la ATP sintasa para generar una molécula de ATP a partir de ADP y fosfato. El transporte adicional del ATP hacia el exterior mitocondrial y la entrada a la mitocondria del ADP exige el flujo por la ATP sintasa de otro protón. Se calcula que el transporte electrónico a partir de una molécula de NADH origina el bombeo de 10 protones. Por tanto, el resultado neto de la oxidación del NADH sería la producción de 2,5 moléculas de ATP (aunque tradicionalmente se había estimado que era de 3). La oxidación del FADH2 procedente del succinato o de las demás reacciones que se canalizan a través del complejo II origina sólo 1.5 moléculas de ATP. Fosforilación a nivel de sustrato. Un mecanismo menos importante para obtener ATP es la fosforilación a nivel de sustrato, proceso que no necesita oxígeno y que generalmente se asocia a la fermentación. En el organismo humano, la fermentación consiste en la formación de ácido láctico a partir de glucosa. En este caso, hay una óxido-reducción interna, de modo que los productos de la fermentación están globalmente al mismo nivel de reducción que el nutriente del que proceden, por lo que conservan todavía un gran potencial energético. Así, en la fermentación láctica, característica del trabajo muscular exhaustivo, el producto final, ácido láctico, tiene un carbono al mismo nivel de reducción que la mayoría de los carbonos de la glucosa inicial (-CHOH-), mientras que el carbono carboxílico está más oxidado y el carbono metílico está más reducido. La producción de energía durante este proceso se lleva a cabo mediante la formación de intermediarios con enlaces ricos en energía de hidrólisis: el 1,3 bis-fosfoglicerato y el fosfoenol-piruvato. En ambos casos, su hidrólisis está acoplada a la síntesis de ATP. Por eso se habla de fosforilación “a nivel de sustrato”. La fermentación extrae mucha menos energía de los nutrientes que la respiración. En términos cuantitativos, la glucosa produce aproximadamente quince veces más ATP por fosforilación oxidativa que por fosforilación a nivel de sustrato. La ventaja de este último proceso es que no depende del oxígeno y que es muy rápido. El producto final de la fermentación, el ácido láctico, puede ser aprovechado todavía por vía energética, aunque en otros tejidos: directamente (como ocurre en el músculo cardiaco) o tras su conversión en glucosa por el hígado.  Regulación y control de los procesos anteriores y Control de la concentración de nutrientes (enzimas, hormonas y otros factores) Entre los principales factores que controlan el flujo a través de las vías metabólicas se incluyen: a) disponibilidad de sustratos; b) regulación de la actividad enzimática (alostérica y/o por modificación covalente); y c) regulación de la concentración de moléculas enzimáticas activas. Las variaciones en estos parámetros están, a menudo, ligadas a la presencia en el torrente circulatorio de hormonas que constituyen una señal que, simultáneamente, detectan células distribuidas en órganos y tejidos diversos y que, en definitiva, dirigen la integración metabólica del organismo completo.

Cada tejido y órgano del cuerpo humano desempeña una función específica, para la cual ha desarrollado una anatomía y las actividades metabólicas acordes con dicha función. De entre ellos, el hígado, por su destacada función en la homeostasis del organismo, puede llevar a cabo la más extensa red de reacciones metabólicas. El cerebro. Tiene como función principal la transmisión de los impulsos nerviosos mediante un mecanismo que necesita el continuo aporte de ATP, que obtiene a partir de la glucosa (en condiciones normales) o de los cuerpos cetónicos (en situaciones como la inanición), siempre que el suministro de oxígeno sea el adecuado. El tejido adiposo. Está constituido por células (adipocitos) especializadas en la reesterificación de los ácidos grasos (que almacenan como triacilgliceroles en el citosol) y en la movilización de estos lípidos para satisfacer la demanda energética de las células de otros órganos y tejidos. Por tanto, los adipocitos son células metabólicamente muy activas que conservan los ácidos grasos y los liberan como fuente energética respondiendo con rapidez a distintos estímulos hormonales en coordinación metabólica con el hígado, el músculo esquelético y el corazón. El tejido muscular esquelético. Actúa transformando la energía química (en forma de ATP) en energía mecánica que permite a sus células realizar trabajo y desarrollar movimiento. Su característica metabólica más importante es la de estar muy especializado en la generación de ATP como fuente inmediata de energía a partir de creatina fosfato, glucosa, glucógeno, ácidos grasos y cuerpos cetónicos, según su tipo y grado de actividad. El hígado. Es la central metabólica del organismo. Regula los niveles de metabolitos en el plasma, para asegurar el adecuado suministro de los mismos al cerebro, músculo y otros órganos periféricos. La organización estructural del parénquima hepático y los elementos vasculares de este órgano son los más idóneos para llevar a cabo esta función. Todos los nutrientes absorbidos en el intestino (a excepción de los ácidos grasos) se liberan en la vena porta que drena directamente en el hígado, órgano que actúa así, como un vigilante interpuesto entre el tubo digestivo y el resto del organismo para controlar y distribuir tales nutrientes. Es especialmente importante la función del hígado como regulador de la glucemia. Aunque sensible a distintas hormonas, la concentración de glucosa en el plasma es, en sí, el verdadero sensor que alerta al hígado del estado metabólico del organismo. Dos proteínas hepáticas intervienen en este proceso: la proteína transportadora de glucosa GluT2 y la glucocinasa, proteína enzimática que cataliza la fosforilación de la glucosa en el hepatocito. El suministro de glucosa hepática al torrente sanguíneo e, indirectamente, a los tejidos extrahepáticos está asegurado por la actividad glucosa-6-fosfato fosfatasa, ligada al retículo endoplasmático de los hepatocitos. Además, el hígado contiene una importante reserva de glucosa en forma de glucógeno y lleva a cabo la ruta de la gluconeogénesis al biosintetizar glucosa a partir de precursores no glucídicos (piruvato, lactato, glicerol y ciertos aminoácidos).

Ciclo «alimentación-ayuno. La complejidad de los mecanismos que regulan el metabolismo energético en los mamíferos permite a los mismos responder con eficacia a

los cambios en sus demandas energéticas, integrando el metabolismo especializado de los distintos órganos y tejidos en el conjunto del organismo. Ya se ha citado la función de los alimentos como fuente de energía, pero como la ingesta en el ser humano no es continua, la utilización de los mismos y la movilización de las reservas endógenas se desplazan cla-ramente durante las pocas horas que trascurren entre las comidas cerrando un ciclo denominado de alimentación-ayuno, en el que se diferencian tres etapas: estado postabsortivo después de una comida, ayuno nocturno y estado de realimentación (primera ingesta). En todas ellas, el metabolismo energético del organismo está integrado y regulado con el fin principal de mantener la glucemia relativamente constante. La estrategia metabólica consiste en almacenar calorías cuando los nutrientes están disponibles y movilizar las reservas cuando no los hay. El hígado actúa como un interruptor que desvía el metabolismo hacia uno u otro perfil, utilizando para ello los distintos mecanismos reguladores que ya se han mencionado. En el hígado de un organismo bien nutrido se favorece la degradación oxidativa de la glucosa (glucólisis), la síntesis del glucógeno (glu-cogenosíntesis) y la de los triacilgliceroles (lipogénesis). Sin embargo, el perfil metabólico de este órgano en un estado de ayuno es bastante diferente: se activa la degradación del glucógeno (glucogenólisis), la síntesis de la glucosa a partir de los precursores endógenos (gluconeogénesis), la síntesis de los cuerpos cetónicos (cetogénesis) y la degradación de las proteínas (proteólisis). Bibliografía: https://www.biol.unlp.edu.ar/qcabiolfarmacia/LN-fymnutrientes.pdf http://www.encuentros.uma.es/encuentros103/integracion.htm