METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO

Hidratos de Carbono: INTRODUCCIÓN

Los tres monosacáridos básicos de importancia en la nutrición humana son: glucosa, fructosa y galactosa. La glucosa es productos de la digestión de los almidones. En el metabolismo humano, todas las azúcares simples se convierten en glucosa. La glucosa es el hidrato de carbono circulante en nuestra sangre. La fructosa es la más dulce de las azúcares simples, y se encuentra predominantemente en frutas y sustancias naturales como la miel. La fructosa se ha utilizado ampliamente como endulzante en la industria de alimentos. La galactosa se produce de la digestión de la lactosa, el mayor hidrato de carbono en la leche.

Digestión

La mayoría de los hidratos de carbono deben de convertirse a glucosa para poder ser utilizados en la producción de energía. La digestión de los hidratos de carbono se inicia en la boca con la masticación y la acción de la amilasa salival, la cual convierte el almidón en dextrinas y maltosa. Sucesivamente, las contracciones peristálticas del estómago mueven el alimento hacia la parte inferior del estómago hacia el intestino delgado, donde la amilasa pancreática (que continua digiriendo el almidón a maltosa) y las disacaridasas intestinales (sacarasa, maltasa, y lactasa continúan la digestión a fructosa, glucosa y lactosa) Los monosacáridos, productos de la digestión de los hidratos de carbono, son absorbidos a la circulación portal.

Absorción

La glucosa es el hidrato de carbono que se absorbe en mayor proporción (80%), y la galactosa y fructosa constituyen una cantidad menor (20%). El cuerpo rápidamente absorbe y transporta los azúcares simples (monosacáridos), los cuales ingresan a la circulación portal a través de las vellocidades intestinales por medio de transportadores específicos (SGLT-1 y GLUT-5) y se dirigen hacia el hígado.

En el hígado, la fructosa y galactosa se convierten en glucosa, la cual es utilizada inmediatamente para la generación de energía ó almacenada en forma de glucógeno.

El hígado puede almacenar aproximadamente un 5% de su masa en forma de glucógeno, lo que puede ser convertido a glucosa para la producción de energía.

Utilización Periférica de la Glucosa

La glucosa entra a los tejidos a través de una familia de transportadores de glucosa ( GLUTs). Existen 5 tipos diferentes de GLUTs. El GLUT-4 se encuentra primordialmente en el músculo esquelético y el tejido adiposos café y se diferencia principalmente de los otros GLUTs en que es

estimulado por la insulina. Los otros GLUTs no requieres de la presencia de insulina para el transporte de glucosa. El GLUT-1 y GLUT-3 son responsables por el transporte de glucosa en la mayoría de los tejidos y se encuentra en el cerebro, riñón, placenta, eritrocitos y tejido fetal. El GLUT-2 existe principalmente en el hígado y páncreas, y el GLUT5 es responsable del transporte de la fructosa en el intestino delgado.

Metabolismo de Glucosa en diversos tejidos

Eritrocitos. Después de penetrar la membrana plasmática mediante el transporte de glucosa por el GLUT-1, la glucosa se metaboliza principalmente por la glicólisis. Los eritrocitos carecen de mitocondrias y el producto final es el lactato, que se libera en la sangre.

Cerebr y sistema nervioso. El cerebro toma glucosa de la sangre mediante la proteína GLUT -1 Y GLUT-3, independiente de insulina. La glicólisis da lugar a piruvato el cual después ingresa al ciclo de Krebs para su oxidación a CO2 y H2O.

Células del músculo y del corazón. Estas células utilizan rápidamente la glucosa. La insulina estimula el transporte de la glucosa hacia estas células mediante la proteína transportadora de glucosa GLUT-4. Dentro de estas células, la glucosa se utiliza para dar lugar al piruvato, y posteriormente oxidarse completamente.

En el miocardio, los procesos metabólicos transcurren de manera similar al músculo esquelético, aunque no hay glicólisis anaerobia en condiciones fisiológicas. El miocardio puede utilizar lactato como combustible, gracias a su isoenzima lactato deshidrogenasa

Al contrario que los tejidos mencionados anteriormente, el músculo y el corazón pueden sintetizar cantidades significativas de glucógeno, proceso muy importante en estas células.

Tejido adiposo. En el tejido adiposo también se transporta la glucosa mediante la proteína GLUT-4, dependiente de la insulina. El destino principal de la glucosa en el tejido adiposo es la transformación a triglicéridos por medio de la generación de piruvato obtenido por la glicólisis, el cual se oxida por la piruvatodeshidrogenasa para dar acetil-CoA, en este caso utilizado para la síntesis de ácidos grasos. Este destino es cuantitativamente más importante que la producción de energía.

Hígado. La toma de glucosa se realiza por una proteína transportadora de glucosa, GLUT-2. El hígado tiene el número mayor de rutas para la utilización de la glucosa:

1) Metaboliza la fructosa y la galactosa , convirtiéndolas en derivados de glucosa o intermediarios de la glicólisis,2) Almacena el exceso de glucosa como glucógeno para poder proporcional glucosa al resto de los tejidos en los períodos interdigestivos (glucogenogénesis-glucogenolisis)3) Convierte la glucosa en triglicéridos para enviarlos a los demás tejidos en forma de VLDL (lipogénesis)4) Sintetiza aminoácidos no esenciales a partir de intermediarios glucolíticos y del ciclo de Krebs

5) Sintetiza glucosa a partir de sustratos no glucídicos (gluconeogéneis de tres carbonos, como el lactato, el piruvato, el glicerol o la alanina, por el proceso denominado de la gluconeogénesis, para poder proporcionar glucosa para otras células en situación de ayuno. 6) Sintetiza ribosa fosfato a través de la ruta de las peontosas, esencial para la síntesis de ARN Y ADN. 7) El hígado también realiza la glicolisis, siendo el piruvato producido utilizado para la formación de acetil-CoA para el ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos.

Riñón: Presenta un trasportador de glucosa no dependiente de insulina, Glut -1. La médula renal es glucolítica (es un tejido con poca irrigación y por lo tanto poco oxígeno), mientras que la corteza renal es capaz de realizar la gluconeogénisis, que puede contribuir a mantener la glicemia en caso de acidosis metabólica.

Otros Tejidos:

- Cristalino del Ojo: utiliza la glucosa como combustible exclusivo. La utilización es anaerobia ya que no cuenta con mitocondrias debido al as necesidades fisiológicas de transparencia.

- La glándulas mamarias son capaces de sintetizar lactosa durante lactogénesis.

Ciclo Cori

El Ciclo de Cori es la circulación cíclica de la glucosa y el lactato entre el músculo y el hígado. Tanto el músculo como los eritrocitos (glóbulos rojos) oxidan la glucosa y forman lactato que se re-sintetiza en glucosa al llegar al hígado. Esta glucosa re-sintetizada entra a la circulación nuevamente para ser utilizada por los tejidos.

En el caso del tejido adiposo, las células hidrolizan las grasas (acilglicerol) y forman glicerol que no pude metabolizarse en el adiposito. El glicerol se difunde a través de la célula y entra a la circulación para llegar al hígado y al riñón donde se convierte nuevamente en glucosa.

METABOLISMO ENERGÉTICO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO

Después de su absorción, los monosacáridos viajan por la circulación portal al hígado dónde el la fructosa y galactosa se convierten en glucosa, la cual puede seguir los siguientes caminos: generación de energía ó almacenada en forma de glucógeno.

Metabolismo de la Galactosa y Fructosa

La fructosa y galactosa entran a la vía glucolítica a través de su conversión a sus compuestos intermediarios. Esto ocurre principalmente en el hígado, y como resultado, estos dos monosacáridos generalmente no se encuentran disponibles en la circulación sanguínea. Los productos finales de la catálisis de estos monosacáridos son similares a la glucosa, sin embargo, cuando son absorbidos, ellos no presentan la misma respuesta hormonal como la glucosa.

La galactosa se convierte en el hígado a Galactosa 1-P, enlazando con el metabolismo del glucógeno y la glicólisis. La fructosa se convierte en Fructosa 1-P y posteriormente se incorpora a la vía glicólítica a nivel de las tirosas fosfato.

El hígado es capaz de metabolizar azúcares o derivados de azúcares. El caso más corriente es l sorbitol, el cual es un polialcohol derivado de la glucosa utilizado como edulcorante. Aunque su absorción es baja, puede llegar a absorberse si se consume en altas cantidades llegando al hígado donde se transforma en fructosa por la acción de la sorbitol deshidrogenasa.

Glucosa

El metabolismo de la glucosa puede dividirse en dos partes: la conversión anaeróbica de la glucosa a piruvato, conocida también como glicólisis, y la conversión aeróbica del piruvado a dióxido de carbono y agua, que involucra el ciclo del ácido tricarboxílico ó ciclo de Krebs y la cadena transportadora de electrones.

La Glicolisis, es una serie de pasos enzimáticos que llevan a la degradación de una molécula de glucosa para producir 2 moléculas de piruvato. La Glicólisis ocurre en el citosol celular, y todas las células humanas son capaces de este proceso. Sin embargo, la mayor parte de la glicolisis ocurre en el hígado, músculo y tejido adiposos.

El destino del piruvato es determinado por el tipo de célula y la disponibilidad de oxígeno. En la ausencia de oxígeno, el piruvato es reducido a lactato en el citosol. Esto ocurre en el músculo cuando se encuentra bajo actividad rigurosa y la demanda de energía es alta. En aquellas células que no tienen mitocondria, como los eritrocitos, la glicolisis es el único mecanismo para la producción de energía. En presencia de oxígeno, el piruvato se convierte en Acetil Coenzima A (Acetil-CoA) en la mitocondria ingresando así al ciclo del ácido tricarboxílico ó Krebs y subsecuentemente a la cadena de transporte de electrones. Como resultado, el piruvato se oxida

Producción de Glucosa en el Hígado y Riñón: Gluconeogénesis

La gluconeogénesis es la biosíntesis de glucosa a partir de precursores como el piruvato, lactado y otros. No es una ruta reversa de la glicólisis, ya que muchos de los pasos de la glicólisis son irreversibles. La gluconeogénesis ocurre principalmente en el hígado y en el riñón. Estos tejidos contienen enzimas para la gluconeogénisis y, además, contienen la enzima glicerol-kinasa, la cual permite al glicerol ingresar a la ruta gluconeogénica. Es de vital importancia que el organismo sintetice glucosa para aquellos tejidos que no son capaces de sintetizarla. En los humanos, la reserva de glucógeno puede sostener la glicemia del organismo por 18 horas sin la ingesta de hidratos de carbono. Posterior a este período, el hígado debe de producir glucosa para ser transportada a otros órganos. El hígado es el principal contribuidor de la gluconeogénisis (90%) mientras que el riñón contribuye a mucha menor escala (10%)

Glucogenolisis: Utilización del Glucógeno

El glucógeno es un polímero de glucosa ramificado, el cual contiene hasta 100 000 unidades de glucosa. La cantidad de hidrato de carbono ingerido en la dieta influencia la cantidad de glucógeno almacenado. El hígado y el músculo son los principales órganos que almacenan glucógeno. La regulación del metabolismo del glucógeno se ejecuta a través de las dos enzimas; la glucógeno sintetasa que participa en su síntesis, y la glucógeno fosforilasa en la degradación.

La degradación del glucógeno para la producción de glucosa es conocida como glucogenolisis. La degradación del glucógeno se inicia en las terminaciones de sus ramificaciones liberando glucosa 1-fosfato, la cual bajo la acción de la fosfoglucomutasa se convierte a glucosa 6-fosfato. El hígado contiene la enzima glucosa 6-fosfatasa para la hidrólisis de la glucosa 6-fosfato, lo que le permite liberar la glucosa al torrente sanguíneo, convirtiendo al glucógeno hepático en la principal fuente de glucosa, sobre todo en períodos de ayuno. Por el contrario, el músculo no contiene la enzima glucosa 6-fosfatasa, por lo que la glucosa-6-fosfato entra a la vía glucolítica para la producción de energía.

A continuación se presenta el mapa metabólico donde se destacan las vías o rutas metabólicas descritas.

REGULACIÓN DE LA GLICEMIA

La regulación de los niveles de glucosa es uno de los principales aspectos de la homeostaissi en los seres superiores. La glucosa es combustible fundamental de los tejidos periféricos y el nutriente energético casi exclusivo del sistema nervioso central en situaciones fisiológicas, aunque puede adaptarse a niveles más bajos o incluso utilizar cuerpos cetónicos si esta adaptación es lenta. Dada la importancia de la glucosa, el organismo dispone de mecanismos muy sensibles para evitar la hipoglicemia.La glicemia normal en una persona adulta varía entre 70 a 105 mg/dl. Es la sustancia más regulada en el organismo. Las hormonas tienen un papel regulador (activa ó inhiben) de las enzimas específicas que catalizan las rutas ó vías metabólicas.

Glicemia. Regulación Hormonal

Hormona Hipoglicemiante: Insulina

La insulina es un polipéptido producido por las células beta de los islotes de Langerhans en la porción exócrina del páncreas. La insulina constituye la hormona más importante en la coordinación de la utilización de fuentes energéticas en los tejidos. Los niveles de glucosa en la sangre controlan la liberación de insulina. Los niveles bajos de glucosa (hipoglicemia) inhiben la liberación de insulina mientras que el aumento de la glicemia activa su producción y liberación.

Cuando se ingiere alimentos, la glucosa es liberada al torrente sanguíneo como resultado de la hidrólisis de los hidratos de carbono en el intestino delgado y su absorción hacia la sangre. El incremento en la concentración de glucosa sanguínea estimula la producción y secreción de insulina por el páncreas. La insulina promueve la transferencia de la glucosa hacia las células blanco (músculo esquelético, hígado, y tejido adiposo) para ser utilizada para la producción de energía y para su almacenamiento en forma de glucógeno, principalmente en el hígado.

La insulina también estimula la glicólisis e inhibe la gluconeogenisis y reduce la liberación de precursores gluconeogénicos (aminoácidos). El ayuno resulta en una disminución de la concentración de insulina y reducción de la utilización de glucosa por el músculo y el tejido adiposo. De esta forma, la glucosa circulante se mantiene disponible para el cerebro, eritrocitos y médula renal, que dependen fuertemente de la glucosa para la producción de energía.

Mecanismo Periférico de la Insulina

La insulina se une a receptores altamente afines que se encuentran en la membrana celular de varios tejidos como el hígado, músculo y tejido adiposo. Este es el primer paso que lleva a diversas acciones biológicas.

En los tejidos del músculo, corazón y tejido adiposo, la insulina recluta transportadores GLUT-4 para el transporte de la glucosa hacia la célula.

Acciones de la Insulina:Estimula la captación de Glu por células musculares y adipocitos a través de la activación de GLUT-4Estimula la síntesis de glucógeno en hígado y músculo (glucogenogenesis)Estímulo de la lipgénesis en hígadoEstímulo de lipogénesis e inhibición de la lipolisis en tejido adiposoCampatción de aminoácidos y síntesis protéica e inhibición de proteólisis en músculoInhibición de la gluconeogénesis

Hormonas Hiperglicemiantes

Glucagón

El glucagón es una hormona secretada al torrente sanguíneo por las células alfa del páncreas en respuesta a los niveles bajos de glucosa. El glucagón es el antagonista principal de la insulina, y su principal papel es el estimular la liberación de glucosa hepática y mantener los niveles de glicemia estables.

El glucagón estimula la glucogenolisis al activar la glucógeno fosforilasa e inhibir la síntesis de glucógeno al inactivar la enzima glucógeno sintetasa. Además, el glucagón estimula la gluconeogenesis e inhibe la glicolisis. En el hígado, el glucagón estimula la gluconeogenesis y la lipolisis, resultanto en el incremento de la concentración de ácidos grasos libres y glicerol.

Catecolaminas: Epinefrina y Norepinefrina

La Epinefrina y norepinefrina son catecolaminas que tiene un efecto regulador en el metabolismo de los hidratos de carbono. Durante el ayuno, las catecolaminas estimulan la gluconeogenesis y la glucogenolisis en el hígado como resultado de la liberación de glucagón estimulado por la epinefrina. Las catecolaminas normalmente no juegan un papel central en la regulación de la glicemia durante el ayuno, pero previenen la hipoglicemia cuando la liberación de glucagón es baja.

Glucocorticoides: Cortisol

El cortisol es el principal glucocorticoide y estimula la liberación de la glucosa hepática y estimula las enzimas gluconeogénicas estimulando así la gluconeogenesis. El cortisol tiene una acción sobre la glucosa hepática mucho más lenta que el glucagón ó las catecolaminas.

Hormona del Crecimiento

Como el cortisol, la hormnoa del crecimiento (HGH) incrementa la producción de glucosa hepática al promover las enzimas gluconeogenicas. La acción de la hormona del crecimiento también actúa de forma muy lenta sobre la glicemia.

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