Anatomía y Fisiología II

Los carbohidratos son moléculas orgánicas compuestas de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. La familia de carbohidratos incluye azúcares simples y complejos. La glucosa y la fructosa son ejemplos de azúcares simples, y el almidón, el glucógeno y la celulosa son ejemplos de azúcares complejos. Los azúcares complejos también se llaman polisacáridos y están hechos de múltiples moléculas de monosacáridos. Los polisacáridos sirven como almacenamiento de energía (por ejemplo, almidón y glucógeno) y como componentes estructurales (por ejemplo, quitina en insectos y celulosa en plantas).

Durante la digestión, los carbohidratos se descomponen en azúcares solubles simples que se pueden transportar a través de la pared intestinal hacia el sistema circulatorio para ser transportados por todo el cuerpo. La digestión de carbohidratos comienza en la boca con la acción de la amilasa salival en almidones y termina con monosacáridos que se absorben a través del epitelio del intestino delgado. Una vez que los monosacáridos absorbidos son transportados a los tejidos, comienza el proceso de respiración celular (Figura 1). Esta sección se concentrará primero en la glucólisis, un proceso donde el monosacárido glucosa se oxida, liberando la energía almacenada en sus enlaces para producir ATP.

Glucólisis

La glucosa es la fuente de energía más fácilmente disponible en el cuerpo. Después de que los procesos digestivos descomponen los polisacáridos en monosacáridos, incluida la glucosa, los monosacáridos se transportan a través de la pared del intestino delgado y hacia el sistema circulatorio, que los transporta al hígado. En el hígado, los hepatocitos pasan la glucosa a través del sistema circulatorio o almacenan el exceso de glucosa como glucógeno. Las células del cuerpo absorben la glucosa circulante en respuesta a la insulina y, a través de una serie de reacciones llamadas glucólisis, transfieren parte de la energía de la glucosa al ADP para formar ATP (Figura 2). El último paso en la glucólisis produce el producto piruvato.

La glucólisis comienza con la fosforilación de la glucosa por hexoquinasa para formar glucosa-6-fosfato. Este paso utiliza un ATP, que es el donante del grupo fosfato. Bajo la acción de la fosfofructocinasa, la glucosa-6-fosfato se convierte en fructosa-6-fosfato. En este punto, un segundo ATP dona su grupo fosfato, formando fructosa-1,6-bisfosfato. Este azúcar de seis carbonos se divide para formar dos moléculas fosforiladas de tres carbonos, gliceraldehído-3-fosfato y fosfato de dihidroxiacetona, que se convierten en gliceraldehído-3-fosfato. El gliceraldehído-3-fosfato se fosforila con grupos donados por fosfato dihidrógeno presente en la célula para formar la molécula de tres carbonos 1,3-bisfosfoglicerato. La energía de esta reacción proviene de la oxidación (eliminación de electrones) del gliceraldehído-3-fosfato. En una serie de reacciones que conducen al piruvato, los dos grupos fosfato se transfieren a dos ADP para formar dos ATP. Por lo tanto, la glucólisis utiliza dos ATPs pero genera cuatro ATPs, produciendo una ganancia neta de dos ATPs y dos moléculas de piruvato. En presencia de oxígeno, el piruvato continúa al ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico (TCA), donde se extrae y transmite energía adicional.

La glucólisis se puede dividir en dos fases: consumo de energía (también llamado cebado químico) y producción de energía. La primera fase es la fase de consumo de energía, por lo que requiere dos moléculas de ATP para iniciar la reacción de cada molécula de glucosa. Sin embargo, el final de la reacción produce cuatro ATPs, lo que resulta en una ganancia neta de dos moléculas de energía ATP.

La glucólisis se puede expresar como la siguiente ecuación:

\text{Glucose}+2\text{ATP}+2\text{NAD}^{+}+4\text{ADP}+2\text{P}_{i}\to\text{Pyruvate}+4\text{ATP}+2\text{NADH}+2\text{H}^{+}

Esta ecuación establece que la glucosa, en combinación con ATP (la fuente de energía), NAD+ (una coenzima que sirve como aceptor de electrones) y fosfato inorgánico, se descompone en dos moléculas de piruvato, generando cuatro moléculas de ATP—para un rendimiento neto de dos coenzimas de ATP—y dos coenzimas de NADH que contienen energía. El NADH que se produce en este proceso se utilizará más tarde para producir ATP en las mitocondrias. Es importante destacar que, al final de este proceso, una molécula de glucosa genera dos moléculas de piruvato, dos moléculas de ATP de alta energía y dos moléculas de NADH transportadoras de electrones.

Las siguientes discusiones sobre la glucólisis incluyen las enzimas responsables de las reacciones. Cuando la glucosa entra en una célula, la enzima hexoquinasa (o glucoquinasa, en el hígado) agrega rápidamente un fosfato para convertirlo en glucosa-6-fosfato. Una quinasa es un tipo de enzima que agrega una molécula de fosfato a un sustrato (en este caso, glucosa, pero también puede ser cierto para otras moléculas). Este paso de conversión requiere un ATP y esencialmente atrapa la glucosa en la célula, evitando que pase de vuelta a través de la membrana plasmática, permitiendo así que la glucólisis proceda. También funciona para mantener un gradiente de concentración con niveles de glucosa más altos en la sangre que en los tejidos. Al establecer este gradiente de concentración, la glucosa en la sangre podrá fluir de un área de alta concentración (la sangre) a un área de baja concentración (los tejidos) para ser utilizada o almacenada. La hexoquinasa se encuentra en casi todos los tejidos del cuerpo. La glucoquinasa, por otro lado, se expresa en tejidos que son activos cuando los niveles de glucosa en sangre son altos, como el hígado. La hexoquinasa tiene una afinidad más alta por la glucosa que la glucoquinasa y, por lo tanto, es capaz de convertir la glucosa a una velocidad más rápida que la glucoquinasa. Esto es importante cuando los niveles de glucosa son muy bajos en el cuerpo, ya que permite que la glucosa viaje preferentemente a aquellos tejidos que la requieren más.

En el siguiente paso de la primera fase de la glucólisis, la enzima glucosa-6-fosfato isomerasa convierte la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato. Al igual que la glucosa, la fructosa es también un azúcar que contiene seis carbonos. La enzima fosfofructocinasa-1 luego agrega un fosfato más para convertir fructosa-6-fosfato en fructosa-1-6-bisfosfato, otro azúcar de seis carbonos, usando otra molécula de ATP. La aldolasa descompone esta fructosa-1-6-bisfosfato en dos moléculas de tres carbonos, gliceraldehído-3-fosfato y fosfato de dihidroxiacetona. La enzima triosefosfato isomerasa convierte el fosfato de dihidroxiacetona en una segunda molécula de gliceraldehído-3-fosfato. Por lo tanto, al final de esta fase de cebado químico o consumo de energía, una molécula de glucosa se divide en dos moléculas de gliceraldehído – 3-fosfato.

La segunda fase de la glucólisis, la fase de producción de energía, crea la energía que es el producto de la glucólisis. La gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa convierte cada gliceraldehído-3-fosfato de tres carbonos producido durante la fase de consumo de energía

en 1,3-bisfosfoglicerato. Esta reacción libera un electrón que luego es recogido por NAD+ para crear una molécula de NADH. El NADH es una molécula de alta energía, como el ATP, pero a diferencia del ATP, la célula no lo utiliza como moneda de energía. Debido a que hay dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato, se sintetizan dos moléculas de NADH durante este paso. Cada 1,3-bisfosfoglicerato es posteriormente desfosforilado (es decir, se elimina un fosfato) por fosfoglicerato quinasa en 3-fosfoglicerato. Cada fosfato liberado en esta reacción puede convertir una molécula de ADP en una molécula de ATP de alta energía, lo que resulta en una ganancia de dos moléculas de ATP.

La enzima fosfoglicerato mutasa convierte las moléculas de 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato. La enzima enolasa actúa sobre las moléculas de 2-fosfoglicerato para convertirlas en moléculas de fosfoenolpiruvato. El último paso de la glucólisis implica la desfosforilación de las dos moléculas de fosfoenolpiruvato por piruvato quinasa para crear dos moléculas de piruvato y dos moléculas de ATP.

En resumen, una molécula de glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato, y crea dos moléculas netas de ATP y dos moléculas de NADH por glicólisis. Por lo tanto, la glucólisis genera energía para la célula y crea moléculas de piruvato que pueden procesarse a través del ciclo aeróbico de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico); convertirse en ácido láctico o alcohol (en levadura) por fermentación; o usarse más tarde para la síntesis de glucosa a través de la gluconeogénesis.

Respiración anaeróbica

Cuando el oxígeno está limitado o ausente, el piruvato entra en una vía anaeróbica. En estas reacciones, el piruvato se puede convertir en ácido láctico. Además de generar un ATP adicional, esta vía sirve para mantener la concentración de piruvato baja para que la glucólisis continúe, y oxida el NADH en el NAD + necesario para la glucólisis. En esta reacción, el ácido láctico reemplaza al oxígeno como aceptor final de electrones. La respiración anaeróbica ocurre en la mayoría de las células del cuerpo cuando el oxígeno es limitado o las mitocondrias están ausentes o no funcionan. Por ejemplo, debido a que los eritrocitos (glóbulos rojos) carecen de mitocondrias, deben producir su ATP a partir de la respiración anaeróbica. Esta es una vía efectiva de producción de ATP por períodos cortos de tiempo, que van desde segundos hasta unos pocos minutos. El ácido láctico producido se difunde en el plasma y se transporta al hígado, donde se convierte de nuevo en piruvato o glucosa a través del ciclo Cori. Del mismo modo, cuando una persona hace ejercicio, los músculos usan ATP más rápido de lo que se les puede suministrar oxígeno. Dependen de la glucólisis y la producción de ácido láctico para una rápida producción de ATP.

Respiración aeróbica

En presencia de oxígeno, el piruvato puede entrar en el ciclo de Krebs donde se extrae energía adicional a medida que los electrones se transfieren del piruvato a los receptores NAD+, GDP y FAD, siendo el dióxido de carbono un «producto de desecho» (Figura 3). El NADH y el FADH2 pasan electrones a la cadena de transporte de electrones, que utiliza la energía transferida para producir ATP. Como paso terminal en la cadena de transporte de electrones, el oxígeno es el aceptor de electrones terminal y crea agua dentro de las mitocondrias.

Ciclo de Krebs / Ciclo del Ácido Cítrico/Ciclo del Ácido Tricarboxílico

Las moléculas de piruvato generadas durante la glucólisis se transportan a través de la membrana mitocondrial hacia la matriz mitocondrial interna, donde son metabolizadas por enzimas en una vía llamada ciclo de Krebs (Figura 4). El ciclo de Krebs también se denomina comúnmente ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico (TCA). Durante el ciclo de Krebs, se crean moléculas de alta energía, como ATP, NADH y FADH2. NADH y FADH2 pasan electrones a través de la cadena de transporte de electrones en las mitocondrias para generar más moléculas de ATP.

La molécula de piruvato de tres carbonos generada durante la glucólisis se mueve del citoplasma a la matriz mitocondrial, donde es convertida por la enzima piruvato deshidrogenasa en una molécula de acetil coenzima A de dos carbonos (acetil CoA). Esta reacción es una reacción de descarboxilación oxidativa. Convierte el piruvato de tres carbonos en una molécula de acetil CoA de dos carbonos, liberando dióxido de carbono y transfiriendo dos electrones que se combinan con NAD+ para formar NADH. La acetil CoA entra en el ciclo de Krebs al combinarse con una molécula de cuatro carbonos, el oxaloacetato, para formar la molécula de seis carbonos citrato, o ácido cítrico, al mismo tiempo que libera la molécula de coenzima A.

La molécula de citrato de seis carbonos se convierte sistemáticamente en una molécula de cinco carbonos y luego en una molécula de cuatro carbonos, terminando con oxaloacetato, el comienzo del ciclo. En el camino, cada molécula de citrato producirá un ATP, un FADH2 y tres NADH. El FADH2 y el NADH entrarán en el sistema de fosforilación oxidativa ubicado en la membrana mitocondrial interna. Además, el ciclo de Krebs suministra los materiales de partida para procesar y descomponer proteínas y grasas.

Para iniciar el ciclo de Krebs, la citrato sintasa combina acetil CoA y oxaloacetato para formar una molécula de citrato de seis carbonos; posteriormente, el CoA se libera y se puede combinar con otra molécula de piruvato para comenzar el ciclo de nuevo. La enzima aconitasa convierte el citrato en isocitrato. En dos pasos sucesivos de descarboxilación oxidativa, se producen dos moléculas de CO2 y dos moléculas de NADH cuando la isocitrato deshidrogenasa convierte el isocitrato en α-cetoglutarato de cinco carbonos, que luego es catalizado y convertido en succinil CoA de cuatro carbonos por la α-cetoglutarato deshidrogenasa. La enzima succinil COA deshidrogenasa convierte el succinil CoA en succinato y forma la molécula de alta energía GTP, que transfiere su energía al ADP para producir ATP. La succinato deshidrogenasa convierte el succinato en fumarato, formando una molécula de FADH2. La fumarasa luego convierte el fumarato en malato, que la malato deshidrogenasa luego convierte de nuevo en oxaloacetato mientras reduce el NAD+ a NADH. El oxaloacetato está listo para combinarse con el siguiente acetil CoA para comenzar de nuevo el ciclo de Krebs (ver Figura 4). Para cada vuelta del ciclo, se crean tres NADH, un ATP (a través de GTP) y un FADH2. Cada carbono de piruvato se convierte en CO2, que se libera como subproducto de la respiración oxidativa (aeróbica).

Fosforilación Oxidativa y Cadena de Transporte de Electrones

La cadena de transporte de electrones (ETC) utiliza el NADH y el FADH2 producidos por el ciclo de Krebs para generar ATP. Los electrones de NADH y FADH2 se transfieren a través de complejos de proteínas incrustados en la membrana mitocondrial interna por una serie de reacciones enzimáticas. La cadena de transporte de electrones consta de una serie de cuatro complejos enzimáticos (Complejo I – Complejo IV) y dos coenzimas (ubiquinona y Citocromo c), que actúan como portadores de electrones y bombas de protones utilizadas para transferir iones H+ al espacio entre las membranas mitocondriales interna y externa (Figura 5). El ETC acopla la transferencia de electrones entre un donante (como NADH) y un aceptor de electrones (como O2) con la transferencia de protones (iones H+) a través de la membrana mitocondrial interna, lo que permite el proceso de fosforilación oxidativa. En presencia de oxígeno, la energía se pasa, paso a paso, a través de los portadores de electrones para recoger gradualmente la energía necesaria para unir un fosfato al ADP y producir ATP. El papel del oxígeno molecular, O2, es como el aceptor de electrones terminal para el ETC. Esto significa que una vez que los electrones han pasado a través de todo el ETC, deben pasarse a otra molécula separada. Estos electrones, iones O2 e H+ de la matriz se combinan para formar nuevas moléculas de agua. Esta es la base de su necesidad de respirar oxígeno. Sin oxígeno, el flujo de electrones a través del ETC cesa.

Los electrones liberados de NADH y FADH2 son pasados a lo largo de la cadena por cada uno de los portadores, que se reducen cuando reciben el electrón y se oxidan cuando lo pasan al siguiente portador. Cada una de estas reacciones libera una pequeña cantidad

de energía, que se utiliza para bombear iones H+ a través de la membrana interna. La acumulación de estos protones en el espacio entre las membranas crea un gradiente de protones con respecto a la matriz mitocondrial.

También incrustado en la membrana mitocondrial interna hay un increíble complejo de poros de proteína llamado ATP sintasa. Efectivamente, es una turbina que es alimentada por el flujo de iones H+ a través de la membrana interna por un gradiente y hacia la matriz mitocondrial. A medida que los iones H+ atraviesan el complejo, el eje del complejo gira. Esta rotación permite que otras porciones de ATP sintasa alienten a ADP y Pi a crear ATP. Para contabilizar el número total de ATP producido por molécula de glucosa a través de la respiración aeróbica, es importante recordar los siguientes puntos:

• Se produce una red de dos ATP a través de la glucólisis (cuatro producidos y dos consumidos durante la etapa de consumo de energía). Sin embargo, estos dos ATP se utilizan para transportar el NADH producido durante la glucólisis desde el citoplasma a las mitocondrias. Por lo tanto, la producción neta de ATP durante la glucólisis es cero.
• En todas las fases después de la glucólisis, el número de ATP, NADH y FADH2 producidos debe multiplicarse por dos para reflejar cómo cada molécula de glucosa produce dos moléculas de piruvato.
• En el ETC, se producen aproximadamente tres ATP por cada NADH oxidado. Sin embargo, solo se producen aproximadamente dos ATP por cada FADH2 oxidado. Los electrones de FADH2 producen menos ATP, porque comienzan en un punto más bajo en el ETC (Complejo II) en comparación con los electrones de NADH (Complejo I) (Figura 5).

Por lo tanto, por cada molécula de glucosa que entra en la respiración aeróbica, se produce un total neto de 36 ATPs (ver Figura 6).

Gluconeogénesis

La gluconeogénesis es la síntesis de nuevas moléculas de glucosa a partir de piruvato, lactato, glicerol o los aminoácidos alanina o glutamina. Este proceso tiene lugar principalmente en el hígado durante períodos de baja glucosa, es decir, en condiciones de ayuno, inanición y dietas bajas en carbohidratos. Por lo tanto, se puede plantear la pregunta de por qué el cuerpo crearía algo que acaba de gastar una buena cantidad de esfuerzo para descomponer. Ciertos órganos clave, incluido el cerebro, solo pueden usar glucosa como fuente de energía; por lo tanto, es esencial que el cuerpo mantenga una concentración mínima de glucosa en sangre. Cuando la concentración de glucosa en sangre cae por debajo de ese punto, el hígado sintetiza glucosa nueva para elevar la concentración en sangre a la normalidad.

La gluconeogénesis no es simplemente el reverso de la glucólisis. Hay algunas diferencias importantes (Figura 7). El piruvato es un material de partida común para la gluconeogénesis. Primero, el piruvato se convierte en oxaloacetato. El oxaloacetato sirve como sustrato para la enzima fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK), que transforma el oxaloacetato en fosfoenolpiruvato (PEP). A partir de este paso, la gluconeogénesis es casi lo contrario de la glucólisis. El PEP se convierte de nuevo en 2-fosfoglicerato, que se convierte en 3-fosfoglicerato. Luego, el 3-fosfoglicerato se convierte en 1,3 bisfosfoglicerato y luego en gliceraldehído-3-fosfato. Dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se combinan para formar fructosa-1-6-bisfosfato, que se convierte en fructosa 6-fosfato y luego en glucosa 6-fosfato. Por último, una serie de reacciones genera la propia glucosa. En la gluconeogénesis (en comparación con la glucólisis), la enzima hexoquinasa es reemplazada por glucosa-6-fosfatasa, y la enzima fosfofructocinasa-1 es reemplazada por fructosa-1,6-bisfosfatasa. Esto ayuda a la célula a regular la glucólisis y la gluconeogénesis de forma independiente.

Como se discutirá como parte de la lipólisis, las grasas se pueden descomponer en glicerol, que se puede fosforilar para formar fosfato de dihidroxiacetona o DHAP. La DHAP puede entrar en la vía glucolítica o ser utilizada por el hígado como sustrato para la gluconeogénesis.

Revisión del capítulo

Las enzimas metabólicas catalizan reacciones catabólicas que descomponen los carbohidratos contenidos en los alimentos. La energía liberada se utiliza para alimentar las células y los sistemas que componen el cuerpo. El exceso o la energía no utilizada se almacena como grasa o glucógeno para su uso posterior. El metabolismo de los carbohidratos comienza en la boca, donde la enzima amilasa salival comienza a descomponer los azúcares complejos en monosacáridos. Estos pueden ser transportados a través de la membrana intestinal hacia el torrente sanguíneo y luego a los tejidos corporales. En las células, la glucosa, un azúcar de seis carbonos, se procesa a través de una secuencia de reacciones en azúcares más pequeños, y se libera la energía almacenada dentro de la molécula. El primer paso del catabolismo de carbohidratos es la glucólisis, que produce piruvato, NADH y ATP. En condiciones anaeróbicas, el piruvato se puede convertir en lactato para mantener funcionando la glucólisis. En condiciones aeróbicas, el piruvato entra en el ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico. Además del ATP, el ciclo de Krebs produce moléculas de FADH2 y NADH de alta energía, que proporcionan electrones al proceso de fosforilación oxidativa que genera más moléculas de ATP de alta energía. Para cada molécula de glucosa que se procesa en glucólisis, se puede crear una red de 36 ATPs por respiración aeróbica.

En condiciones anaeróbicas, la producción de ATP se limita a las generadas por glucólisis. Mientras que un total de cuatro ATPs se producen por glucólisis, se necesitan dos para comenzar la glucólisis, por lo que hay un rendimiento neto de dos moléculas de ATP.

En condiciones de glucosa baja, como ayuno, inanición o dietas bajas en carbohidratos, la glucosa se puede sintetizar a partir de lactato, piruvato, glicerol, alanina o glutamato. Este proceso, llamado gluconeogénesis, es casi lo contrario de la glucólisis y sirve para crear moléculas de glucosa para órganos dependientes de la glucosa, como el cerebro, cuando los niveles de glucosa caen por debajo de lo normal.

Autocomprobación

Responda la(s) pregunta (s) a continuación para ver qué tan bien entiende los temas tratados en la sección anterior.

Glosario

polisacáridos: carbohidratos complejos compuestos de muchos monosacáridos

monosacárido: molécula de azúcar monomérica más pequeña

amilasa salival: enzima digestiva que se encuentra en la saliva y comienza la digestión de carbohidratos en la boca

respiración celular: producción de ATP a partir de la oxidación de la glucosa a través de la glicólisis, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa

glucólisis: serie de reacciones metabólicas que descomponen la glucosa en piruvato y producen ATP

piruvato: producto final de tres carbonos de la glucólisis y material de partida que se convierte en acetil CoA que entra en el ciclo de Krebs

: también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico, convierte el piruvato en CO2 y moléculas de FADH2, NADH y ATP de alta energía

ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico (TCA): también llamado ciclo de Krebs o ciclo del ácido tricarboxílico; convierte el piruvato en CO2 y moléculas de FADH2, NADH y ATP de alta energía

de ATP son necesarios para iniciar la reacción

glucosa-6-fosfato: glucosa fosforilada producida en el primer paso de la glucólisis

Hexoquinasa: enzima celular, que se encuentra en la mayoría de los tejidos, que convierte la glucosa en glucosa-6-fosfato al ser absorbida por la célula

Glucoquinasa: celularenzima, que se encuentra en el hígado, que convierte la glucosa en glucosa-6-fosfato al ser absorbida por la célula

fase de producción de energía: segunda fase de glucólisis, durante la cual se produce energía

aceptor terminal de electrones: vía de producción de ATP en la que los electrones pasan a través de una serie de reacciones de oxidación-reducción que forman agua y producen un gradiente de protones

Ciclo de Krebs: también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico, convierte el piruvato en CO2 y moléculas de FADH2, NADH y ATP de alta energía

cadena de transporte de electrones (ETC): vía de producción de ATP en la que los electrones pasan a través de una serie de reacciones de oxidación-reducción que forman agua y producen un gradiente de protones

fosforilación oxidativa: proceso que convierte NADH y FADH2 de alta energía en ATP

proteína ATP sintasa: complejo de poros que crea ATP

Gluconeogénesis: proceso de síntesis de glucosa a partir de piruvato u otras moléculas