Metabolismo de Carbohidratos: Vías Bioquímicas Clave y Regulación Energética

1. Digestión y Absorción de Carbohidratos

1.1. Digestión de Carbohidratos

Los carbohidratos complejos (polisacáridos, disacáridos y oligosacáridos) se digieren hasta convertirse en monosacáridos (glucosa, galactosa, fructosa) gracias a enzimas como la maltasa, lactasa, sacarasa, trehalasa y dextrinasa.

1.2. Absorción Intestinal de Monosacáridos

La absorción ocurre principalmente en el yeyuno e íleon, donde las células intestinales (enterocitos) absorben los monosacáridos por diferentes métodos:

• SGLT1 (transporte activo): La glucosa y galactosa entran junto a iones sodio (Na⁺).
• GLUT5 (difusión facilitada): Facilita la entrada de fructosa.
• GLUT2 (membrana basolateral): Permite que todos los monosacáridos (glucosa, galactosa, fructosa) salgan del enterocito y entren al torrente sanguíneo.

1.3. Transporte de Glucosa a los Tejidos

Una vez en la sangre, la glucosa es transportada a distintos tejidos del cuerpo gracias a las proteínas transportadoras de glucosa (GLUT).

2. Glucólisis: La Ruta Central del Metabolismo de la Glucosa

La glucólisis es la vía metabólica que degrada la glucosa para obtener energía.

2.1. Fases de la Glucólisis

Fase Preparatoria (Gasto de Energía)

• Aquí la célula gasta 2 ATP para fosforilar y preparar la glucosa.
• La glucosa se convierte en fructosa-1,6-bisfosfato, que luego se divide en dos triosas fosfato: Gliceraldehído-3-fosfato (G3P) y Dihidroxiacetona fosfato (DHAP). La DHAP se isomeriza rápidamente a G3P, por lo que, a partir de este punto, se procesan dos moléculas de G3P.

Fase de Rendimiento Energético (Producción de Energía)

Cada molécula de G3P genera:

• 2 ATP (por fosforilación a nivel de sustrato).
• 1 NADH (poder reductor).

Considerando que una molécula de glucosa produce dos moléculas de G3P, el balance neto de la glucólisis es de 2 ATP y 2 NADH por cada molécula de glucosa.

2.2. Glucólisis Aeróbica vs. Anaeróbica

• Glucólisis Aeróbica (con oxígeno): El piruvato, producto final de la glucólisis, se convierte en Acetil-CoA y entra en el Ciclo de Krebs para producir mucha más energía a través de la fosforilación oxidativa.
• Glucólisis Anaeróbica (sin oxígeno): El piruvato se convierte en lactato (fermentación láctica). Este proceso genera menos energía (solo los 2 ATP netos de la glucólisis), pero permite que la célula siga funcionando temporalmente al regenerar NAD⁺, necesario para que la glucólisis continúe.

2.3. Enzimas Clave y Pasos Importantes de la Glucólisis

1. Hexoquinasa: Fosforila la glucosa, atrapándola dentro de la célula.
2. Fosfofructoquinasa-1 (PFK-1): Es el paso regulador más importante de la glucólisis.
3. Piruvato quinasa: Cataliza la formación de piruvato y produce ATP en el último paso de la glucólisis.

3. Gluconeogénesis: Síntesis de Glucosa Nueva

3.1. ¿Qué es la Gluconeogénesis?

Es el proceso anabólico (de construcción) mediante el cual el cuerpo forma glucosa nueva a partir de compuestos que no son carbohidratos. Es especialmente importante para órganos como el cerebro, músculo, glóbulos rojos y riñón, que necesitan un suministro constante de glucosa.

3.2. Sustratos Principales de la Gluconeogénesis

Los principales precursores utilizados para formar glucosa son:

• Lactato
• Aminoácidos glucogénicos (como la alanina)
• Glicerol (es decir, proviene del metabolismo de los lípidos)

3.3. Localización de la Gluconeogénesis

Este proceso ocurre principalmente en:

• Hígado
• Corteza renal (riñón)

3.4. Relación con la Glucólisis: El Ciclo de Cori

El Ciclo de Cori es una colaboración metabólica entre el músculo y el hígado:

• El músculo, bajo condiciones anaeróbicas (ejercicio intenso), convierte la glucosa en lactato (vía glucólisis anaeróbica).
• El lactato viaja por la sangre hasta el hígado, que lo convierte de nuevo en glucosa (vía gluconeogénesis).
• Esa glucosa puede regresar al músculo para ser utilizada como fuente de energía.

4. Metabolismo del Glucógeno: Almacenamiento y Liberación de Glucosa

4.1. ¿Qué es la Glucogénesis?

Es el proceso de formación de glucógeno a partir de glucosa. Es la forma en que el cuerpo «ahorra energía» para su uso posterior.

4.2. ¿Qué es la Glucogenólisis?

Es la degradación del glucógeno para liberar glucosa cuando el cuerpo la necesita.

4.3. Localización de la Glucogenólisis

• En el hígado: Libera glucosa a la sangre para mantener la glucemia.
• En el músculo: Usa la glucosa liberada para su propio consumo energético.

4.4. Pasos Clave de la Glucogenólisis

1. El glucógeno se rompe con la ayuda de la enzima glucógeno fosforilasa, liberando glucosa-1-fosfato.
2. La glucosa-1-fosfato se convierte en glucosa-6-fosfato.
3. En el hígado, la enzima glucosa-6-fosfatasa convierte la glucosa-6-fosfato en glucosa libre, que puede ser liberada a la sangre. Esta enzima no está presente en el músculo.

5. Regulación Hormonal del Metabolismo del Glucógeno

Ambos procesos (glucogénesis y glucogenólisis) están finamente regulados por hormonas para mantener la homeostasis de la glucosa.

Esta regulación asegura que el cuerpo mantenga una glucemia (nivel de glucosa en sangre) adecuada, adaptándose según el estado de ayuno o alimentación.

6. Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico): El Corazón de la Producción Energética Aeróbica

El Ciclo de Krebs es clave para sacar el máximo provecho energético al piruvato que viene de la glucólisis.

6.1. Localización y Función del Ciclo de Krebs

Tiene lugar en la matriz mitocondrial y su función principal es oxidar el Acetil-CoA para producir:

• 3 NADH
• 1 FADH₂
• 1 GTP (que equivale a ATP)
• 2 CO₂

Todo esto por cada vuelta del ciclo. Como por cada molécula de glucosa obtenemos 2 Acetil-CoA (vía piruvato), en total se duplica esta producción por molécula de glucosa.

6.2. Principales Pasos del Ciclo de Krebs

1. El Acetil-CoA se une con el oxalacetato para formar citrato.
2. A través de una serie de reacciones, el citrato se va transformando en otros compuestos como isocitrato, α-cetoglutarato, succinil-CoA, succinato, fumarato, malato, y finalmente oxalacetato otra vez, regenerando el sustrato inicial.
3. En cada etapa se van liberando CO₂ y generando NADH, FADH₂ y GTP.

6.3. Enzimas Clave del Ciclo de Krebs

Las enzimas más importantes incluyen:

• Citrato sintasa
• Isocitrato deshidrogenasa
• α-cetoglutarato deshidrogenasa
• Succinil-CoA sintetasa
• Succinato deshidrogenasa

7. Cadena de Transporte de Electrones y Fosforilación Oxidativa: La Mayor Producción de ATP

Los NADH y FADH₂ generados en la glucólisis y el Ciclo de Krebs entran en la cadena respiratoria (otro proceso en la mitocondria) para producir la mayor parte del ATP celular.

7.1. ¿Qué es la Cadena de Transporte de Electrones?

Es un conjunto de proteínas ubicadas en la membrana interna de la mitocondria que transportan electrones desde NADH y FADH₂ hasta el oxígeno, generando una gran cantidad de ATP.

7.2. Etapas Clave de la Fosforilación Oxidativa

1. Los electrones de NADH y FADH₂ pasan por complejos proteicos (I al IV), liberando energía.
2. Esa energía se utiliza para bombear protones (H⁺) desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana.
3. Se crea un gradiente electroquímico de protones (como un embalse de energía).
4. Los protones regresan a la matriz a través de la ATP sintasa, y en ese paso se genera ATP: este proceso se conoce como fosforilación oxidativa.

7.3. Rendimiento de ATP por NADH y FADH₂

• Cada NADH genera aproximadamente 2.5 a 3 ATP.
• Cada FADH₂ genera aproximadamente 1.5 a 2 ATP.

7.4. El Rol del Oxígeno

El oxígeno actúa como el aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones, formando agua (H₂O). Sin oxígeno, la cadena se detiene y la producción aeróbica de ATP cesa.

8. Metabolismo de Carbohidratos en Rumiantes: Una Adaptación Única

Estos animales tienen una digestión muy diferente a la de los monogástricos.

8.1. ¿Por Qué es Distinto el Metabolismo en Rumiantes?

El metabolismo de los rumiantes es particular porque su dieta es rica en fibra vegetal (celulosa, hemicelulosa), y ellos no tienen enzimas propias para digerir estos carbohidratos complejos. Dependen de microorganismos que viven en su aparato digestivo, especialmente en el rumen, donde los digieren.

8.2. Digestión en el Rumen: Formación de Ácidos Grasos Volátiles (AGV)

En el rumen, bacterias y protozoarios fermentan los carbohidratos para formar ácidos grasos volátiles (AGV), que son la fuente principal de energía para estos animales. Los tres principales AGV son:

Además, se produce gas metano y CO₂, que el animal elimina mediante eructos.

8.3. ¿Cómo Obtienen Glucosa los Rumiantes?

Al no absorber mucha glucosa directamente, el propionato se vuelve crucial:

1. Se absorbe desde el rumen.
2. Llega al hígado.
3. Se convierte en glucosa por gluconeogénesis.

Esto permite a los rumiantes mantener la glucemia y alimentar tejidos como el cerebro, que dependen de la glucosa.

9. Regulación Integrada de Glucólisis y Gluconeogénesis

9.1. Principios de Regulación

Estos dos caminos son opuestos, por lo que el cuerpo debe asegurarse de que no estén activos al mismo tiempo para evitar gastar energía inútilmente. Esto se logra mediante una compleja regulación por enzimas clave y hormonas.

9.2. Enzimas Clave Involucradas en la Regulación

9.3. Mecanismos de Regulación Enzimática

Estas enzimas se regulan mediante:

• Moléculas señal, como AMP, ATP, citrato, etc., que indican el estado energético de la célula.
• Fructosa-2,6-bisfosfato (F2,6-BP), que es un regulador muy potente:
  • Activa la glucólisis.
  • Inhibe la gluconeogénesis.

9.4. Regulación Hormonal Específica

9.5. Respuesta al Estado Nutricional

Esta compleja regulación permite al cuerpo responder al estado nutricional:

• En ayuno: El glucagón domina, promoviendo la producción de glucosa (gluconeogénesis y glucogenólisis).
• Después de comer: La insulina es la hormona principal, promoviendo el almacenamiento y uso de glucosa (glucólisis y glucogénesis).

10. Rutas Alternativas de Monosacáridos en la Glucólisis

10.1. Incorporación de Otros Monosacáridos a la Glucólisis

El cuerpo tiene enzimas específicas que convierten otros azúcares, como la fructosa, galactosa y manosa (que provienen de alimentos como frutas, lácteos o legumbres), en intermediarios de la glucólisis para que puedan ser metabolizados.

• Galactosa:
  1. La galactosa se convierte en Galactosa-1-fosfato.
  2. Luego se transforma en Glucosa-1-fosfato y posteriormente en Glucosa-6-fosfato, que entra directamente en la glucólisis. Este proceso requiere varias enzimas, incluida la uridiltransferasa.
• Manosa:
  • Se convierte en manosa-6-fosfato y luego en fructosa-6-fosfato, ¡listo para la glucólisis!