Metabolismo de la Glucosa: Vías Metabólicas, Fermentación y Regulación, Apuntes de Matemáticas

¡Descarga Metabolismo de la Glucosa: Vías Metabólicas, Fermentación y Regulación y más Apuntes en PDF de Matemáticas solo en Docsity! 1.1 Obtención de energía y electrones a partir de la glucosa Los carbohidratos son una fuente importante de energía para los organismos vivos En la dieta del hombre, la fuente principal de carbohidratos es el almidón, el polisacárido producido por las plantas, especialmente los cereales, durante la fotosíntesis. El almidón de las plantas es también la fuente principal de energía para los animales, tanto domésticos como silvestres. Cantidades relativamente grandes de estos polisacáridos pueden almacenarse en las células vegetales en épocas de abundante suministro, para ser utilizadas después cuando existe una demanda de producción de energía. La celulosa, producida también por las plantas en grandes cantidades como carbohidrato estructural, no puede ser utilizada por el hombre debido a que éste carece de las enzimas hidrolíticas necesarias en su tracto intestinal para hidrolizarla (CONN, STUMPF, BRUENING, € DOI, 2002). En los animales, el glucógeno se encuentra en la mayoría de los tejidos, pero casi dos terceras partes del glucógeno corporal se encuentran en los músculos esqueléticos, donde funciona como una fuente de . La , donde se utiliza para mantener la . Puesto que la glucosa es el compuesto que se forma en mayoría del el metabolismo a partir del almidón como del glucógeno, la presente discusión del metabolismo de carbohidratos comienza con este monosacárido. Las vías metabólicas ocurren en pequeños pasos, cada uno catalizado por una enzima específica, las vías metabólicas suelen compartimentalizarse y se encuentran muy reguladas, Ensrgia lumínica energía La misma ecuación se aplica al metabolismo de la glucosa por las células, pero la reacción tiene lugar en muchos pasos separados de manera que la energía pueda ser capturada en el ATP (fig. 4). Respiración celular Reacción (es) e de fermentación Oxidación del piruvato Ciclo del ácido cílrico Figura 4. Energía para la vida. Tanto los organismos heterotróficos (“se alimentan de otros”) como los autotróficos (“se autoalimentan”) obtienen energía a partir de los compuestos alimentarios que los autótrofos producen por fotosíntesis. Convierten estos compuestos en glucosa y luego metabolizan la glucosa mediante glucólisis, fermentación y respiración celular. Tomado de (PURVES, SADAVA, ORIANS, 8, HELLER, 2006). CóHi206 + 602 — 6C0, + 6H20 En algunas células en condiciones anaerobias, el piruvato puede ser reducido por el NADH para formar lactato y regenerar el NAD' necesario para sostener la glucólisis. (fig. 7) En los eucariontes, la glucólisis y la fermentación tienen lugar en el citoplasma por fuera de la mitocondria; la oxidación del piruvato, el ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria operan en asociación con la mitocondria, En los procariontes, la glucólisis, la fermentación y el ciclo del ácido cítrico ocurren en el citoplasma; y la oxidación del piruvato y la cadena respiratoria operan en asociación con la membrana plasmática. La glucólisis es cuantitativamente la vía más importante de utilización de la glucosa en tipos celulares específicos como: a) eritrocitos, que carecen de la vía oxidativa aerobia; b) músculo esquelético, en especial durante el ejercicio intenso y, c) músculo cardíaco, en circunstancias de alteraciones de la perfusión, como por ejemplo en coronariopatías (CORDOVA, FERRER, MUÑOZ, 8. VILLAVERDE, 1996). El ácido láctico formado en la glucólisis se difunde libremente desde la célula y entra en el torrente sanguíneo, pero no puede experimentar transformación metabólica a no ser que sea convertido primero a piruvato. En consecuencia, el lactato se acumula en circunstancias en las que haya interferencia en la utilización del piruvato. 1.4.1 Glucólisis: de glucosa a piruvato La glucólisis es una vía de 10 reacciones catalizadas enzimáticamente localizadas en el citoplasma. Proporciona materiales de partida tanto para la respiración celular como para la fermentación (fig. 8). Las reacciones que invierten energía de la glucólisis usan dos ATP por molécula de glucosa y finalmente rinden dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. En las reacciones que producen energía, se generan dos moléculas de NADH y cuatro de ATP por fosforilación a nivel del sustrato. Se producen dos piruvatos por cada molécula de glucosa. (Véanse figuras 8 y 9). La estrategia de estos pasos iniciales de la glicolisis es atrapar la glucosa dentro de la célula y formar en compuesto que pueda escindirse fácilmente en unidades fosforiladas de tres carbonos (STRYER, BERG, €, TYMOCZKO, 2004). Figura 8. La glucólisis convierte la glucosa en piruvato. Diez enzimas, comenzando con la hexocinasa, catalizan diez reacciones, cada una en su turno. A lo largo de la vía se produce ATP (reacciones 7 a 10) y dos NAD* se reducen a NADH + H' (reacción 6). Tomado de (PURVES, SADAVA, ORIANS, € HELLER, 2006) 1.4.2 Oxidación del piruvato El complejo piruvato deshidrogenasa cataliza tres reacciones: 1) El piruvato es oxidado al energía es capturada cuando el NAD* se reduce a NADH + H', y 3) la energía restante (fig. 10). La represión de la glucólisis (conversión de la glucosa en ácido láctico) por el oxígeno se denomina “Efecto Pasteur” (SIERRA ARIZA, 1999). El efecto represor del oxígeno sobre el consumo de hidratos de carbono es una característica de la mayoría de los tejidos normales. Sobre la base de los conocimientos bioquímicos actuales, el significado metabólico del efecto Pasteur como mecanismo de ahorro se comprende fácilmente. Así, en ausencia de oxígeno, la fermentación de una molécula de glucosa da 2 moléculas de ATP en tanto que la oxidación de glucosa en presencia de oxígeno (Oxidación aerobia) da 30 a 32 moleculasde ATP GLUCÓLISIS Cea E 0 . Las primeras reacciones Estes reacciones sen la de la glucólisis son porción de la glucólis s que fememente endergónicas teosecta ene:gia” Gliceraldehído Hostato _NAD+ NAD* NE + 0 +0 Tres reacciones |. | exerconicas estan 100 E | asopladas ala radusción cal NAD* y ale sintesis de Are Cambio en energía libre. 4 (en kcalírmol) 150 Fri PITA 2 NADH +2 H* E Figura 9. Cambios en la energía libre durante In glucólisis. Cada reacción de la glucólisis cambia la energía libre disponible, como se ve por los diferentes niveles de energía de las series de reactivos y productos desde la glucosa al piruvato. Tomado de (PURVES, SADAVA, ORIANS, € HELLER, 2006) el ciclo de Krebs o del ácido cítrico. (STRYER, BERG, 8 TYMOCZKO, 2004) GLUCÓLISIS [exmación CEL rnuvaro] e AS 300 400 Cawrbis en energía bro, AGían kalmo!) $ 001 xaloncetato Figura 12. El ciclo de Krebs libera mucha más energía libre que la glucólisis. Los transportadores de electrones (NAD en la glucólisis; NAD y FAD en el ciclo de Krebs) son reducidos y se genera ATP en reacciones acopladas a otras reacciones que producen caídas importantes de la energía libre a medida que prosigue el metabolismo. Tomado de (PURVES, SADAVA, ORIANS, 8 HELLER, 2006) 1.4.4 Cadena respiratoria: electrones, bomba de protones y ATP El NADH + H' y el FAD, provenientes de la glucólisis, la oxidación del piruvato y el ciclo del ácido cítrico son oxidados por la cadena respiratoria, regenerando NAD* y FAD. La Mayor parte de las enzimas y otros transportadores de electrones de la cadena son parte de la membrana mitocondrial interna. El oxígeno (O.) es el aceptor final de los electrones y los protones, y forma agua (H20). El mecanismo quimioosmótico acopla el transporte de protones con la fosforilación oxidativa. A medida que los electrones se mueven a lo largo de la cadena respiratoria, activamente H' fuera de la matriz mitocondrial, estableciendo un gradiente tanto de concentración de protones como de carga eléctrica, la fuerza protón-motriz. La fuerza mitocondria a través de la proteína que forma el canal de membrana ATP sintetasa, que acopla esa difusión con la producción de ATP Varios experimentos clave demostraron que la quimioósmosis produce ATP. 1.4.5 Fermentación: ATP a partir de la glucosa pero en ausencia de O, Muchos organismos y algunas células viven sin O, obteniendo toda su energía de la glucólisis y la fermentación. En conjunto, estas vías oxidan parcialmente la glucosa y generan productos que contienen energía como el ácido láctico o el etanol. Las glucólisis (Véanse figuras 13 y 14). q. Glucólisis a 20D +20r 24458 (CóH;206) (CoH1206) qe e c=0 00 | 2NAD* UE ón Í 2 piruvato Reacciones de en, Reacciones de fermentación fermentación co, e 2 piruvato co, Í E Ho 1 1 on 2 etanol cn a. | 2tactato 2 acetaldehído Figura 13. Fermentación del ácido láctico y Fermentación alcohólica. B. (la base para la industria de bebidas alcohólicas), el piruvato proveniente de la glucólisis es convertido a acetaldehído y se ibera CO», El NADH + H* proveniente de la glucólisis actúa como agente reductor, reduciendo el acetaldehído a etanol. Tomado de (PURVES, SADAVA, ORIANS, 8 HELLER, 2006) 1.4.6 Comparación de los rendimientos energéticos Por ATP Por el contrario, la glucólisis que opera con la oxidación del piruvato, el ciclo de de glucosa. (FEDUCHI ANOSA, BLASCO CASTIÑEYRA, ROMERO MAGDALENA, €. YÁÑEZ CONDE, 2011) (fig. 14) 2 === La glucólisis produce 2 molécu- las de ATP par cada molécula de glucosa que ingresa en la vía GLUCÓLISIS aa El piruvalo puede continuar mediante las reacciones de la .) respiración celular o ingresar en a la fermentación 2 (HADH) 2 LACTATO (3 carbonos) o 2 etanol (2 carbonos) +2C0, Mitocondria 2(MADID += OXIDACIÓN DEL PIRUVATO > 2c0, 6 (NADA). => 4 CO, CICLO 1 DEL ÁCIDO es CAB CÍTRICO 2 (50m) CADENA RESPIRATORIA :Q SHO Figura 14. La respiración celular produce más energía que la glucólisi: Estas reacciones producen ATP a través de un mecanismo quimioosmótico. Tomado de (PURVES, SADAVA, ORIANS, € HELLER, 2006) Algunos aminoácidos Algunos aminoácidos lgur aminoácidos CÍTRICO Figura 15. Relaciones entre las principales vías metabólicas de la célula. Obsérvese el papel central de la glucólisis y del ciclo del ácido cítrico en esta red de vías metabólicas. Las vías anabólicas utilizan componentes intermediarios del metabolismo respiratorio para sintetizar grasas, aminoácidos y otros bloques esenciales de construcción para la estructura y la función celulares (fig. 15). 1.4.9 Regulación de las vías energéticas La velocidad de la glucólisis y del ciclo del ácido cítrico es incrementada o disminuida por las acciones del ATP, ADP, NAD* o NAD + H* sobre las enzimas alostéricas. La inhibición de la enzima glagolítica fosfofructocinasa por la abundancia de ATP proveniente de las fosforilación oxidativa demora la glucólisis. El ADP activa esta enzima, lo que acelera la glucólisis. La enzima del ciclo del ácido cítrico isocitrato deshidrogenasa es inhibida por el ATP y el NADH y activada por el ADP y el NAD*, (fig. 16).En la ruta de la glucólisis existen tres pasos importantes de regulación correspondientes con los tres pasos irreversibles y que están catalizados, respectivamente, por la hexoquinasa, la fosfofructoquinasa-1 y la piruvato quinasa. Estas enzimas están reguladas principalmente a través de una regulación alostérica que se esquematiza en la (fig. 16). (FEDUCHI ANOSA, BLASCO CASTIÑEYRA, ROMERO MAGDALENA, 8. YÁÑEZ CONDE, 2011) Fruclosa 6-ostaio | El ADP o ol AMP osti- s mulan la fosfofruoloci- ; í asa para que apere. | 1 con mayor velacidad_) 1 ELATP InhibeJa 'dosfofructocinasa El cítrado inhise + foslofructoci- El ATP o el NADH inhiben esta enzima Figura 16. Regulación de la glucólisis y ciclo del Krebs por retroalimentación. La retroalimentación controla la glucólisis y el cielo del ácido cítrico en pasos tempranos cruciales de estas vías, aumentando su eficacia e impidiendo la formación excesiva de intermediarios. Capítulo Il Marco Epistemológico 1. Aspectos bioquímicos de la actividad física, correlación de conceptos estructurantes del metabolismo del ejercicio 1.1 La aparición de la fisiología del esfuerzo La fisiología del esfuerzo es un, relativamente, recién llegado al mundo de la ciencia. Antes de finales del siglo XIX, el principal objetivo de los fisiólogos era obtener información de valor clínico. La reacción del cuerpo al ejercicio casi no recibía atención alguna. Aunque el valor de la actividad física regular era bien conocido a mediado del siglo XIX, la fisiología de la actividad muscular obtuvo poca atención hasta la última parte de dicho siglo. Algunos conceptos básicos de la bioquímica del ejercicio estaban emergiendo por aquellos tiempos, LaGrange (Femand LaGrange en 1889 escribió el primer libro de texto publicadosobre fisiología del esfuerzo, titulado Physiology of bodily exercise). Admitió con rapidez que muchos detalles estaban todavía en la fase de formación. Por ejemplo, declaró que: “...la combustión vital (el metabolismo energético) se ha complicado mucho últimamente; podemos decir que es un poco confusa y que es difícil hacer con pocas palabras un claro y conciso resumen de la misma es un capítulo de la fisiología que se está rescribiendo, y no podemos en estos momentos formular nuestras conclusiones”. (COSTILL € H., 2004) 1.2 El avance de la bioquímica y la energética de la contracción muscular A finales del siglo XVIIl Scheele descubrió el ácido láctico. Ya en 1807, Berzelius asoció la producción de ácido láctico con la contracción muscular. Posteriormente, hacia mediados del siglo XIX, DuBois-Reymond fue el primer fisiólogo en determinar la presencia de ácido láctico en la musculatura. Capítulo Il 32 oxígeno durante el ejercicio. Estos y otros investigadores proporcionaron la estructura básica para nuestra nuestra comprensión de la producción de energía de todo el cuerpo, que se convirtió en el centro de considerables investigaciones durante la mitad de este siglo, y que hoy se ha incorporado en sistemas basados en ordenadores usados para medir el consumo de oxígeno en laboratorios de fisiología del esfuerzo. 1.3.1 El Harvard Fatigue Laboratory Ningún otro laboratorio ha tenido tanto impacto en el campo de la fisiología del esfuerzo como el Harvard Fatigue Laboratory (HFL), fundado en 1927. La creación de este laboratorio se atribuye a la inteligente planificación del mundialmente famoso bioquímico Lawrence J. Henderson, que reconoció la importancia del estudio de la fisiología del movimiento humano con interés especial en los efectos de la tensión ambiental (tales como el calor y la altitud). Henderson no quería dirigir el programa de investigación personalmente, por lo que nombró a un joven bioquímico de la universidad de Stanford. David Bruce Dill, como primer director. A pesar de su poca experiencia en fisiología humana aplicada, el pensamiento creador y la habilidad de Dill para rodearse de científicos jóvenes y con talento creó un ambiente que sentaría las bases de la moderna fisiología del esfuerzo y del ambiente. Por ejemplo, el personal del HFL examinó la eventos tales como las carreras de fondo. Algunas de las investigaciones más destacadas del HFL no se llevaron a cabo en el laboratorio, sino en el desierto de Nevada, en el delta del Mississippi y en la montaña White de California (3.962 m de altitud). Estos y otros estudios proporcionaron la base para futuras investigaciones sobre el rendimiento físico y la fisiología humana. Son asombrosos los métodos tecnológicos empleados en los primeros días del HFL y el tiempo y la energía dedicados a las primeras investigaciones en sus primeros años, el HFL se había concentrado principalmente en problemas generales del ejercicio, la nutrición y la salud. Lo que ahora se consigue en pocos segundos con la ayuda de ordenadores y de analizadores automáticos exigía días de esfuerzo al personal del HFL. Las mediciones del consumo de oxigeno durante el ejercicio, por ejemplo, requerían recoger muestras de aire espirado que eran analizadas en lo referente al oxígeno y al dióxido de carbono usando un analizador químico operado manualmente (fig. 17). El Capítulo Il 33 varias personas del laboratorio. Actualmente, estas mediciones se llevan a cabo casi instantáneamente, con poco esfuerzo Figura 17. Las primeras mediciones de las respuestas metabólicas al ejercicio. Las primeras mediciones de las respuestas metabólicas al ejercicio. (a) requirieron la recogida del aire espirado en una bolsa sellada (bolsa de Douglas). (b) A continuación se medía el contenido de oxígeno y dióxido de carbono de una muestra de ese gas mediante un analizador químico de gases (aparato micro Sholander). (c) Se concluía con los cálculos finales mediante computación manual o con la ayuda de una regla de cálculo. (COSTILL €. H., 2004) 1.4 Fisiología contemporánea del esfuerzo y del deporte Muchos avances en la fisiología del esfuerzo deben atribuirse a mejoras en la tecnología. Por ejemplo, el desarrollo en los año sesenta de analizadores electrónicos para medir los gases respiratorios hizo que el estudio del metabolismo energético fuese mucho más fácil y productivo que antes. Esta tecnología y la radiotelemetría (que emplea señales radiotransmitidas). Usadas para controlar la frecuencia cardíaca y la temperatura corporal durante el ejercicio se desarrollaron como resultado del programa espacial de EE.UU. Aunque estos instrumentos redujeron el trabajo de la investigación, no alteraron la dirección de la misma. Hasta finales de los años sesenta. La mayoría de los estudio sobre la fisiología del esfuerzo se centraban en las reacciones de todo el cuerpo al Capítulo Il ejercicio. La mayoría de las investigaciones eran mediciones de variables tales como el consumo de oxígeno, la frecuencia cardíaca, la temperatura del cuerpo y la intensidad de la sudoración. Las respuestas celulares al ejercicio recibieron poca atención. A mediados de la década de 1960 aparecieron dos bioquímicos que iban a causar un gran impacto en el campo de la Fisiología del deporte. John Hollosz y de la Washington University (San Luis) y Charles "Tip" tipton de la Universidad de lowa emplearon por primera vez ratas y ratones para estudiar el metabolismo muscular y examinar los factores relacionados con el cansancio. Sus publicaciones y la preparación de licenciados y doctorados han traído consigo un en foque más bioquímico de la investigación sobre la fisiología del deporte. Aproximadamente, en la misma época en que Bergstrom reintrodujo el procedimiento de la aguja para biopsias, surgió una nueva promoción de fisiólogos del esfuerzo, bien adiestrados como bioquímicos. En Estocolmo, Bengt Saltin comprendió el valor de este procedimiento para estudiar la estructura y la bioquímica muscular. Primero colaboró con Bergstrom a finales de los años sesenta para estudiar los efectos de la dieta sobre la resistencia y la nutrición muscular. En aquellos días, Reggie Edgerton (Universidad de California. Los Ángeles) y Phil Gollnick (Universidad Estatal de Washington) estaban usando ratas para estudiar las características de fibras musculares individuales y sus re- acciones al entrenamiento. Saltin combinó sus conocimientos del procedimiento de la biopsia con el talento bioquímico de Gollnick. Estos investigadores fueron los responsables de muchos de los primeros estudios sobre las características de las fibras musculares humanas y su uso durante el ejercicio. Aunque muchos bioquímicos han usado el ejercicio para estudiar el metabolismo, pocos han tenido más impacto sobre la dirección actual de a fisiología y bioquímica del esfuerzo humano que Bergstrom, Saltin y Gollnick. 1.5 Utilización de Ergómetros Cuando en un estudio de laboratorio se valoran las reacciones fisiológicas al ejercicio, el esfuerzo físico del participante debe controlarse para proporcionar un ritmo de esfuerzo constante y conocido. Esto se logra generalmente usando ergómetros. Un ergómetro (ergo = trabajo; meter = medida) es un instrumento para hacer ejercicio que permite Capítulo II 2. Integración Conceptual de aspectos bioquímicos de la glucólisis y el ciclo de Krebs con el ejercicio 2.1 La energía del esfuerzo físico En realidad, (trifosfato de adenosina) En efecto, esta molécula actúa como “moneda de intercambio” del metabolismo energético en la medida en que se utiliza los movimientos moleculares que provocan la contracción de las fibras musculares. Su hidrólisis en ADP (difosfato de adenosina) puede proporcionar 30,5 kJ-mol* en condiciones normales: ATP +H20 -— ADP + Pi + energía libre (30,5 kJ-mol*) Siendo Pi el fosfato inorgánico. En el medio celular donde la concentración en ¡ones magnesio es elevada, el ATP está, la mayoría de las veces, combinado con este ion bajo la forma de un complejo MgATP” complejo que representa la forma activa. (LACOSTE € RICHARD, 1995) 2.2 Los orígenes del ATP en el músculo Clásicamente se diferencia cuatro grandes reacciones químicas intracelulares de síntesis de ATP en los miocitos. Estos procesos regeneradores de ATP entran en acción según Capítulo I1l 38 las características del esfuerzo (intensidad, duración) y pueden sucederse durante el desarrollo de un ejercicio como se aprecia en la siguiente figura; Potencia (W) 90 70 Gastos energéticos 50 DON 30 Glucólisis anaeróbica CA Glucólisis y 10 lipólisis aeróbica > to" 60m 2 to 30 120 Tiempo Figura 18. Procesos de producción de energía. Actuación secuencial de tres procesos de producción de energía según la duración y la potencia de un ejercicio muscular. Tomado de (LACOSTE €. RICHARD, 1995) 2.3 Capacidades condicionales del movimiento humano, aspectos musculares Esta breve reseña tiene como objetivo recordar brevemente, algunas nociones elementales de biología necesarias en la comprensión de las bases teóricas de las capacidades condicionales del movimiento humano en el ejercicio. Capítulo I1l 39 La contratación muscular consume energía, cuyo gasto aumenta notablemente en relación con la intensidad, la duración y la cantidad de contracciones realizadas en el músculo tienen lugar transformaciones de energía química en mecánica y todo ello debe ocurrir en condiciones ambientales, igual que las celulares que no pueden variar más allá de ciertos limites para no provocar alteraciones irreversibles. (MANNO, 1991) El músculo está dotado de un conjunto de sistemas biológicos de autorregulación que comprenden los enzimas, que permiten realizar complejas reacciones químicas a temperaturas constantes con pequeñas variaciones de la acidez y otros parámetros químicos Los enzimas permiten realizar reacciones con liberación de energía para la contracción muscular y otros procesos necesarios para la vida, en particular, en la actividad física éstos facilitan la utilización de reservas energéticas tan características de velocidad de producción y de duración diversas, según la necesidad, como en las relativas al deporte, en sus diversas disciplinas o al trabajo. La más importante de estas reservas energéticas es un compuesto químico el ATP, que es el único que puede ceder energía para la contracción muscular y, en general, a la célula. El ATP se escinde en ADP + Pi + energía; esta reacción es reversible y existe por tanto la posibilidad de que a partir de los compuestos de la escisión se vuelva al ATP, la reacción en este sentido esta condicionada por la disponibilidad de energía “de resíntesis”. El ATP es resintetizado a partir de tres tipos de sustancia, dos de ellas son de origen alimentario, la tercera es la fosfocreatina (PCr). De origen alimentario son las grasas y los hidratos de carbono o azucares. No obstante el ATP, fuente inmediata de energía, esta disponible en cantidades reducidas, por lo que en relación a la intensidad tiende a agotarse en pocos segundos, para su reciclaje interviene la fosfocreatina, que es un compuesto muy similar al ATP, que libera la energía disponible hasta que, por existir también en cantidades reducidas, tiende a agotarse. Casi simultáneamente se recurre a la producción de energía de resíntesis a través de empleo de azúcares, los cuales están disponibles en buenas cantidades. Los azúcares (glucógeno descompuesto en glucosa) liberan energía disgregándose en dos moléculas de ácido láctico por cada molécula de glucosa (glucólisis anaerobia).