Metabolismo Energético: Glucosa, Ácidos Grasos y Proteínas

Metabolismo de la Glucosa

La glucosa es la molécula a través de la cual generamos y obtenemos energía vital, así que si para bajar de peso estás disminuyendo el consumo de carbohidratos, ten mucho cuidado. Su fórmula química es C₆H₁₂O₆.

En presencia de oxígeno, el piruvato puede ingresar al ciclo de Krebs, donde se introduce energía adicional al piruvato NAD, siendo el dióxido de carbono un “producto de desecho”. El NADH (nicotinamida adenina dinucleótido) pasa electrones a la cadena de transporte de electrones, que utiliza la energía transferida para producir ATP.

Cuando el oxígeno es limitado o ausente, el piruvato entra en una vía anaeróbica. Entonces, el piruvato se puede convertir en ácido láctico. Además de generar un ATP adicional, esta vía sirve para mantener baja la concentración de piruvato para que la glucólisis continúe, y oxida el NADH (nicotinamida adenina dinucleótido) en el NAD que necesita la glucólisis.

Ciclo de Krebs

Una vez formado, el piruvato va hacia el interior de la mitocondria, donde será transformado por acción del complejo enzimático piruvato deshidrogenasa (3 unidades) en Acetil CoA. Hay una reacción de tipo descarboxilación oxidativa:

Piruvato + CoA + NAD⁺ → acetil-CoA + CO₂ + NADH

La descarboxilación oxidativa del piruvato dirige a los átomos de carbono de la glucosa a su liberación como CO₂ en el ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico) y, por consiguiente, a la producción de energía.

El ciclo de Krebs es la vía común para la oxidación aeróbica de los sustratos energéticos, condición que convierte a este proceso enzimático en la vía degradativa más importante para la generación de ATP.

Fosforilación Oxidativa

Los 3 NADH y el FADH₂ liberados en el ciclo de Krebs son reoxidados, estableciendo así un flujo de electrones, los cuales son dirigidos hacia el O₂ como aceptor final. Los productos de este proceso son una molécula de agua y una gran cantidad de energía liberada, energía que es utilizada para sintetizar ATP. Al acoplamiento entre la oxidación de los equivalentes reductores (NADH, FADH₂) y la síntesis de ATP (ATP sintetasa) se le conoce como fosforilación oxidativa.

Oxidación de la Glucosa (Catabolismo)

Involucra un conjunto de reacciones enzimáticas, ligadas una de la otra y vigiladas por un estricto control metabólico, todo con el único fin de hacer disponible para la célula la energía química contenida en la glucosa.

La reacción global es: Glucosa → CO₂ + H₂O + ATP

Glucogénesis

La glucogénesis es la ruta anabólica por la que tiene lugar la síntesis de glucógeno (también llamado glicógeno) a partir de un precursor más simple, la glucosa-6-fosfato. Se lleva a cabo principalmente en el hígado, y en menor medida en el músculo.

• El glucógeno es un polímero ramificado y la forma de almacenamiento de carbohidratos en el cuerpo humano.
• Los principales sitios de almacenamiento son el hígado y los músculos esqueléticos.
• El glucógeno es la principal fuente de energía durante el ayuno o entre comidas.
• El glucógeno proporciona energía hasta por 18 horas.

La glucogénesis (glucógeno sintasa) y la glucogenólisis (glucógeno fosforilasa).

Trastornos del Almacenamiento de Glucógeno

La acumulación anormal de glucógeno ocurre con deficiencias enzimáticas que causan diferentes tipos de trastornos del almacenamiento de glucógeno.

• GSD V (enfermedad de McArdle): Muscular.
• GSD VI (enfermedad de Hers): Hígado.
• DSG VII (enfermedad de Tarui): Los síntomas de esta enfermedad son: causa intolerancia al ejercicio, con dolor y calambres.
• GSD VIII/IX: Hígado y riñones.

En el hígado, los procesos de síntesis y degradación de glucógeno tienen la función de mantener los niveles de glucosa sanguíneos tal y como se requieren para satisfacer las necesidades globales del organismo. Almacena el 60%.

La glucogénesis es la ruta anabólica a partir de un precursor más simple, la glucosa-6-fosfato. Se lleva a cabo principalmente en el hígado, y en menor medida en el músculo. Es activada por la insulina en respuesta a los altos niveles de glucosa, que pueden ser (por ejemplo) posteriores a la ingesta de alimentos con carbohidratos.

UDP GLUCOSA = Uridine diphosphate glucose. Un intermediario clave del metabolismo de carbohidratos. Sirve como precursor del glucógeno.

Glucogenólisis

Cuando el organismo requiere un aumento de glucosa, el glucógeno comienza a degradarse a través de un proceso catabólico. De este modo, la glucosa se libera a la sangre y mantiene su nivel (glicemia). Está estimulada por el glucagón en el hígado y la epinefrina (adrenalina) en el músculo.

Principales Vías Enzimáticas del Metabolismo de los Carbohidratos

• Oxidación de la glucosa.
• Formación de lactato.
• Metabolismo del glucógeno.
• Vías de pentosas fosfato.

Lactato

El lactato es un compuesto orgánico que ocurre naturalmente en el cuerpo de cada persona. Es un compuesto que el cuerpo necesita para funcionar adecuadamente y se encuentra en los músculos, la sangre y varios órganos.

En la fermentación láctica se forma el ácido láctico (o lactato) a partir del ácido pirúvico. Esta reacción se produce en varios tipos de microorganismos cuando el O₂ es escaso o está ausente; por ejemplo, cuando corremos rápido, aumentamos la frecuencia respiratoria, y de este modo se incrementa el suministro de O₂. Pero incluso este incremento puede no ser suficiente para satisfacer los requerimientos inmediatos de las células musculares.

Sin embargo, las células pueden continuar trabajando y acumular lo que se conoce como deuda de O₂. El ácido láctico se difunde en la sangre y es llevado al hígado. Posteriormente, cuando el O₂ es más abundante y se reduce la demanda de ATP, el ácido láctico se sintetiza en ácido pirúvico y de nuevo en glucosa o glucógeno.

Glucógeno

El glucógeno es un polisacárido donde se almacenan glucosas, es una estructura de un elevado peso molecular, altamente ramificado. Los residuos de glucosa están unidos mediante enlaces glucosídicos alfa (1-4) y alfa (1-6). Los principales depósitos de glucógeno en los vertebrados se encuentran en el músculo esquelético y en el hígado.

Asimismo, el glucógeno se presenta en el citosol en forma de gránulos de tamaño variable. En estos gránulos se encuentran las enzimas de síntesis y degradación del mismo glucógeno.

• Glucogénesis.
• Glucogenólisis.

Pentosas Fosfato

Esta vía permite a las células convertir la glucosa-6-fosfato en ribosa-5-fosfato (el azúcar que se utiliza para sintetizar los nucleótidos y los ácidos nucleicos).

En esta vía también se produce NADH (fosfato dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido).

La ruta de las pentosas fosfato es otra vía metabólica de oxidación de la glucosa en la que no se genera ATP.

Hormonas como la adrenalina y el glucagón favorecen la degradación del glucógeno. La hormona insulina estimula su síntesis.

Principalmente relacionado con problemas hepáticos: hipoglucemia, hepatomegalia. Otros: acidosis láctica, retraso en el crecimiento, convulsiones, insuficiencia renal.

Gluconeogénesis

La gluconeogénesis es el proceso de síntesis de glucosa o de glucógeno a partir de precursores que no son carbohidratos.

• Cerebro: depende de la glucosa como combustible primario.
• Eritrocito: utiliza glucosa como único combustible.

Consumo de glucosa / Reservas de glucosa

• Cerebro: 120 g/día / Líquidos corporales: 20 g
• Organismo: 160 g/día / Glucógeno: 160 g

Lactato

Es producido fundamentalmente por la reducción del piruvato mediante la enzima lactato deshidrogenasa, obtenida por la glucólisis del músculo esquelético, el cual entra en el hígado y se reoxida en el piruvato.

Aminoácidos

Generados por proteínas ingeridas o proteínas musculares que pueden convertirse a glucosa a través de rutas de degradación que generan intermediarios del ciclo de Krebs y convertirse en oxalacetato.

Glicerol

Hidrólisis de triacilglicéridos en células adiposas. Procede del catabolismo de las grasas.

Biosíntesis de Ácidos Grasos

La biosíntesis de ácidos grasos ocurre en el citosol, a partir de Acetil-Coenzima A (Acetil-CoA). La síntesis de ácidos grasos consiste en enlazar dos átomos de carbono entre sí y reducirlos para formar un ácido graso.

Son los principales constituyentes de los triglicéridos (aceites y grasas, que actúan como reserva energética) y de los fosfolípidos (que forman el armazón de las membranas celulares).

Lipogénesis

Es la síntesis para la generación de grasa en el organismo. En este término se incluyen los procesos de síntesis de ácidos grasos y los subsiguientes triglicéridos en el hígado y el tejido adiposo.

La lipogénesis ocurre principalmente en el hígado y en el tejido adiposo y es estimulada por una dieta alta en carbohidratos y por la acción de la insulina.

La insulina es una hormona liberada por el páncreas como respuesta a la presencia de glucosa en la sangre. La insulina permite que la glucosa penetre en las células para ser utilizada como fuente de energía. Si la insulina no hace bien esta función, la glucosa se acumula en sangre produciendo hiperglucemia.

• Impide la liberación de ácidos grasos hacia la sangre: inhibe una enzima (lipasa lipoproteasa) que transforma los triglicéridos ya existentes en el tejido adiposo en ácidos grasos.

Este proceso es inhibido por la presencia de ácidos grasos poliinsaturados y por el ayuno.

• La grasa poliinsaturada es un tipo de grasa dietaria. Es una de las grasas saludables, junto con la grasa monoinsaturada. La grasa poliinsaturada se encuentra en alimentos vegetales y animales, tales como el salmón, los aceites vegetales y algunas nueces y semillas.

¿Cuál es la importancia de la lipogénesis?

Este tejido juega un papel crítico en el balance energético, aunque su importancia depende de la especie, la edad y el tamaño del organismo. La lipogénesis es la serie de reacciones bioquímicas mediante las cuales el acetil CoA, producto intermediario del metabolismo de la glucosa, se convierte en ácidos grasos.

Oxidación de Ácidos Grasos: Cetogénesis

Aun cuando los ácidos grasos son degradados por oxidación hacia acetil-CoA y se sintetizan a partir de esta última, la oxidación de ácidos grasos no es la inversa simple de su biosíntesis, sino que es un proceso por completo diferente que tiene lugar en un compartimiento separado de la célula. La separación entre la oxidación de los ácidos grasos en las mitocondrias y la biosíntesis en el citosol permite que cada proceso se controle de modo individual y se integre con los requerimientos del tejido. Cada paso en la oxidación de ácidos grasos incluye derivados acetil-CoA, y es catalizado por enzimas separadas, utiliza NAD⁺ y FAD como coenzimas, y genera ATP.

La transferencia de energía a la molécula dinucleótido de flavina adenina (FAD) para convertirla en FADH₂, es un mecanismo importante en la respiración celular. Consiste en un proceso de reducción que almacena energía en altos estados electrónicos en el FADH₂. Es un proceso aerobio; requiere la presencia de oxígeno.

• PASO 1: Los ácidos grasos son activados.
• PASO 2: Los ácidos grasos son transportados a la matriz mitocondrial.
• PASO 3: Beta-oxidación.

Cetogénesis

La cetogénesis es un proceso metabólico por el cual se producen los cuerpos cetónicos como resultado del catabolismo de los ácidos grasos.

• Los cuerpos cetónicos se producen principalmente en las mitocondrias de las células del hígado.
• Su síntesis ocurre en respuesta a bajos niveles de glucosa y después del agotamiento de las reservas celulares de glucógeno.
• La producción de cuerpos cetónicos comienza para disponer de la energía guardada como ácidos grasos.
• Los ácidos grasos son enzimáticamente descompuestos en la β-oxidación para formar acetil-CoA.
• Bajo condiciones normales, la oxidación del acetil-CoA se produce en el ciclo de Krebs y su energía se transfiere como electrones a NADH, FADH₂ y GTP.
• Sin embargo, si la cantidad de acetil-CoA generada en el proceso de oxidación de los ácidos grasos es superior a la capacidad de procesamiento del ciclo de Krebs, o si la actividad en este proceso es baja dada la poca cantidad de elementos intermedios como el oxaloacetato, el acetil-CoA se usa para la biosíntesis de los cuerpos cetónicos acetona, acetoacetato, β-hidroxibutirato.
• La síntesis de cuerpos cetónicos es intermediario en la síntesis del colesterol.
• Los cuerpos cetónicos, el β-hidroxibutirato (βHB), el acetoacetato y la acetona se producen durante el ayuno mediante el proceso de cetogénesis hepática, a partir de la β-oxidación de los ácidos grasos y tienen una importante función en el metabolismo energético.

¿Qué es la dieta cetogénica?

La dieta cetogénica consiste en generar una situación de cetosis (formación de cuerpos cetónicos) similar a la del ayuno prolongado, mediante la restricción de alimentos ricos en azúcares y el incremento de alimentos ricos en grasas, con un adecuado aporte proteico. Como consecuencia de dicha dieta, la situación de cetosis es crónica, a diferencia de la causada por el ayuno, que tiene carácter temporal.

• Por ello, la dieta cetogénica es muy útil en numerosas enfermedades causadas o exacerbadas por un déficit de energía o una regulación metabólica anormal de la misma.
• La producción endógena de cuerpos cetónicos (cetogénesis) es un proceso dinámico en el que intervienen múltiples factores y puntos de regulación, por lo que no es posible establecer con precisión las concentraciones de βHB que se generarán en sangre con las intervenciones (ayuno, dieta cetogénica) que dependen de la cetogénesis endógena.

La Dieta Cetogénica es una dieta especial.

• La palabra “Cetogénica” significa que una sustancia química, llamada cetonas, se produce en el cuerpo (Ceto=cetonas, génesis=producción).
• Alta en grasa.
• Moderada en proteína, cuidadosamente controlada.
• Baja o nula en carbohidratos.

Beta-oxidación

Se denomina beta-oxidación (o también β-oxidación) al proceso catabólico necesario para que los ácidos grasos puedan ser metabolizados completamente en la mitocondria (con el objetivo de producir energía en forma de ATP).

• Los ácidos grasos están formados por una gran cadena hidrocarbonada que pueden tener entre 4 y 33 carbonos.
• Sin embargo, para que puedan ser oxidados en el ciclo de Krebs, necesitan convertirse en moléculas de menor tamaño molecular (esto es, acetil CoA).
• Por tanto, la beta-oxidación es un proceso que se encarga de “desestructurar” progresivamente las largas cadenas de carbonos de los ácidos grasos y convertirlas en moléculas más pequeñas.
• Oxidación por FAD.
• Hidratación.
• Oxidación por NAD⁺.
• Tiólisis.
• Estas reacciones se repiten hasta que el ácido graso es descompuesto totalmente en Acetil-CoA y posteriormente se cataboliza en el ciclo de Krebs, al igual que sucede con otros sustratos energéticos.
• De una manera más específica, la beta-oxidación produce la eliminación sucesiva de dos átomos de carbono en cada ciclo del proceso, hasta que el ácido graso se descompone por completo en moléculas de Acetil-CoA.
• Además, durante la beta-oxidación también se producen coenzimas reducidas (NADH y FADH₂) que pueden ingresar en la cadena respiratoria, por lo que es un proceso metabólico que también produce una cierta cantidad de energía.

¿Dónde se produce la Beta-oxidación?

• Antes de que se produzca la beta-oxidación, los ácidos grasos deben activarse con coenzima A y atravesar la membrana mitocondrial interna, que es impermeable a ellos.
• En este paso debe usarse como transportador la carnitina.

¿Cuál es el papel de la carnitina en el transporte de ácidos grasos al interior de la mitocondria?

1. La carnitina entra en la célula a través de la membrana plasmática mediante un transportador de carnitina (CT).
2. La enzima carnitina palmitoil transferasa I (CPT-I) transforma los ácidos grasos de cadena larga activados (LC-AcilCoA) en acilcarnitinas (LC-Acilcarnitina).
3. Éstas son transportadas a través de la membrana mitocondrial interna mediante la carnitina acilcarnitina traslocasa (CACT).
4. La carnitina palmitoil transferasa II (CPT-II) situada en la membrana mitocondrial interna, transforma las acilcarnitinas en acil-CoA y libera la carnitina, que sale de la mitocondria mediante la translocasa.
5. Los ácidos grasos de cadena media y corta no precisan del sistema de transporte de la carnitina, pasando directamente a la mitocondria.

• La deficiencia de carnitina se presenta cuando no llega una cantidad suficiente del nutriente carnitina a las células del cuerpo.
• Esto puede producir debilidad muscular y problema del hígado o el corazón.
• Obtenemos carnitina por medio de algunos de los alimentos que comemos.
• Este nutriente tiene un papel importante para que los ácidos grasos entren en las células y sean utilizados para generar energía.
• La carnitina es especialmente vital para ciertas células, como las musculares.
• Cuando existe una deficiencia de carnitina, las células que necesitan los ácidos grasos para obtener energía pueden empezar a funcionar mal.
• La deficiencia de carnitina puede darse en hombres, mujeres y niños de todas las edades y todos los grupos étnicos.

Deficiencia primaria de carnitina

Es una afección poco frecuente debida a un gen anormal. Este gen causa un problema con una sustancia que lleva la carnitina desde la sangre hasta el interior de las células. En algunos casos, esta afección solo provoca una reducción de los niveles de carnitina en los músculos. Esto se conoce como deficiencia primaria de carnitina.

• Si además están afectados el hígado y el corazón, puede llamarse deficiencia sistémica de carnitina. También se la conoce como defecto de captación de carnitina.

Deficiencia secundaria de carnitina

Se trata de una afección más común. En este caso, el problema no está en el ingreso de la carnitina a las células. En cambio, se presenta cuando no hay suficiente cantidad de carnitina en la sangre.

¿Qué son los eicosanoides?

• Son productos de oxigenación (oxidación) de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga de 20 carbonos (eicosa en griego significa “veinte”).
• Los eicosanoides: prostaglandinas, tromboxanos, leucotrienos.
• Los eicosanoides o icosanoides son un grupo de moléculas de carácter lipídico originadas de la oxidación de los ácidos grasos esenciales de 20 carbonos tipo omega-3 y omega-6.
• Funciones: como mediadores para el sistema nervioso central, los eventos de la inflamación y de la respuesta inmune tanto en vertebrados como en invertebrados.
• Están agrupados en prostaglandinas, tromboxanos, leucotrienos, y ciertos hidroxiácidos precursores de los leucotrienos.

Vía de las Ciclooxigenasas

• Se producen prostaglandinas.
• Se obtienen por ciclación y oxidación.
• Función: regulación de la presión sanguínea y la coagulación, respuesta inflamatoria, actividad del aparato digestivo, etc.

Vía de las lipooxigenasas

• Se producen leucotrienos y tromboxanos.
• Se obtienen por oxidación y deshidratación manteniendo la cadena abierta.
• Función: actúan como potentes constrictores de la musculatura lisa, aumenta la permeabilidad muscular (mediadores de algunos procesos de inflamación crónica) etc.
• Los tromboxanos son mediadores importantes de las acciones de ácidos grasos poliinsaturados transformados por la lipooxigenasa. Compuestos fisiológicamente activos que se encuentran en muchos órganos y tejidos.
• Los leucotrienos median las respuestas alérgicas, mientras que las lipoxinas tienen actividades antiinflamatorias. Las principales acciones de las prostaglandinas incluyen la vasodilatación, contracción del músculo liso e inflamación.

Metabolismo de las Proteínas

Los términos metabolismo de las proteínas o metabolismo proteico hacen referencia a los diversos procesos bioquímicos responsables de la síntesis de proteínas y de aminoácidos, por medio del anabolismo proteico, y la degradación de proteínas.

Al igual que algunos tipos de hormonas, las proteínas mensajeras transmiten señales para coordinar procesos biológicos entre diferentes células, tejidos y órganos.

Estas proteínas brindan estructura y soporte a las células. A mayor escala, también permiten que el cuerpo se mueva.

Aminoácidos No Esenciales

No esencial significa que nuestros cuerpos pueden producir el aminoácido, aun cuando no lo obtengamos de los alimentos que consumimos.

Dentro de este grupo, los tres primeros, glutamato, glutamina y prolina, tienen una vía anabólica compartida.

Comienza con glutamato deshidrogenasa, que agrega amoníaco al α-cetoglutarato en presencia de NADPH para formar glutamato.

Esta es una reacción clave para toda la síntesis de aminoácidos: el glutamato es un donante de nitrógeno (grupo amino) para la producción de todos los demás aminoácidos.

Aminoácidos Esenciales

Los aminoácidos esenciales no los puede producir el cuerpo. En consecuencia, deben provenir de los alimentos.

Los 9 aminoácidos esenciales son: histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina.

Los aminoácidos esenciales. Esto implica que la única fuente de estos aminoácidos en esos organismos es la ingesta directa a través de la dieta.

Cuando un alimento contiene proteínas con todos los aminoácidos esenciales, se dice que son de alta o de buena calidad. Las proteínas de legumbres con proteínas de cereales para conseguir todos los aminoácidos esenciales en nuestra nutrición diaria, sin que la calidad real de esta nutrición disminuya.

Algunos de los alimentos con todos los aminoácidos esenciales son: la carne, los huevos, los lácteos, la soja y sus derivados, la quinua.

Combinaciones de alimentos que suman los aminoácidos esenciales son: garbanzos y avena, trigo, maíz, lentejas, arroz y maníes.

Ubiquitina

La ubiquitina es una pequeña proteína altamente conservada y ampliamente distribuida en todos los organismos eucariotas. Su función principal es la de regular la degradación de proteínas en las células mediante un proceso conocido como ubiquitinación o ubiquitinización.

Ciclo de la Urea

El ciclo de urea es un proceso por el cual los desechos (amoníaco) se eliminan del cuerpo.

Cuando consumimos proteínas, el cuerpo las descompone en aminoácidos.

El amoníaco se produce a partir de los aminoácidos sobrantes y se tiene que eliminar del cuerpo.

El ciclo de la urea describe cómo las células hepáticas convierten el amoníaco en urea.

El amoníaco es un producto de desecho tóxico del catabolismo proteico.

Los animales terrestres deben convertir el amoníaco en urea menos tóxica, que puede ser eliminada de forma segura por los riñones a través de la orina.

Los animales marinos excretan amoníaco directamente, y el agua circundante diluye el amoníaco a niveles seguros.

1. La conversión de amoníaco (NH₃) a carbamoil fosfato.
2. La introducción de la ornitina en la transformación del carbamoil fosfato a citrulina.
3. La transformación de la citrulina en argininosuccinato que implica aspartato y energía química (ATP).
4. La conversión de arginosuccinato en arginina con fumarato como subproducto.
5. La formación de urea y ornitina a partir de arginina.

El nitrógeno es un elemento sumamente importante para los organismos, ya que forma parte de los aminoácidos, por lo que su utilización debe ser optimizada lo más posible.

Los aminoácidos que sobrepasan las necesidades metabólicas para sintetizar nuevas proteínas y otras biomoléculas, no pueden almacenarse como ocurre con los ácidos grasos y la glucosa, por lo tanto, son catabolizados.

El nitrógeno que contienen es en su mayoría excretado, el resto de la estructura es utilizado como fuente de energía.

Parte del nitrógeno de los aminoácidos degradados es utilizado para sintetizar las bases púricas y pirimidínicas.

Transaminación y Desaminación

El grupo -amino (nitrógeno) de los aminoácidos es separado del esqueleto de carbono, mediante el desarrollo coordinado de la transaminación y la desaminación oxidativa.

¿Qué es la transaminación?

Es un proceso bioquímico fundamental que ocurre en el metabolismo de los aminoácidos en el cuerpo humano y en otras formas de vida. Este proceso implica la transferencia de un grupo amino (-NH₂) de un aminoácido a un alfa-cetoácido.

¿Qué es la desaminación?

Es el proceso a través del cual se eliminan los grupos amino de los aminoácidos, liberando amoníaco citotóxico libre: amoníaco → amonio → urea o ácido úrico a través del ciclo de la urea en el hígado.

¿Qué son estos compuestos derivados de aminoácidos?

El compuesto formado recibe el nombre de péptido.

Dos aminoácidos unidos forman un dipéptido, tres reciben el nombre tripéptido y una cadena más larga de aminoácidos recibe el nombre de polipéptido.

Cuando la cadena polipeptídica tiene más de 100 aminoácidos se denomina proteína.