Metabolismo de Carbohidratos

Carbohidratos o Sacáridos.

Son biomoléculas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno y cuyas principales funciones en los seres vivos son el prestar energía inmediata y estructura.

Monosacáridos

Los monosacáridos o azúcares simples son los glúcidos más sencillos, que no se hidrolizan, conteniendo de tres a seis átomos de
carbono. Su fórmula empírica es (CH2O)n donde n ≥ 3

Principales Monosacáridos:

Monosacárido	Fuente	Importancia	Importancia Clínica
D-glucosa	Jugos de frutas, Hidrólisis del almidón, caña de azúcar, maltosa y lactosa.	Constituye el azúcar del cuerpo. Es el azúcar que transporta la sangre y que es usado por los tejidos como fuente de energía.	En la Diabetes Mellitus se presenta en la orina (glucosuria) debido al aumento de la glucosa en la sangre (Hiperglicemia)
D-fructosa	Jugos de frutas, miel de abeja, hidrólisis de la caña de azúcar y de la inulina.	En el hígado puede convertirse en glucosa.	La intolerancia hereditaria a la fructosa, da origen a la hipoglicemia.
D-galactosa	Hidrólisis de la lactosa.	En el hígado puede convertirse en glucosa. Se sintetiza en la glándula mamaria para constituir la lactosa de la leche. Es un constituyente de los glucolípidos y las glucoproteínas	La insuficiencia en el organismo produce galactosemia y cataratas.
D-manosa	Hidrólisis del maná y gomas vegetales.	Es un constituyente de muchas glucoproteínas

Glucosa

Sintetizada por vegetales en la fotosíntesis a partir de CO2, hidrógeno. En plantas se almaceno como almidón o forma celulosa; en mamíferos como glucógeno. A partir de la glucosa se forman los carbohidratos o viceversa. Aporta energía.

Disacáridos

Los disacáridos son un tipo de glúcidos formados por la condensación (unión) de dos azúcares monosacáridos iguales o distintos mediante un enlace O-glucosídico.´

Principales Disacáridos:

Disacáridos	Fuente	Estructura	Importancia Clínica
Maltosa	Digestión del almidón con amilasa o hidrólisis de este. Cereales y maltas germinados	Glu-α1↔4α-Glu
Lactosa	Leche. Puede presentarse en la orina durante el embarazo	Glu-β1↔4α-Gal	En la deficiencia de lactasa, la malabsorción da origen a flatulencia y diarrea
Sacarosa	Caña y remolacha de azúcar, sorgo, piña y zanahorias.	Glu-α1↔2β-Fru	La deficiencia de la sacarasa, la malabsorción da origen a la flatulencia
Trehalosa	Hongos y levaduras. El azúcar más importante de la hemolinfa de los insectos	Glu-α1↔1α-Glu

Polisacáridos

Tienen más de 10 monosacáridos, los oligosacáridos tienen de 3 a 9 monosacáridos.

El glucógeno esta formado con enlaces Glu-α1↔4α-Glu y Glu-α1↔6α-Glu

El almidón esta constituido por enlaces Glu-α1↔4α-Glu

La celulosa (madera) formado por enlaces Glu-β1↔4β-Glu. Reforzado con puentes cruzados de hidrógeno, como se observa en la imagen.

La Quitina, estructura de insectos y crustáceos; formado por unidades de N-acetil-D-glucosamina unidos por enlaces glucosídicos β(1↔4)

Glucosamina Glucanos (mucopolisacáridos): aminoazucares, ácido urónico y proteínas que lubrican y forman estructuras en huesos, cartílagos, elastina, colágeno.

Transporte de Glucosa al interior de la Célula

• Transporte por difusión facilitada independiente del Na+. Transporte GLUT 1 al 14 ubicados en las membranas celulares.

1) Especificidad tisular de la expresión del gen GLUT: 

Los siguientes transportes siguen un gradiente de concentración

GLUT 1 en eritrocito y encéfalo.

GLUT 3 en las neuronas.

GLUT 4 en adipocito y musculo esquelético que aumentan con la insulina.

2) Funciones especializadoras de las isoformas:

A diferencia de las anteriores, en este tipo de transporte, la glucosa puede ser transportada en ambas direcciones dependiendo de las condiciones metabólicas

GLUT 2 en el hígado, riñón y células beta del páncreas.

• Sistema cotransportador de Na+ y monosacáridos. Requiere energía  para transportar glucosa en contra un gradiente, mediada por transportadores. Presente en plexo coroideo, túbulos renales y células epiteliales del intestino

Glucolisis

La glucolisis o ruta de Embden-Meyerhof, ocurre en el citosol de la célula donde una molécula de glucosa se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico. Esta puede ser aeróbica o anaeróbica, aproximadamente el 40% de la energía libre desprendida por la oxidación de la glucosa se conserva en la conversión de ADP a ATP. Se produce en todas las células vivas, desde procariotas hasta eucariotas animales y vegetales. Se necesita la energía de 2 moléculas de ATP para iniciar el proceso, pero una vez iniciado se producen 2 moléculas de NADH y 4 de ATP por lo que el balance final es de: 2 NADH y 2 ATP por molécula de glucosa

Reacciones de la Glucolisis

Fase de Inversión

Paso	Reacción	Enzima	Producto
1	Fosforilación: Se agrega un grupo fosfato a la glucosa proveniente del primer ATP invertido.	Hexoquinasa o Glucocinasa	Glucosa-6-fosfato
2	Isomerización: Se altera la disposición de los atomos de la glucosa, sin cambiar, agregar o restar átomos.	Fosfoglucoisomerasa	Fructosa-6-fosfato
3	Fosforilación: Se agrega otro grupo fosfato a la Fructosa-6-fosfato proveniente del segundo ATP invertido.	Fosfofructocinasa-1	Fructosa-1,6-difosfato
4	Escisión: Divide la hexosa en dos triosas, cada una con un grupo fosfato	Aldolasa	Fosfato-dihidroxiacetona* Gliceraldehido-3-fosfato
5*	Isomerización: Se altera la disposición de los átomos de la triosa Fosfato-dihidroxiacetona para que se transforme en un Gliceraldehido-3-fosfato	P-triosa isomerasa	Gliceraldehido-3-fosfato

Fase de Generación de Energía

Pasos	Proceso	Enzima	Producto
6	Oxidación y Fosforilación: Se oxida el grupo aldehído del G3P utilizando un NAD+ para añadir un ion de fosfato a la molécula. De esta manera el NAD+ se reduce y pasa a ser NADH.	Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa	1,3-Bifosfoglicerato
7	Desfosforilación: Se transfiere un grupo fosfato de 1,3-bifosfoglicerato a una molécula de ADP, generando una molécula de ATP.	Fosfoglicerato quinasa	3-Fosfoglicerato
8	Isomerización: El grupo fosfato cambia la posición del carbono 3 al carbono 2.	Fosfoglicerato mutasa	2-Fosfoglicerato
9	Deshidratación: Se crea un doble enlace liberando la molécula de H2O del carbono 2.	Enolasa	Fosfoenolpiruvato
10	Desfosforilación: Se transfiere el grupo fosfato del fosfoenolpiruvato a una molécula de ADP para formar una molécula de ATP	Piruvato Cinasa	Piruvato

Glucólisis Anaeróbica

Es una ruta metabólica anaeróbica que ocurre en el citosol de la célula, en la cual se oxida parcialmente la glucosa para obtener energía y donde el producto de desecho es el ácido láctico.

Este proceso lo realizan muchos tipos de bacterias (llamadas bacterias lácticas), hongos, algunos protozoos y muchos tejidos animales; en efecto, la fermentación láctica también se verifica en el tejido muscular cuando, a causa de una intensa actividad motora, no se produce una aportación adecuada de oxígeno que permita el desarrollo de la respiración aeróbica. Cuando el ácido láctico se acumula en las células musculares produce síntomas asociados con la fatiga muscular. Algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias de manera que se ven obligadas a obtener energía por medio de la fermentación láctica; por el contrario, el parénquima muere rápidamente ya que no fermenta, y su única fuente de energía es la respiración aeróbica.

Este proceso, en el humano, se puede realizar en musculo liso, fibras blancas del musculo esquelético, eritrocito, cerebro, retina, medula renal y corazón. El lactato es utilizado en el hígado, riñón y corazón.

Glucolisis en el Eritrocito

El incremento en la concentración de difosfoglicerato facilita la liberación de oxigeno a los tejidos mediante la disminución en la afinidad de la hemoglobina para el oxigeno. De esta manera el eritrocito cuenta con un mecanismo interno para la regulación del  aporte de oxigeno a los tejido. Como observamos en la siguiente imagen, el eritrocito puede tomar un desvío metabólico y evitar formar el 2,3-difosfoglicerato

Gluconeogénesis 

Es una ruta metabólica anabólica que permite la biosíntesis de glucosa y glucógeno a partir de precursores no glucídicos. Incluye la utilización de varios aminoácidos, lactato, piruvato, glicerol y cualquiera de los intermediarios del ciclo de Krebs como fuentes de carbono para la vía metabólica. Todos los aminoácidos, excepto la leucina y la lisina, pueden suministrar carbono para la síntesis de glucosa.

Para la creación de la glucosa, se puede decir que es el mismo proceso de la glucolisis pero en sentido inverso, es decir, se emplean las mismas enzimas, sin embargo, hay tres reacciones irreversibles en las que las enzimas empleadas solo son especificas para las reacciones glucolíticas. Estas enzimas son:

1. Piruvato Cinasa:
2. Fosfofructocinasa
3. Hexocinasa o glucocinasa

Conversión de Piruvato a Fosfoenolpiruvato:

Debido a que la piruvato cinasa, no puede reversar su reacción  el piruvato debe convertirse, primero, en oxalacetato por medio de la piruvato carboxilasa y por ultimo debe pasar de oxalacetato a Fosfoenolpiruvato por medio de fosfoenolpiruvato carboxilasa

Conversión de la 1,6-bisfosfato en fructosa-6-fosfato

La reacción de la fosfofructoquinasa 1 de la glucólisis es esencialmente irreversible. La reacción que tiene lugar en la gluconeogénesis para evitar este paso consiste en una simple reacción hidrolítica, catalizada por la fructosa-1,6-bisfosfatasa.

Conversión de glucosa-6-fosfato a glucosa

La glucosa-6-fosfato no puede convertirse en glucosa por la acción inversa de la hexoquinasa o la glucoquinasa; la trasferencia de fosfato desde el ATP hace a la reacción virtualmente irreversible. La enzima que entra en acción y produce la glucosa es la glucosa-6-fosfatasa

Transporte del Fosfoenolpiruvato (PEP) y Oxalacetato desde la mitocondria hacia el citosol.

El PEP se transporta directamente entre estos compartimentos. Sin embargo, el oxalacetato debe convertirse primero a aspartato por medio de la aspartato aminotransferasa (vía1) o a malato por medio de la malato deshidrogenasa (vía 2)

Ciclo de Cori (lactato como precursor de la glucosa)

El Ciclo de Cori es el ciclo de reacciones metabólicas que envuelve dos rutas de transporte de productos entre los músculos y el hígado. A lo largo del ciclo, el glucógeno muscular es desglosado en glucosa y ésta es transformada a piruvato mediante la glucólisis. Este piruvato se transformará en lactato (o ácido láctico) por la vía del metabolismo anaeróbico (por falta de oxigeno en la célula) gracias a la enzima lactato deshidrogenasa. El ácido láctico es transportado hasta el hígado por vía sanguínea y allí es reconvertido a piruvato, y, después, a glucosa a través de la vía anaplerótica. La glucosa puede volver al músculo para servir como fuente de energía inmediata o ser almacenado en forma de glucógeno en el hígado. Este reciclaje del ácido láctico es la base del Ciclo de Cori

Ciclo Glucosa-Alanina

El ciclo de la alanina resulta del transporte de la alanina por la sangre relacionando el músculo y el hígado. En el músculo se forma alanina a partir del piruvato producido en la glicolisis. La Alanina al llegar al hígado da lugar a piruvato y amonio. Este último por la ureogénesis da lugar a urea que se segrega en la sangre para ir al riñón, mientras que el Piruvato da lugar a glucosa a través de la gluconeogénesis. En este caso el NADH generado en la formación de piruvato no se utiliza para formar lactato, sino que se pueden utilizar para la producción de ATP, en contraste con el ciclo de Cori, donde el NADH se gasta en formar lactato a partir de Piruvato.

Aminoácidos como Precursores de la Glucosa

Los esqueletos carbonados de todos los aminoácidos, excepto leucina y lisina pueden convertirse, al menos en parte, en oxalacetato y así en glucosa.

Glicerol y Propionato como precursor de la Glucosa

Glicerol: del catabolismo de triglicéridos que implica una fosforilación seguida de deshidrogenación para producir dihidroxiacetona-fosfato

Propionato: de acidos grasos impares, Propionil-Coa>Metilmalonil-Coa>Succinil-Coa>Oxalacetato

Etanol y la Gluconeogenesis

El etanol inhibe fuertemente a la gluconeogpuede provocar hipoglicemia.

Etanol + NAD⁺  → Acetaldehido + NADH + H⁺  (alcohol deshidrogenasa)

Esto eleva el NADH en el citosol hepático y desplaza el equilibrio de la lactato deshidrogenasa y gliceraldehido deshidrogenasa de la glucólisis, y de malato deshidrogenasa citosólica reduciendo el oxalacetato disponible para la gluconeogénesis.

Glucogénesis

1. La Glucosa se convierte en glucosa-6-fosfato mediante una reacción irreversible catalizada por la glucoquinasa o hexoquinasa dependiendo del tejido en cuestión.
2. Glucosa-6-fosfato se convierte en glucosa-1-fosfato por la acción de la Fosfoglucomutasa, mediante la formación obligada de un compuesto intermediario, glucosa-1,6-bisfosfatasa.
3. Glucosa-1-fosfato se convierte en UDP-glucosa por la acción de la UDP-glucosa pirofosforilasa.
4. Las moléculas de glucosa son acopladas en cadena por la glucógeno sintasa, este paso debe realizarse sobre un primer preexistente de glucógeno. La glucógeno sintasa actúa es decir formando alargamientos lineales de ramas preexistentes, solamente formando uniones α1-4 permitiendo la union de glucosa a glucógeno preexistente
5. Las ramificaciones son producidas por la enzima ramificadora del glucógeno, la cual transfiere un fragmento de 6 a 8 unidades del extremo no reductor y lo une a una glucosa por un enlace α-1,6. Esto posibilita que ambas cadenas puedan continuar alargándose mediante uniones α-1,4 de glucosas hasta poder producir nuevas ramificaciones.
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Glucógeno:

Forma principal de almacenamiento de los carbohidratos en el citosol de las células de hígado y músculo esquelético. En el hígado se agota 12- 18 horas después del ayuno. El músculo esquelético no libera glucosa debido a la ausencia de Glucosa-6-fosfatasa

Vía de la Hexosa Monofosfato

Constituye esta ruta metabólica, una vía alternativa de la glucolísis por la vía de Embden-Meyerhof. Este fenómeno ocurre en tejidos como: el del hígado tejido adiposo glándulas mamarias en la lactancia, cornea y cristalino, así como también en corteza renal, tiroides, glóbulos rojos y testículos.

En este proceso tres moléculas de glucosa 6-fosfato dan origen a tres moléculas de dióxido de carbono y a tres residuos de cinco carbonos,  las ribosas 5-fosfato. Estas tres pentosas se unen de nuevo para formar dos moléculas de glucosa 6-fosfato y una de gliceraldehido 3-fosfato; este ultimo se une a otra molécula igual, y, en esta forma se puede lograr la oxidación completa de la glucosa.

A diferencia de la glucolísis, por la vía de Embden-Meyerhof que utiliza NAD como aceptor de hidrogeno en las reacciones oxidativas, en la vía de la pentosa fosfato se utiliza la NADP como coenzima aceptora de hidrogeno. En esta vía metabólica figura una enzima la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa.

Otro aspecto sumamente importante de esta ruta metabólica, es la producción de azucares de cinco galones como ribosa, necesarios para la formación de las moléculas de ácidos nucleícos

La ruta de la pentosa fosfato puede dividirse en dos fases:

• Fase oxidativa: se genera NADPH.
• Fase no oxidativa: se sintetizan pentosas-fosfato y otros monosacáridos-fosfato.

Genera 6 NADPH para la síntesis de ácidos grasos y colesterol; reducción del glutation. Provee ribosa para la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos. La deficiencia enzimática (mas frecuente la Glucosa-6-fosfato deshidrogenasa) produce anemia hemolítica por la no reducción del glutation en el eritrocito.

 

Fuente

La mayor parte del contenido publicado, proviene del material de apoyo empleado por el Dr. Miguel Basanta en sus clases de Bioquimica de la Universidad de Oriente, Nucleo Bolivar.

Elaborado por: Nasib Halabi (@bisanomio)