UNIDAD DE MEDICINA FISICA Y REHABILITACION REGION NORTE

IMSS

MODULO: EJERCICIO

TEMA: METABOLISMO BASALPRESENTA: DRA. VILLAR VAZQUEZ YAZMIN S.

COORDINADOR. DRA. DULCE.

INTRODUCCION

Los seres vivos intercambiamos energía con el medio. La energía la obtenemos de los alimentos y la empleamos para realizar todas nuestras funciones, aunque parte de esta se disipa como calor en el medio. La cantidad de energía recibida por el medio (en forma de luz o moléculas que al oxidarse liberan energía) es igual a la cantidad de energía usada para las funciones de la célula más la cantidad de energía disipada. De acuerdo a las leyes de la termodinámica, la calidad de la energía recibida es diferente a la disipada, la que se recibe es útil para realizar un trabajo, no así la que se disipa en forma de calor. En los seres vivos también se cumple la segunda ley de la termodinámica, que establece que los sistemas tienden espontáneamente a un estado de equilibrio, situación de máxima estabilidad (entropía), en la cual la capacidad del sistema para efectuar un trabajo es mínima.

Metabolismo. El metabolismo es la suma de todas las reacciones químicas efectuadas en la célula, es una actividad celular altamente coordinada, con intencionalidad, orientación (vectorial) en la que intervienen múltiples sistemas enzimáticos y en la cual se intercambia energía y materia con el medio ambiente.

El metabolismo tiene cuatro funciones específicas, que son:

1) Obtener energía química (ya sea de la luz o de los alimentos)2) Convertir nutrientes en componentes celulares3) Ensamblar esos componentes en macromoléculas propias de la célula4) Formar y degradar moléculas requeridas para funciones celulares especializadas.

El metabolismo se divide en: anabolismo y catabolismo.

Catabolismo. Es la fase degradativa. Las grandes moléculas de los alimentos se fragmentan, oxidan y liberan energía. Parte de esa energía se almacena en forma de moléculas de alta energía y es usada en la fase anabólica. La molécula por excelencia que transfiere la energía química liberada en el catabolismo hacia las reacciones propias del anabolismo se le conoce como adenosín trifosfato (ATP). El ATP es un puente o enlace energético entre el catabolismo (donde se produce) y el anabolismo (donde se consume).

Como bien sabemos los componentes principales de los alimentos son básicamente tres: carbohidratos, lípidos y proteínas, responsables de proveer casi de la totalidad de la energía requerida para las funciones celulares. Otros integrantes de los alimentos son los ácidos nucléicos, vitaminas y los iones.

Componente Porcentaje en la dieta humana

Estructura química Ejemplos

CARBOHIDRATOS 60% de los alimentos del ser humano

Polisacáridos Almidón y celulosa

LIPIDOS 20-30% Ácidos grasos y Grasas y

glicerol aceitesPROTEINAS 20% Aminoácidos Leche, huevo,

carnes.

La degradación de carbohidratos, lípidos y proteínas se divide en tres etapas.

I. En esta parte las macromoléculas se degradan a monómeros. a) polisacáridos a monosacáridos tipo glucosa (digestión de carbohidratos)b) lípidos a glicerol, ácidos grasos (digestión de lípidos)c) proteínas a aminoácidos (digestión de proteínas)

durante esta primera etapa no se libera energía utilizable.

II. En esta etapa, una gran cantidad de pequeñas moléculas formadas en la primera, son degradadas a moléculas más sencillas que juegan un papel central en el metabolismo. La tendencia es converger hacia la molécula acetil coenzima A (acetil CoA). En esta pequeña etapa se genera ATP.

III. Aquí se oxida la molécula acetil CoA y se convierte en agua y bióxido de carbono. La mayor producción de ATP generada a partir de los alimentos se da en esta etapa.a. De glucosa en acetil coenzima A, a través de la GLUCOLISISb. De ácidos grasos y glicerol a Acetil CoA, a través de la BETA OXIDACIÓNc. De aminoácidos a Acetil CoA, a través de reacciones de transaminación

desaminación.

La conversión de acetil coenzima A en bióxido de carbono y equivalentes reductores como el FADH y NADH se efectúa en el CICLO DEL ACIDO CITRICO.

La fosforilación oxidativa es la principal responsable de generar ATP a partir de ADP y fosfato con la participación de los equivalentes reductores y oxígeno, formando además, agua.

POLISACARIDOS

POLISACARIDOS

LIPIDOSLIPIDOS PROTEINASPROTEINAS

Monosacarido glucosa

Monosacarido glucosa

Acidos grasos,glicerolol

Acidos grasos,glicerolol

aminoácidosaminoácidos

DIGESTION

GLUCOLISIS

GLUCOLISIS

BETA OXIDACION

BETA OXIDACION TRANSAMI

NACION DESAMINACION

TRANSAMINACION DESAMINACIONAcetil CoAAcetil CoA

Ciclo del á. cítrico

Ciclo del á. cítrico

Anabolismo. Es la fase de síntesis del metabolismo donde se forman los precursores y se unen para generar los componentes de la célula, en esta fase se requiere energía química.

Etapas del anabolismo. Son 3 al igual que en el catabolismo.

3. Con la ayuda del ciclo del ácido cítrico, se generan moléculas precursoras.

2. Las moléculas precursoras formadas en la etapa III, se convierten en los bloques de construcción (monómeros) de las macromoléculas propias de la célula.

1. En esta etapa se ensamblan los monómeros para generar macromoléculas.

En las tres etapas anabólicas se requiere de energía en forma de ATP.

El ciclo del ácido cítrico, al funcionar en su aspecto anabólico, proveerá de precursores para formar, a través de la etapa II, las siguientes moléculas:

a) GLUCOSA por medio de la GLUCONEOGÉNESISb) ACIDOS GRASOS Y COLESTEROL por medio de las vías LIPOGENESIS Y

COLESTEROGENESISc) AMINOACIDOS con la participación de NH3 por medio de AMINACIÓN Y

TRANSAMINACION. También se pueden generar otras moléculas a partir de aminoácidos se identifican las vías de la ureogénesis y la biosíntesis de los compuestos nitrogenados.

Para la etapa I, la unión de aminoácidos constituye la biosíntesis de proteínas, la conversión de glucosa y otros polisacaridos en glucógeno se llama glucogénesis, y el almacenamiento de los ácidos grasos con el glicerol para formar triacilglicéridos y otros lípidos se denomina síntesis de grasas neutras y de fosfolípidos.

Cabe señalar que las vías o caminos metabólicos no son el reverso de los anabólicos y viceversa. Cada vía metabólica es una unidad funcional que parte de un sustrato y termina con la formación de un producto final de la vía, incluye la conversión química sucesiva de una molécula a otra, hasta la formación del producto final. Cada conversión química es catalizada por una enzima y toda la vía es regulada como una unidad. Cada vía metabólica tiene una enzima clave, llave o limitante, de cuyo funcionamiento depende el flujo de moléculas a través de la vía metabólica completa. Cada vía esta organizada de manera que si la enzima reguladora opera en forma limitada, el resto de las enzimas de la vía se ajustarán a esa velocidad, pero si la enzima clave cataliza rápidamente su reacción química, la vía trabajará a esa velocidad.

METABOLISMO DE LOS CARBOHIDRATOS

Los carbohidratos de la dieta comprenden el 60% de los nutrientes y están constituidos por polisacáridos como: almidones, celulosa, dextrinas y la sacarosa. La saliva contiene la amilasa salival o ptialina, enzima que hidroliza los almidones de la dieta. En el duodeno, se vierte el jugo pancreático rico en amilasa pancreática, es una alfa amilasa que rompe las uniones glucosídicas alfa 1-4 de los almidones, dextrinas y glucógeno, liberando maltosa y pequeños oligosacáridos ramificados; para romper las ramificaciones se requiere la participación de la amilo 1, 6 glucosidasa.

Los disacáridos de los alimentos son hidrolizados y convertidos en monosacáridos debido a la acción de las carbohidrasas, como maltasa, sacarasa y lactasa, específicas de la maltosa, sacarosa y lactosa. Finalmente se obtienen en la luz intestinal una mezcla de monosacáridos.

VIA CATABÓLICA: GLUCOLISIS O RUTA DE EMBDEM MEYERHOF PARNAS

En esta vía cada molécula de glucosa se divide y se convierte en dos unidades de tres carbonos (piruvato). En este proceso hay una pequeña cantidad de energía que se almacena temporalmente en dos moléculas de ATP y dos de NADH. En los organismos aerobios, se oxida el piruvato para formar CO2 y H2O, en un mecanismo complejo conocido como respiración aerobia. Algunos autores la consideran una vía anfibólica.

*Anfibólica: que opera como proceso anabólico y catabólico.

La glucólisis consta de 10 reacciones y consta de 2 fases:

1. La glucosa se fosforila dos veces y se fracciona para formar dos moléculas de gliceraldehído 3 fosfato (G-3-P). se consumen 2 moléculas de ATP que son una inversión.

2. El gliceraldehído 3 fosfato se convierte en piruvato. Se producen 4 moléculas de ATP y dos de NADH. Debido a que se han consumido dos ATP en la fase 1, la producción neta de ATP por molécula de glucosa es 2.

La ruta glucolítica se resume en la siguiente ecuación D glucosa+2 ADP+ 2Pi + 2NAD+

2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ 2 H2O

GLUCOLISIS

1. Síntesis de glucosa 6 fosfato

Al entrar a la célula, la glucosa y otras moléculas de azúcar se fosforilan. La fosforilación impide que glucosa salga de la célula. Las enzimas hexoquinasas catalizan la fosforilación de las hexosas en todas las células del organismo. El ATP es un cosustrato de la reacción formando complejo con el Mg, y es quien cede el fosfato a la molécula de glucosa.

hexoquinasa

Glucosa + ATP--------------------------------glucosa 6 fosfato + ADP Mg2+

2. Conversión de glucosa-6-fosfato en fructuosa-6-fosfato.

La glucosa 6 fosfato se transforma en fructuosa 6 fosfato por la enzima fosfoglucoisomerasa

3. Fosforilación de la fructuosa 6 fosfato.

Se realiza una fosforilación de la fructuosa 6 fosfato para formar fructuosa 1,6 bifosfato por medio de la enzima fosfofructoquinasa-1 (PFK-1). Aquí se da la segunda inversión de molécula de ATP.

Fructuosa-6-fosfato +ATP--------------------PFK1----------------------- Fructuosa 1,6 bifosfato + ADP

4. Escisión de la fructuosa 1,6 bifosfato.

La fase 1 de la glucólisis finaliza con la escisión de la fructuosa 1, 6 bifosfato en dos moléculas de 3 carbonos: gliceralcehído-3-fosfato (G-3-P) y dihidroxiacetona fosfato (DHAP). Esta reacción es una escisión aldólica.

Fructuosa 1,6 bifosfato Aldolasa dihidroxiacetona fosfato + gliceraldehído-3-fosato (G3P)

5. Interconversión del gliceraldehído 3 fosfato y la dihidroxiacetona fosfato

De los dos productos de la reacción de la aldolasa, solo el G3P se utiliza como sustrato de la reacción siguiente de la glucólisis. Para evitar la pérdida de la otra unidad de 3 carbonos, la triosa fosfato cataliza la interconversión de la dihidroxiacetona fosfato en gliceraldehído-3 fosfato.

Gliceraldehído 3 fosfato <=== triosa fosfatoisomerasa===========dihidroxiacetona fosfato

6. Oxidación del gliceraldehído 3 fosfato

El gliceraldehídeo 3 P se oxida y se fosforila. El producto, es el glicerato 1,3-bifosfato, contiene un enlace de alta energía que puede utilizarse en la reacción siguiente para generar ATP.

Gliceraldehído 3-fosfato + NAD + P-------gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa-------gliceraldehído 1, 3 bifosfato + NADH + H

7. Transferencia del grupo fosforilo.

En esta reacción se sintetiza APT al catalizar la fosfoglicerato quinasa la transferencia de un grupo fosforilo de energía elevada del glicerato 1,3 bifosfato al ADP. Debido a que se forman 2 moléculas de glicerato 1,3 bifosfato, por cada molécula de glucosa, esta reacción produce 2 moléculas de ATP y se recupera la inversión de energía del enlace fosfato. Cualquier síntesis posterior de ATP puede considerarse un rendimiento de esta inversión.

Glicerato 1, 3 bifosfato + ADP <==fostoglicerato quinasa===glicerato 3 fosfato + ATP

8. Interconversión del 3-fosfoglicerato y 2 fosfoglicerato

El glicerato 3 fosfato es un mal candidato para una síntesis posterior de ATP, ya que tiene un potencial de transferencia bajo. Las células convierten el glicerato 3 fosfato con su éster fosfato de baja energía en fosfoenolpiruvato (PEP) que posee un potencial de transferencia elevado. Así, la fosfoglicerato mutasa cataliza la conversiónde un compuesto fosforilado en C3 en un compuesto fosforilado en carbono 2 a través de un ciclo de adición eliminación de dos pasos. Lo único que pasa aquí es el cambio de posición del fosfato del C3 al C2

9. Deshidratación del 2 fosfoglicerato

La enolasa cataliza la deshidratación del glicerato-2-fosfato para formar fosfoenolpiruvato.

10. Síntesis del pivurato.

Reacción final de la glucólisis. La piruvato quinasa cataliza la transferencia de un grupo fosforilo desde el fosfoenolpiruvato al ADP. Se forman dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.

Debido a que la energía libre de la hidrólisis es excepcionalmente grande, el fosfoenolpiruvato se convierte en piruvato de manera irreversible.

El resultado de la glucólisis es la producción de dos ATP y dos NADH por molécula de glucosa. El piruvato, es aún una molécula con abundante energía, que puede producir una cantidad sustancia de ATP. Antes de que esto suceda, se forma una molécula transicional intermedia mediante descarboxilación. Esta molécula es la acetilcoenzima A, que es el sustrato de entrada al ciclo del ácido cítrico, una ruta anfibólica que oxida totalmente dos carbonos a CO2 yNADH.

VIA ANABOLICA: GLUCONEOGÉNESIS

Consiste en la formación de moléculas nuevas de glucosa a partir de precursores que no son hidratos de carbono. Se produce principalmente en el hígado. Los precursores son: el lactato, glicerol, piruvato y determinados alfa certoácidos (moléculas que derivan de los aminoácidos). Entre las comidas se mantienen concentraciones sanguíneas adecuadas de glucosa por la hidrólisis del glucógeno hepático. Cuando se agota el glucógeno hepático(pe. ayuno prolongado, ejercicio vigoroso), la ruta gluconeogénica porporciona al organismo la glucosa adecuada. Los músculos esqueléticos que realizan ejercicio utilizan la glucosa almacenada en forma de glucógeno en la célula muscular en combinación con los ácidos grasos almacenados en forma de micelas en la célula muscular. Se caracteriza por que se invierten 7 de las 10 reacciones de la glucólisis, y al contrario de la glucólisis donde las reacciones solo tienen lugar dentro del citoplasma, en la gluconeogénesis las reacciones tienen lugar dentro de la mitocondria.

Reacciones de la gluconeogénesis

1. SINTESIS DE

FOSFOENOLPIRUVATO

Esta síntesis requiere de dos enzimas: la pivurato carboxilasa o biotina (PC) y la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa. La PC se encuentra dentro de las mitocondrias, convierte el piruvato en oxalacetato (OAA) por adición de CO2.

El oxalacetato se descarboxila y fosforila por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa en una reacción impulsada por la hidrólisis de la guanosina trifosfato (GTP), formando fosfoenolpiruvato + CO2.

La fosforilación del piruvato para formar fosfoenolpiruvato y guanosina difosfato gasta dos moléculas de alto contenido energético el ATP y la GTP.

Se requiere de la formación de 2 moléculas de fosfoenolpiruvato para ser convertidas en fructuosa 1,6 bifosfato.

Para convertir el fosfoenolpiruvato se requiere gran cantidad de ATP para revertir la reacción del 3 fosfoglicerato a 1-3 bifosfoglicerato.

2. CONVERSION DE LA FRUCTUOSA 1, 6 BIFOSFATO EN FRUCTUOSA 6 FOSFATO

Esta reacción irreversible es catalizada por l a fructuosa 1, 6 bifosfatasa.

3. FORMACIÓN DE GLUCOSA A PARTIR DE GLUCOSA 6 FOSFATO

La glucosa-6 fosfato solo se encuentra en el hígado y el riñón, cataliza la hidrólisis irreversible de la glucosa-6-fosfato para formar glucosa y Pi, posteriormente la glucosa se libera a la sangre.

La gluconeogénesis es un proceso que consume energía. En lugar de generar ATP como la glucolisis se requiere de la hidrólisis de 6 ATP.

RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO

Las principales funciones de la vía de las pentosas fosfato son: 1) generar NADPH y sintetizar azúcares de cinco carbonos (PENTOSAS-P) (ribosa 5 fosfato, componente estructural de los nucleótidos y ácidos nucleicos). * La unidad del poder reductor más provechosa con fines biosintéticos en las células es el NADPH.* El NADH se oxida mediante la cadena respiratoria para generar ATP. El NADPH sirve como dador de electrones en las biosíntesis reductoras, sin generar formación de ATP. Esta vía metabólica se compone de dos fases, una primera oxidativa y otra de interconversión de azúcares.En la fase oxidativa, la conversión de la glucosa-6-fosfato en ribulosa-5-fosfato va acompañada por la producción de dos moléculas de NADPH. La fase oxidativa consta de 3 reacciones:

1) La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa cataliza la oxidación de la glucosa-6-fosfato. Los productos de esta reacción son la 6 fosfogluconolactona.

2) La 6-fosfogluconolactona se hidroliza para producir 6-fosfogluconato. 3) Se produce una descarboxilación oxidativa del 6-fosfogluconato para producir ribulosa

5 fosfato.

Estas reacciones proporcionan una cantidad sustancial de NADPH que se requiere para procesos reductores como la biosíntesis de lípidos. El NADPH es un antioxidante potente.

En la fase no oxidativa o de interconversión de azúcares se produce isomerización y condensación de varias moléculas de azúcar, por medio de tres intermediarios ribosa5-fosfato, fructuosa 6 fosfato y gliceraldehído-3-fosfato.

1) Comienza con la conversión de la ribulosa-5-fosfato en ribosa 5- fosfato por la ribulosa-5-fosfato isomerasa, ó en xilulosa-5-fosfato por la ribulosa-5-fosfato epimerasa.

2) Durante las reacciones restantes de la ruta, la transcetolasa y transaldolasa cataliza las conversiones de triosas, pentosas y hexosas.

3) La transcetolasa es una enzima que requiere TPP(tiamina pirofosfato) que transfiere unidades de dos carbonos desde una cetosa a una aldosa. Hay dos reacciones catalizadas por la transcetolasa. La primera reacción, la enzima transfiere una unidad de dos carbonos desde la xilulosa-5-fosfato a la ribosa-5-fosfato, produciendo gliceraldehído-3-fosfato y sedoheptulosa-7-fosfato. En la segunda reacción catalizada por la

transcetolasa, una unidad de dos carbonos de otra molécula de xilulosa-5-fosfato se transfiere a la eritrosa-4-fosfato para formar una segunda molécula de gliceraldehído-3-fosfato y fructuosa-6-fosfato

4) La transaldolasa transfiere unidades de tres carbonos desde una cetosa a una aldosa. En la reacción catalizada por la transaldolasa, se transfiere una unidad de tres carbonos desde la sedoheptulosa-7-fosfato al gliceraldehído 3 fosfato. Los productos que se forman son fructosa-6-fosfato y eritrosa-4-fosfato. El resultado de la fase no oxidativa de la ruta es la síntesis de la ribosa-5-fosfato y los intermediarios glucolíticos

gliceraldehído-3-fosfato y fructosa-6-fosfato.

Cuando no se requieren las pentosas para las reacciones de biosíntesis, los metabolitos de la porción no oxidativa de la ruta se convierten en intermediarios glucolíticos que pueden degradarse posteriormente para generar energía o convertirse en moléculas precursoras para procesos de biosíntesis. La ruta de las pentosas está diseñada para que satisfaga los requerimientos inmediatos de NADPH y ribosa-5-fosfato. La fase oxidativa es muy activa en eritrocitos y hepatocitos, no así en células musculares, donde se encuentra ausente, ya que sintetizan pocos lípidos o no lo hacen.

GLUCOGENESIS

La síntesis y degradación de glucógeno están reguladas cuidadosamente para que pueda disponerse de suficiente glucosa para las necesidades energéticas del organismo. La glucogénesis y la glucogenólisis están controladas principalmente por 3 hormonas: insulina, glucagón y adrenalina.

La síntesis de glucógeno se produce tras una comida, cuando la concentración sanguínea de glucosa es elevada. En condiciones fisiológicas, una parte del glucógeno se forma por un mecanismo con la secuencia siguiente:

Glucosa del alimentomolécula C3glucógeno hepático. El lactato y la alanina se cree que son las moléculas C3 más probables en este proceso.

1. Síntesis de glucosa-1-fosfato. La glucosa-6-fosfato se convierte de forma reversible en glucosa-1-fosfato por la fosfoglucomutasa, enzima que contiene un grupo fosforilo unido a un residuo de serina reactivo. El grupo fosforilo de la enzima se transfiere a la glucosa-6-fosfato, formando glucosa 1,6 bifosfato. Al formarse la glucosa 1 fosfato, el grupo fosforilo unido a C6 se transfiere al residuo de serina de la enzima.

2. Síntesis de UDP-glucosa. La uridina difosfato glucosa (UDP-glucosa) es más reactiva que la glucosa y se mantiene en el lugar activo de las enzimas que catalizan las reacciones de transferencia (denominadas glucosil transferasas). La UDP-glucosa contiene dos enlaces fosforilo, por lo tanto es una molécula muy energética. La formación de UDP glucosa es una reacción reversible catalizada por la UDP-glucosa pirofosforilasa. La reacción se completa debido a que el pirofosfato se hidroliza inmediatamente y de forma irreversible conla pirofosforilasa con una pérdida de energía.

3. Síntesis de glucógeno a partir de UDP glucosa. La formación de glucógeno a partir de la UDP glucosa requiere de dos enzimas:

a. Glucógeno sintasa, que cataliza la transferencia del grupo glucosilo de la UDP glucosa a los extremos no reductores del glucógeno

b. Amilo alfa (1,41,6)-glucosiltransferasa que crea los enlaces alfa(1,6) para las ramificaciones de la molécula.

La síntesis de glucógeno se cree que inicia por la transferencia de glucosa desde la UDP-glucosa a un residuo específico de tirosina en una proteína cebadora denominada glucogenina.

GLUCOGENÓLISIS