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Panorámica global del metabolismo de hidratos de carbono

Tema 6. Panorámica global del metabolismo de hidratos de carbono. Introducción. Los carbohidratos son aldehídos o cetonas con múltiples grupos hidroxilo. Constituyen la mayor parte de la materia orgánica de la Tierra a causa de sus variadas funciones en todos los seres vivos. 1. Los carbohidratos sirven como almacen de energía, combustibles e intermediarios metabólicos. El almidón de las plantas y el glucógeno de los animales son dos polisacáridos que rápidamente pueden movilizarse para liberar glucosa, el combustible primordial para generar energía. El ATP, es un derivado de azúcar fosforilado, como lo son muchos coenzimas. 2. Los azúcares ribosa y desoxirribosa forman parte de la trama estructural del RNA y el DNA. La flexibilidad conformacional de los anillos de estos azúcares es importante en el almacenamiento y expresión de la información genética. 3. Los polisacáridos son los elementos estructurales de las paredes celulares bacterianas y plantas y del exoesqueleto de los artrópodos. De hecho, la celulosa, el principal componente de las paredes celulares de las plantas, es el compuesto orgánico más abundante de la biosfera. 4. Los carbohidratos están unidos a muchas proteínas y lípidos. 5. Estudios recientes sugieren que las unidades de carbohidrato de la superficie de las células son particularmente cruciales en el proceso de reconocimiento intercelular. Las rutas principales del metabolismo glucídico empiezan o terminan en la glucosa.

GLUCÓGENO GLUCÓGENO Glucogenogénesis

Glucogenolisis

GLUCOSA Glucólisis

Gluconeogénesis

LACTATO LACTATO La glucosa está siempre presente en la sangre. No está estática; las moléculas de glucosa están continuamente siendo quitadas de la sangre y reemplazadas, así que la concentración permanece relativamente constante, cerca de 5 mM en humanos. La glucosa entra en la sangre por tres sistemas mayoritarios: 1. Por absorción del intestino (dieta) 2. Por degradación del glucógeno en el hígado y músculo 3. Por la gluconeogénesis en el hígado.

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La glucosa es el único combustible utilizado en proporción apreciable por muy pocas células especializadas siendo el principal combustible utilizado por el cerebro. El metabolismo de la glucosa es defectuoso en dos enfermedades metabólicas muy importantes en práctica clínica, la obesidad y la diabetes. La glucosa se metaboliza a piruvato y lactato en todas las células de mamífero por la ruta de la glucólisis. Es necesario la fosforilación de la glucosa para entrar en esta ruta. La glucólisis se puede llevar a cabo en ausencia de oxígeno (anaerobia), siendo el producto final lactato. Los tejidos que pueden utilizar oxígeno (aeróbico) son capaces de metabolizar el piruvato hasta acetil-CoA, el cual puede entrar en el ciclo del ácido cítrico (de Krebs) para oxidarse completamente a CO2 y H2O, con liberación de mucha energía en forma de ATP en el proceso de fosforilación oxidativa. De esta manera, la glucosa es el principal combustible de muchos tejidos. Sin embargo, la glucosa participa en muchos otros procesos: en la formación de glucógeno (en el músculo esquelético y en el hígado); en la ruta de las pentosas fosfato (fuente de ribosa para la biosíntesis de nucleótidos y de ácidos nucleicos y de equivalentes reductores para la biosíntesis de ácidos grasos y esteroides) ; en la síntesis de glicerol para la formación de acilgliceroles (grasas); el piruvato y los intermediarios del ciclo de Krebs suministran esqueletos carbonados para la biosíntesis de aminoácidos, y el acetil-CoA es el bloque de construcción para los ácidos grasos de cadena larga y de colesterol, el precursor de todos los esteroides sintetizados por el cuerpo. 1. La glucólisis es una ruta que puede ser utilizada por todas las células del cuerpo para extraer la energía química inherente en la molécula de glucosa en condiciones de anaerobiosis. Esta vía prepara la glucosa para su combustión aeróbica en el ciclo del ácido cítrico, convierte la glucosa en piruvato y de este modo queda preparada la situación para la oxidación completa de la glucosa a CO2 y H2O. 2.

La gluconeogénesis, la síntesis de novo de la glucosa es una función del hígado y de los riñones. Puede parecer simplemente el inverso de la ruta glucolítica, a diferencia con ella (que produce ATP), la gluconeogénesis requiere ATP y es un proceso que requiere energía. La consecuencia es que sólo algunos de los pasos catalizados por enzimas pueden ser comunes a la ruta glucolítica y gluconeogénica.

3.

La glucogenogénesis, la formación de glucógeno desde la glucosa, es un proceso que llevan a cabo muchas células con el fín de tener glucosa al alcance para su propio uso posterior. El hígado almacena glucógeno no para su propio uso sino para el mantenimiento de los niveles de glucosa sanguínea, especialmente el cerebro, tengan un suministro adecuado de este importante sustrato.

4.

La glucogenolísis es la obtención de glucosa a partir del glucógeno almacenado en el hígado y músculo.

La familia de los GUT. Regulación de los transportadores de glucosa. Es conocido que la glucosa entra en la célula por difusión facilitada mas que por difusión simple a través de la membrana. En los recientes años los genes para las moléculas de transporte específico de glucosa han sido clonadas y secuenciadas; las proteínas transportadoras han sido expresadas en líneas celulares y sus características estudiadas. Con una excepción (el cotransportador intestinal Na+-glucosa) estos transportadores pertenecen a una familia de proteínas relacionadas y son todos

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transportadores pasivos, permitiendo el movimiento de glucosa a través de la membrana celular sólo bajo un gradiente de concentración. La expresión de estos transportadores es tejido específica, y sus propiedades son una parte integral de la regulación del metabolismo de glucosa en el tejido particular.

Nombre

GLUT1 GLUT2

Tejido

Km

Eritrocitos, tejido fetal, placenta, cerebro Hígado, riñón, intestino células  pancreáticas

GLUT3

Cerebro

GLUT4

Músculo, adiposo

GLUT5

Yeyuno

SGLT1

Duodeno, yeyuno, tubulos renales

5-7 mM Alta (7-20 mM) Baja (1.6 mM)

tejido

Importancia

5 mM 5 mM para la fructosa

Alta Km permite equilibrar la glucosa a través de la membrana Baja Km permite una captación de glucosa relativamente constante con independencia de la concentración extracelular Es un transportador de glucosa sensible a insulina Provablemente responsable de la captación de fructosa desde el intestino Co-transportador de Na+-glucosa del intestino delgado (no froma parte de la familia de los GLUT)

Visión global de lo que le sucede a la glucosa en diversas células. 1. Eritrocitos: Después de penetrar la membrana plasmática mediante transporte facilitado, la glucosa se metaboliza principalmente por la glucólisis en los hematíes. Dado que los hematíes no tienen mitocondrias, el producto final de la glucólisis es el lactato el cual se libera desde la células al plasma sanguíneo. La glucosa utilizada por la vía de las pentosa fosfato en los eritrocitos proporciona NADPH, necesario en estas células principalmente para mantener el glutatión en estado reducido. El glutatión reducido desempeña un importante papel en la destrucción de los peróxidos orgánicos y del peróxido de hidrógeno, mediante la reacción catalizada por la glutatión peroxidasa. El NADPH es absolutamente imprescindible para que el glutatión oxidado (GSSG) vuelva a reducirse (GSH) por acción de la glutatión reductasa. Los peróxidos provocan daños oxidativos irreversibles a las membranas, DNA y otros muchos componentes celulares y, en consecuencia, deben ser destruidos. NADP+

2 GSH

Glutatión reductasa NADPH + H+

H2O2 Glutatión peroxidasa

GSSG

H2O 60

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2. El cerebro: capta la glucosa por trasporte facilitado en una ruta que es independiente de la insulina. La glucólisis en el cerebro da lugar a piruvato, el cual es seguidamente oxidado de forma completa a CO 2 y H2O. La vía de las pentosa fosfato es también muy activa en éstas células generando parte del

NADPH necesario para la síntesis reductora y el mantenimiento del glutatión en estado reducido. 3. Las células musculares y cardiacas: utilizan rápidamente la glucosa siendo el transporte de glucosa al interior de ambos tipos de células dependiente de la presencia de insulina en la sangre. Una vez captada por estas células, la glucosa puede ser utilizada por la glucólisis para dar piruvato y lactato. Aquí también el piruvato puede ser utilizado por el complejo de la piruvato deshidrogenasa y el ciclo TCA dentro de la mitocondria proporcionando considerable energía en forma de ATP. Estas células, a diferencia de las anteriores, pueden sintetizar cantidades considerables de glucógeno. En estas células los procesos de síntesis y degradación de glucógeno son extremedamente importantes

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4. Tejido adiposo: Acumula glucosa mediante un mecanismo dependiente de insulina. El piruvato se genera por la glucólisis pudiendo ser oxidado por el complejo de la piruvato deshidrogenasa para dar acetil CoA dentro de los adipocitos. Sin embargo, en vez de ser oxidado completamente a CO 2 y H2O para la producción de ATP, el acetato del acetil CoA se usa primordialmente para la síntesis de novo de ácidos grasos en este tejido. La generación de NADPH por la vía de las pentosas fosfato es un proceso importante en el tejido adiposo ya que se necesitan cantidades considerables de NADPH para los pasos reductores en la síntesis de ácidos grasos. También tiene la capacidad de glucogenogénesis y glucogenolísis pero estos procesos están más limitados en este tejido que en el músculo y corazón.

5. El hígado: La captación de glucosa por el hígado tiene lugar independientemente de la insulina mediante un sistema de transporte de alta capacidad. La glucosa es utilizada en buena proporción por la vía de las pentosas fosfato para la producción de NADPH, el cual es necesario para la síntesis reductora, el mantenimiento del glutatión en estado reducido y numerosas reacciones catalizadas por los sistemas enzimáticos mitocondriales.

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Una función cuantitativamente menos importante pero no menos vital de la vía de las pentosas fosfato es la provisión de ribosa fosfato, requerida para la síntesis de nucleótidos tales como ATP y los que se encuentran en el DNA y RNA. La glucosa también se utiliza para la síntesis de glucógeno, haciendo que el almacenamiento de glucógeno sea una característica importante del hígado. La glucosa también se puede utilizar en la ruta del ácido glucurónico, importante en la destoxificación de fármacos y bilirrubina. El hígado tiene además una capacidad importante para la glucólisis, utilizandose el piruvato como fuente de acetil CoA para oxidación completa por el TCA y para la síntesis de grasa por el proceso de la síntesis de novo de ácidos grasos. A diferencia de otros tejidos, el hígado es único en el sentido de que tiene la capacidad de convertir precursores tricarbonados, tales como lactato, piruvato y alanina, en glucosa por el proceso de la gluconeogénesis. La glucosa producida puede entonces utilizarse para satisfacer las necesidades de glucosa de las otras células del cuerpo.

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