Energía y como funciona en el cuerpo y metabolismo

Propiedades bioquímicas de los hidratos de carbono o carbohidratos .

Realizado por Mtra Mondragón Sosa .

Yoon Lolen , CEO , entrenadora , especialista en metabolismo .

 

Los hidratos de carbono son compuestos contenedores de grupo hidroxilo ( son los responsables de generar un hidrógeno en su cadena para combinarse y así permitir la interacción con el agua ) , son derivados del nitrógeno , fosfato y azufre, éstos se clasifican en 

1. Monosacáridos, cuenta con 4 a 6 átomos de carbono, existen diferentes categorías que són Triosa ej , gliceraldehído, dehidroxiacetona , Tetrosa ej. eritrosis, Pentosa compuestas de cinco o más carbonos ej.ribosa, ribulosa, xilulosa, hexosa ej. glucosa , galactosa , monosa y fructosa

2. Oligosacáridos , cómo lo son los disacáridos 

3. Polisacáridos, son de alto peso molecular , se componen de monosacáridos y D-glucosa ej. glucógeno, compuesto compacto .

También gracias a su enlace de hidrógeno se puede combinar con lípidos es el caso de los glucolípidos y proteína cómo lo es la glucoproteína .

La degradación metabólica del proceso de digestión humana inicia por la boca ,la saliva contiene un pH de 6.8 y genera una enzima llamada alfa amilasa salival, iniciando por el desdoblamiento de los polisacáridos , polimero, son los encargados de activar la enzima, ésta primera parte del proceso sucede en la boca y el esfoga, pues al llegar al estomago se inactiva por el cambio de acidez , una vez el quimo en el estomago la hidrolisis ácida contribuye a la degradación de proteasas y lipasa gástrica y pancreática , una vez que se mezcla la secreción gástrica de la saliva y los alimentos , el quimo se abre paso al intestino delgado y se mezcla con la enzima polimérica que digiere los hidratos de carbono en el intestino delgado son la alfa- amilasa, secretada por el pancreas ,es quien produce disacáridos y trisacáridos . Siendo el resultado neto la conversión completa de CHO en monosacáridos constituyentes .

La glucosa, fructosa y galactosa se transporta a los eritrocitos intestinales mediante Na1[ SGLT1) y Na 2 { GLUT2, siendo GLUT 5 quien absorbe la fructosa en el intestino , teniendo gran afinidad a la composición de la fructosa , sobre la glucosa el GLUT 2  de la membrana basolateral, así abrirse paso a la vena mesentérica superior duodenal , los cuales irán a la vena hepática después de pasar por las células del parénquimas hepático y así llegar a otros tejidos, ya en las células los monosacáridos son oxidados por vías catabólicas o pueden ser utilizados como precursores de biones o ser almacenados como glucógeno .

Glucolisis , es el resultado de la oxidación de la glucosa a piruvato, para éste proceso la célula requiere 2 ATP para realizar el proceso donde el producto final es glucosa. Este medio dispone de dos fases la primera es el cebado quimio, donde se usa 2 ATP traducido en glucosa en CF1,6BP y fructosa 1,6 bifosfato de energía y la segunda fase de la producción se oxida 2 mol de piruvato con la producción de 4 equivalentes ATP y 2 equivalentes de NADH.

La glucolisis aeróbica , es el resultante de la energía a la oxidación de la glucosa , el NADH  generado se utiliza para alimentar la síntesis de ATP  mitocondrial a través de la fosforilación oxidativa generando de 2 a 3 ATPN , el resultado dependerá de un proceso llamado lanzadera de fosfato de glicerol mecanismo realizado en el tejido adiposo , músculo esqueleto y cerebro , el otro proceso se llama lanzadera malato aspartato , es un mecanismo proveniente del hígado, corazón y riñón .

La fosforilación oxidativa es el proceso donde los electrones de NADH se pueden acoplar a la producción de ATP , está vía es de la hexoquinasa , donde cumple dos objetivos , el primero convertirla glucosa no iónica en un anión , el cual queda en la célula debido a que esta no cuenta con el sistema de transporte de azúcar fosforilados , y el segundo objetivo es generar glucosa para usarse en el metabolismo .

La conversión de glucosa 6 fosfato es por la codificación del gen SLC37A4 , es catalizado por la glucosa 6 fosfatasa para que los tejidos expresan la glucosa 6 fosfatasa G6PC1, G6PC2, G6PC3 son el hígado , riñón y el I.D siendo los únicos en contribuir a la producción endógena de glucosa , después de eliminar fosfato en glucosa libre , para ser transportada fuera del retículo endoplasmático al citosol . La evidencia muestra que el transporte de glucosa se produce a través de GLUT2 en el hígado .

La glucosa 6 fosfatasa es el primer paso de transformación de la glucosa al entrar al sarcoplasma celular . Esto ocurre gracias al intercambio con la enzima hexoquinasa , brindando ventaja metabólica y bioquímica 

Sistemas energéticos 

Al hablar de sistemas energéticos se habla también de bioenergética , rama de la termodinámica que estudia la forma en que los seres vivos usan los sistemas energéticos . Las vías metabólicas ocurren en el citoplasma y la mitocondria , las vías usan los electrones para generar energía de la comida ingerida a través de reacciones REDOX, óxidos y reducciones, el NAD y FAD+ se encuentran en estado oxidativo para convertirse en NADH y FADH 

 Una forma de medir la energía es a través de la capacidad para hacer un trabajo y al incluir el tiempo se mide la potencia , brindando el valor numérico de la rapidez. Dejando en claro que la potencia puede medirse y ser entendida por unidades de tiempo , por la capacidad a la cantidad de entrega energética a la unidad de tiempo.

Vías metabólicas, dan origen a los sistemas energéticos que no es más que la obtención e intercambio de electrones al proceso de digestión de la comida. Al considerar los sistemas energéticos se habla de bioenergética , rama de la termodinamía que estudia la manera en que los seres vivos usan estos sistemas . Las vías metabólicas ocurren en el citoplasma y mitocondria, cómo resultante de vías REDOX, NAD y FAD+ oxidativos o de reducción 

 

El ATP y PC , se agotan rápidamente derivado de la ruptura del ATP , donde entra el PC para sintetizar rápido y ser al tiempo receptor de hidrógeno , sin generar cambios en el pH celular, permitiendo que la creatinina funcione como vector energético para poder sintetizar PC y se romperá en los sitios donde se usa ATP = contracción muscular y sintetizar ATP en la mitocondria , nombrando a este proceso de shuttle de fosfocreatina .

La enzima del piruvato , resultante del ciclo de glucólisis , se transforma en acetil CoA , para entrar al ciclo de krebs y así poder generar más energía NAD y FAD , asi dar electrones resultantes de la cadena mitocondrial interna .

Los ácidos grasos entrar a la vía metabólica mediante la lipólisis y así también generar NAD y FAD, Entrando por la carnitina palmito transferasa enzima    mitocondrial para generar acetil CoA

Las vías metabólicas procuran generar ATP , la energía de la célula a través de la reducción y oxidación.

 

En la vía de pentosas el objetivo principal es generar nucleótidos y equivalentes reductores de NADH , entregable a la célula ribosa 5 fosfato , para que logre sintetizarlo a purinas y pirimidinas dando paso a la formación de bases púricas aquí se sintetizan las células por acción de los nucleótidos que se obtienen de IMD y después pasar por once reacciones enzimáticas se obtiene en la vía AMP y GTP

Para reducir y generar la vía metabólica es a través de agregar oxígeno o hidrógeno al compuesto, en lo opuesto a la oxidación es incluir oxígeno y sacar hidrógeno.

La enzima piruvato deshidrogenasa va a metabolizar al piruvato, resultante final de la glucólisis para ser transformado en Acetil CoA y poder entrar al ciclo de Krebs y poder generar NAD y FAD , dando dos electrones a la cadena mitocondrial interna.

Las vías metabólicas están encargadas de restituir en NAD (FORMA DE ENERGÍA)encargada de recolectar electrones . Los aminoácidos entran al ciclo de las vías energéticas por la glucólisis , pues el grupo amino se une al piruvato para ser transformado y entrar al ciclo de krebs y así incorporarse a la B oxidación y lipogénesis por el citrato acumulado éste sale al citoplasma generando en cambio ácidos  grasos, se  concluye que todas las vías metabólicas están interconectadas.

Metabolismo de la fructosa, las fuentes de fructosa en la dieta humana son a través de la fruta, la miel y sacarosa (disacarido de fructosa y glucosa), esta se metaboliza por los eritrocitos del I.D , para ser enviado a la circulación sanguínea , donde los eritrocitos intestinales convierten los átomos de carbono en metabolitos como el glicerol, glutamato , glutamina, alanina y cirulina . En la industria alimentaria circula un producto llamado jarabe de maíz alto contenido en fructosa JMAF , usualmente confundido con la frutos de origen alimentario con alto valor nutricional biológico es el 50 % disacáridos pura glucosa y fructosa y el contenido del JMAF es del 45 % al 55 % o bien del 40% al 45 % de fructosa obtenida de la extracción de almidón de maíz procesada enzimáticamente para transformarla glucosa a fructosa, siendo el procesos más económico sobre la sacarosa de caña de azúcar a la remolacha azucarera.

En el proceso de digestión humana la sacarosa se hidroliza en glucosa libre y fructosa libre a través de la acción de  la disacaridosa intestinal sacarosa - isomaltosa , misma vía que metaboliza la fructosa procedente de JMAF y en transportado por el GLUT5 , dependerá de la demanda energética del eritrocito para definir el destino de la fructosa en el enterocito . En condiciones energéticas de igualdad de ingesta energética al gasto energético , la mayor parte se metaboliza dentro del eritrocito para la producción de energía , pero en condiciones de ingesta excesiva con dietas restrictivas de micronutrimentos y de alto aporte calórico derivado de ultraprocesados y procesados la fructosa se transporta de la sangre a través del GLUT 2  a la vía glicolítica en hepatocitos , riñon , I.D donde la fructosa derival de la sacarosa es fosforilada a F1P por la KHK-A . 

Metabolismo de la galactosa . C6H12O6

Se metaboliza por el azúcar de la leche , lactosa (disacarido glucosa y galactosa) ingresa a glucolisis por conversión de glucosa 1 fosfato (G1P) vÍas Leloir , creador Luis Federico Leloir , la galactosa en la vía glucolpitica requiere suministro continuo de glucosa UDP que por acción de la glucosa fosforilasa 2 , enzima codificada por el gen UGP2 , que por acción de 3 enzimas convierten la glucosa 6 fosfato y codificación del gen GALK, GALT y PGM1 , generan el resultado expresado de 4 genes la fosfoglucomutasa PGM

 La vía alternativa metabólica C6H12O6 - 1 fosfato uriditransferasa es codificada por el gen GALT , el cual genera la reducción catalizadora por GALT a través del UDP glucosa catalizada por transferencia del UDP , en resultadoro galactosa 3 , 1 fosfato .

L UDP galactosa polimerizada a UDP  glucosa inhibida por la glucosa 1 Fosfato , para generar fosfato el cuañ sera convertido a G6P por acción del PGM , la enzima del proceso proviene de a vía UDP galactosa 4 epimerasa codificada por el gen GALE .

GLUCONEOGÉNESIS.

En la biosintesis de una nueva glucosa , es como si el proceso fuera de inversa . La glucosa a partir de glucogeno. Proceso necesario en la biosintesis de energía en el cuerpopues en los testiculos , los eritrocitos y la médula renal utiliza glucosa exclusivamente para producir ATP , el cerebro tambien utiliza gran cantidad de glucosa diaria a travez de gluconeogenesis, sin embargo el cerebro puede producir energía de cuerpo cetónicos convirtiendo en acetil Co A , desviandose al ciclo del TCA.

Los carbono utilizados para gluconeogenesis se derivan del piruvato , lactato , glicerol y aminoacidos, alanina y glutamina . El higado y riñon e intestino delgado tienen un papel importante en la gluconeogenesis , vía metabólica.

De la gluconeogenesis se genera 2 mol de piruvato , 1-3 , - 3 PG , del cual consume 6 mol de ATP proceso del gasto energético , mismo que al oxidarse la glucosa se produce 2 mol de ATP.

El malato es trasnportado al citosol por el transporte de malato , luego al oxidarse a OAA éste se alimenta a la vía de gluconeogénesis a travéz del consumo de PEP a través de PEPK, siendo que el PEPK consume 1 equivalente de ATP .

La inversión de GAPDH requiere suministro de NADH , este es el resultante a la reducción de OAA a malato proceso generado en la membrana mitocondrial . El piruvato generado de dicho proceso en el citosol es transportado por la membrana interna plasmática para el transporte del piruvato y es catalizado por el gen SLC16A1 , al proceso se le denomina transporte de membrana interna de purinas , conversión.

Los principales sustratos hepáticos para la vía son el glicerol , lactato , alanina y piruvato . Siendo el lactato el sustrato principal glucogénico del NAPH suministrado por el LDH compuesto obtenido del malato deshidrogenasa cuando el piruvato y la alanina son los sustratos . Ésto para la cinversión del piruvato PEP requiere 2 enzimas PC y PEPCK .

En los hepatocitos la G6PASE permite suministrar al higado glucosa libre a la sangre , debido a la KaHam de glucoquinasa hepática, la glucosa no se fosforila por completo fluirá fuera de los hepatocitos a la sangre . En el hígado y la corteza renal la glucosa 6 fosfato CG6P producida en gluconeogenesis es fosforilada por G6P y liberada como glucosa libre .

Piruvato Carboxilasa 

Primer reacción de bypass utiliza el ATP y enzimas PC, así co o biotina para la acción. El PC se conoce como enzima ABC  por el papel que desempeña el ATP , Biotina y CO2  en sus actividades cataliticas. El CO2  usado se forma de bicarbonato , el piruvato se carboxila para formar ácido oxiacético OAA.

 

El PC es multifuncional y contiene 3 denominaciones no enzimáticas desde el N terminal hasta C terminal de las proteinas , los cuales son el dominio de Biotina carboxilasa BC  y BCCP .

El segundo paso la PC , la carboxibiotina se descarboxila y el piruvato carboxilasa simultaneamente formando oxalacetato .

Ciclo de la TCA medida por piruvato carboxilasa .

La principal funcion del PC  es conducir atmos de carbono percursores de piruvato , lactato y alanina para generar glucosa endógena. Por otro lado la producción de oxalacetato es una reacción anaplerótica pues se usan para llenar el ciclo de TCA , siendo parte de la vía ciclo PEP.

En el cerebro de la PC es garantizar las células gliales, obtenga suficientes oxalacetato para expulsar el ciclo TCA, además de generar energía , el ciclo TCA  es vital para generar 2 oxoglutamato ( alfa cetaglutamato) que puede desviarse hacia el ciclo TCA y sintetiza glutamato como neurotransmisor excitador cítrico .

El papel del PC  en hígado es hidrolizado en la anaplerosis del ciclo TCA siendo fundamental para la hepatoprotección del stress oxidativo y para brindar intermediarios con el fin de mantener la biotina generada en los hepatocitos. Cuando el glucagón se une a su receptor , resulta en adenilatocidasa , aumentando producción de AMPc activado a su vez aumenta la PKA , entre otros sustratos fosforila el CREB , para unirse a elementos de respuesta de AMPc ( CRE) en loa genes PCK1 y PCK2 activando su transcripción . La hormona del estrés el cortisolejerce un efecto similar sobre la expresión del gen PEPCK a travez de la unión del receptor de glucocorticoides activado por el cortisol en respuesta al aumento de glucocorticoides GRE .

By pass 2 , fructosa 1-6 BP a F6P

Es el reverso del paso limitante de la glucólisis constante de una hidrólisis, catalizada por la F16BPasa , siendo la enzima F16BPasa del hígado y del músculo quienes comparten un 77% de identidad secuencial de aminoácidos , la enzima del gen F13P2 es casi exclusivamente del sistema gastrointestinal . La regulación de la glucólisis que se produce la reacción PFK-1 la reacción F1-6 BPasa , enzima de control de la vía gluconeogénesis.

F1-6BP regula la respuesta a la insulina .

La insulina en el hígado inhibe la gluconeogénesis y la glucosa se sintetiza a glucógeno y a ácidos grasos . Si un metabolismo regulado la acción de insulina puede conducir a hipoglucemia y hepatoestesatosis graves , la insulina activa los hepatocitos y las moléculas de transportación AKT2 , PKBB y P13K .

La F1-6 BP  en la prevención de hipoglucemia y hepatoesteatosis por insulina en la patología del ayuno en lactato con deficiencia de FBP1 , la hepatomegalia , la hepatoesteatosis y la hiperlipidemia se observa al igual en el gen FBP1 hepático.

El mecanismo de la F1-6BPasa previene respuestas elevadas a los efectos de la insulina por la formación de un complejo proteico con la F1-6BPasa que actúa como centro de nucleótidos. El complejo F1-6BPasa codificado por ALDOB de la glucólisis hepática , la subunidad catalítica a la proteína fosfatasa 2A y AKT . Se sabe que la PP2A desfosforilada reduce los efectos de la insulina en el hígado.

El cerebro , músculo esquelético y la mayoría de los tejidos no hepáticos carecen de la enzima G6Pasa , acción enzimática derivada de la G6Pasa para generar glucosa libre , estos órganos específicamente el hígado se desvía al glucógeno , si los niveles de glucosa en sangre son adecuado, siendo las reacciones de derivación como parte de la síntesis de glucógeno.

Las multiples subunidades de la glucosa 6 fosfatasa son asociadas a la membrana del réticulo endoplasmático. Las subunidades cataliticas y proteica transportadora de G6PT1 , codificada por el gen SLC37A4 , para la eliminación de fosfato de G6Pasa , es catalizada por la misma enzima de G6Pasa localizada en la membrana del reticulo endoplasmático CODIFICADO POR EL GEN G6PC1. Los seres humanos expresan 3 genes de la familia de glucosa 6 fosfatasa G6PC1, G6PC2 y G6PC3 localizados en hígado, riñon e intestino delgado , mismo que contribuyen a la producción endogena de glucosa. La actividad catalítica de G6Pasa reside un dominio de la enzima que se encuentra dentro de la luz del reticulo endoplasmático por lo que la glucosa 6 fosfato debe transportar primero al reticulo endoplasmático para eliminar el fosfato.

El transportador de fosfato se localiza en la membrana del réticulo endoplasmático y la proteína identificadora codificadora se identifica como NPT4 (transportadora de Na fosfato)

 

Aminoacidos

Los aminoacidos excepto la leucina y la leucina se degradan por intermediarios del ciclo TCA , asi los carbonos se convierten en oxcalacetatos OAA y posteriormente a piruvato , para que en su forma de piruvato sea utilizado en gluconeogénesis, cuando reservas de glucogeno se agota en el músculo durante el esfuerzo y el hígado en ayuno , el catabolismo de las proteinas musculares a aminoacidos son los principales fuentes de carbono para mantener niveles de glucosa en sangre. De todos los aminoacidos usados para gluconeogenesos, la glutamina es la más importante , pues es un a.a fundamental para producir glucosa por riñon e intestino delgado.

Glutamina

Es la única fuente de carbono para las vías de gluconeogenesis , desaminados primero por acción de la enzima glutamato deshidrogena , produciendo 2 oxogluttarato (alfa cetaglutamato), de no ser usado por esta vía , puede ser usado en el ciclo TCA para finalmente convertirse en malato , la enzima de malato deshidrogenasa citoplasmática transportadora fuera de la mitocondria y se oxida a oxalacetato , para convertirse en PEP a traves de la acción citoplasmática de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK-a) alternativamente el malato se puede oxidar dentro de la mitocondrias, luego por acción del PEPCK-m mitocondrial puede convertir el oxcalacetato PEP , se usara esta vía la PEP es trasnportada al citosol para la gluconeogenesis .

Glicerol

La oxidación de a.g produce gran cantidad de energía sobre una base molar, pero los carbonos de los a.g no se utilizan en la formación neta de glucosa. La unidad de los carbonos del acetil CoA derivada de la producción de a.g, se une al TCA , pero pierde dos carbonos como CO2 , así es cómo los a.g no experimentan esa conversión neta de HCO.