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BIOQUMICA HUMANA

REGULACIN METABLICA

(Clase N 20)

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Nuestro organismo debe satisfacer diversos requerimientos metablicos esenciales: sintetizar

todos los componentes que las clulas necesitan, proteger nuestro medio interno de toxinas y

adaptarse a las condiciones cambiantes del medio externo. Para cumplir con estos requisitos,

transformamos los componentes de la dieta mediante el metabolismo oxidativo, el almacenamiento y

movilizacin de molculas combustibles, las vas biosintticas y la detoxificacin o eliminacin de los

compuestos residuales de las diferentes vas metablicas.

El organismo debe mantener un balance entre las necesidades de las clulas y la

disponibilidad de los combustibles, lo que se denomina homeostasis metablica. La disponibilidad

constante de combustibles en la sangre se denomina homeostasis calrica, mediante la cual el nivel

sanguneo de combustibles (en equivalentes de ATP) no disminuye por debajo de ciertos lmites,

independientemente de si el individuo se encuentra en un estado de buena nutricin o ayuno.

El mantenimiento de la homeostasis metablica se logra mediante la integracin de tres factores

principales:

1) La concentracin de nutrientes en la sangre, que afecta la velocidad con la cual stos son

utilizados y almacenados en los diferentes tejidos,

2) los niveles de hormonas en sangre (primeros mensajeros), que transmiten informacin a tejidos

especficos sobre el estado del organismo y el aporte o demanda de nutrientes,

3) el sistema nervioso central que por medio de seales neurales, controla el metabolismo

directamente o a travs de la liberacin de hormonas.

Los nutrientes que utiliza nuestro organismo son los carbohidratos, los lpidos y las protenas,

aproximadamente en las siguientes cantidades:

Una persona normal que lleva una vida sedentaria consume diariamente alrededor de 200 g de

glcidos, 70 g de protena y 60 g de lpidos, lo que le permite afrontar un requerimiento energtico de

1600-2400 kcal. Como se observa en la tabla anterior, desde el punto de vista energtico, el

principal combustible metablico son los cidos grasos.

Cuando se estudia la variacin en los niveles de nutrientes en las diferentes etapas que van

desde la saciedad hasta el ayuno se observa que mientras que la cetonemia y la concentracin de

cidos grasos en sangre puede variar entre 1 y 2 rdenes de magnitud, la concentracin de glucosa

se mantiene dentro de lmites muy ajustados.

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La glucemia debe mantenerse constante ya que en condiciones normales, es el principal

combustible utilizado por el cerebro. La glucosa es la principal fuente de energa que cruza la barrera

hematoenceflica a una velocidad suficiente como para mantener el funcionamiento del tejido. Un

adulto requiere 190 g de glucosa por da, de los cuales 150 g (80%) son consumidos por el cerebro,

mientras que el resto es utilizado por tejidos como el cristalino, los glbulos rojos, la mdula renal y el

msculo esqueltico en ejercicio.

Luego de una comida rica en carbohidratos, la glucemia aumenta desde el nivel de ayuno de

70-110 mg % (aprox 5 mM) hasta 120-140 mg% (8 mM), en 30 minutos hasta 1 hora. Luego de dos

horas, la glucemia comienza a disminuir hasta llegar a los valores del ayuno. La glucemia aumenta

cuando se ingiere y absorbe glucosa y en una persona saludable, no sobrepasa los 140 mg% porque

los tejidos captan la glucosa plasmtica, la almacenan para su uso posterior y/o la oxidan para obtener

energa. Posteriormente, la glucemia disminuye porque las clulas continan metabolizando la

glucosa.

Consecuencias de la hiperglucemia y de la hipoglucemia

Glucemia Consecuencias

mmol/l mg %

8,0 144 Supera umbral renal, glucosuria

5,5 100 insulina

4,6 83 insulina

3,8 68 glucagon, adrenalina, HG

3,2 58 cortisol

2,8 50 Confusin

1,7 31 Debilidad, mareos, nauseas

1,1 20 Calambres musculares

0,6 11 Dao cerebral, muerte

Qu ocurrira si la glucemia aumentara indefinidamente? Una concentracin elevada de glucosa

provocara la liberacin de agua de los tejidos como consecuencia de su efecto osmtico. Los tejidos

se deshidrataran y su funcionamiento se afectara, por ej. en el cerebro se podra producir un coma

hiperosmolar. Por otro lado, si la glucemia continuara bajando luego de una ingesta, los tejidos que

dependen de glucosa sufriran por la falta de energa. Si la glucemia cayera abruptamente, el cerebro

no podra producir cantidades adecuadas de ATP. Se produciran mareos, seguidos de

adormecimiento y eventualmente, coma. Los glbulos rojos no podran producir suficiente ATP para

mantener la integridad de sus membranas. La hemlisis de estas clulas disminuira el transporte de

oxgeno a los tejidos. Eventualmente, todos los tejidos que dependen de oxgeno para producir

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energa fallaran. Si el problema fuera suficientemente severo, podra provocar la muerte del individuo.

Estas consecuencias del exceso o deficiencia de glucosa se evitan porque el organismo es

capaz de regular la glucemia. Cuando la concentracin de glucosa en sangre se aproxima al valor

normal del ayuno de 70 a 110 mg%, alrededor de 2 horas despus de la ingesta, se activa la

glucogenolisis en el hgado. El glucgeno heptico es la fuente principal de glucosa plasmtica

durante las primeras horas del ayuno y luego, la gluconeognesis empieza a ser importante como

fuente de glucosa. Los precursores utilizados en la glucogeneognesis heptica son aportados por

otros tejidos. El msculo en ejercicio y los glbulos rojos producen lactato en la gluclisis. La

degradacin de protenas en el msculo provee aminocidos y el tejido adiposo aporta glicerol cuando

se movilizan los depsitos de triacilglicridos (TAG). An durante el ayuno prolongado, la glucemia no

cae dramticamente. Luego de 5 a 6 semanas de ayuno, la glucemia an se encuentra en valores de

alrededor de 65 mg%.

Reservas energticas en el humano

A pesar de su rol esencial en el metabolismo energtico del cerebro y otros tejidos, la

cantidad de glucosa circulante es limitada. Para asegurar su continua provisin, el organismo

almacena combustibles metablicos para proveer glucosa o energa en caso de necesidad.

Combustible tisular

Reserva en g

Provee energa durante

Ayuno Caminando Maratn

Glucosa

sangunea

20

40 min

5 min

4 min

Glucgeno heptico 80 3,5 h 70 min 18 min

Glucgeno Muscular 150 14 h 5 h 70 min

Lpidos 9000 15000 34 das 11 das 3 das

Protenas 6000 15 das 5 das 1,3 das

Dentro de los mecanismos homeostticos que permiten regular la disponibilidad de molculas

combustibles, el control hormonal es uno de los ms importantes. La insulina y el glucagon son las

principales hormonas que regulan el almacenamiento y la utilizacin de combustibles. La insulina es

una hormona anablica que promueve el almacenamiento de combustibles, mientras que el glucagon

es la hormona que estimula la movilizacin de combustibles. Otras hormonas como la adrenalina, son

liberadas como respuesta del SNC a la hipoglucemia, al ejercicio y a otros tipos de estrs fisiolgico.

Junto con otras hormonas del estrs (glucocorticoides), la adrenalina aumenta la disponibilidad de

combustibles.

Los principales mecanismos que modifican la velocidad de una va metablica a travs de la

regulacin de la actividad de las enzimas clave de las mismas son:

1. Disponibilidad de sustrato

2. Compartimentacin celular

3. Modificacin alostrica.

4. Modificacin covalente

5. Induccin y represin enzimticas

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1.- Disponibilidad de sustrato:

La concentracin de sustrato puede modificar significativamente la velocidad de una reaccin

enzimtica. De esa forma, fluctuaciones en la concentracin de los sustratos proveen un mecanismo

automtico de ajuste de la velocidad de una reaccin enzimtica a las circunstancias metablicas

particulares. Un ejemplo de este tipo de regulacin es el que ocurre cuando se ingiere una dieta rica

en glcidos con la actividad de la glucoquinasa heptica. Los cambios en las velocidades de las

reacciones enzimticas que ocurren en virtud de cambios en la disponibilidad de sustrato son rpidos

ya que la fluctuacin en la concentracin de sustratos influye directamente en la actividad cataltica de

las enzimas involucradas, sin que medie ningn otro mecanismo adicional.

2.- Compartimentalizacin celular:

La velocidad del flujo de una va metablica tambin se regula por la accesibilidad de los

sustratos al compartimiento celular en que se encuentran las enzimas de la va. En este tipo de

regulacin es fundamental el mecanismo de transporte de los metabolitos a travs de las membranas

celulares y subcelulares. La beta-oxidacin de cidos grasos ocurre en las mitocondrias y por lo tanto

los acidos grasos deben atravesar la membrana mitocondrial interna para ser oxidados. Esta va

metablica, por lo tanto, est fuertemente regulada por la velocidad de transporte de los AG a la

mitocondria.

3.- Modificacin alostrica:

Se produce cuando se altera la capacidad cataltica de una enzima (generalmente con

estructura cuaternaria) como consecuencia de un cambio en su conformacin, inducido por un

metabolito (modificador alostrico). Es un mecanismo rpido de modificacin de la actividad

enzimtica.

4.- Modificacin covalente:

Otro tipo de modificacin de la actividad enzimtica se produce cuando la enzima une

covalentemente un grupo qumico, lo que puede provocar una profunda alteracin en su actividad

cataltica. La situacin puede revertirse, es decir, la enzima puede perder el grupo unido y retomar la

actividad anterior. La regulacin por modificacin covalente da como resultado cambios rpidos de la

actividad enzimtica, debido fundamentalmente a que el agregado o eliminacin del grupo es tambin

catalizado por enzimas. Este mecanismo de regulacin enzimtica ocurre en respuesta a una accin

hormonal, por lo tanto responde a una regulacin metablica integral del organismo, es decir,

responde a la necesidad de coordinacin de los estados metablicos de los diferentes tejidos y a la

disponibilidad general de metabolitos, reflejada en los niveles sanguneos de los mismos.

Entre los grupos que pueden unirse covalentemente se encuentran a los grupos fosfato,

adenilo, uridilo, metilo y ribosil adenil difosfato. La fosforilacin es el tipo ms comn de modificacin

covalente. Un tercio de las todas las protenas regulables en las clulas eucariotas son capaces de

sufrir este tipo de regulacin. Algunas protenas tienen slo un sitio de fosforilacin, mientras que otras

protenas poseen numerosos residuos que pueden ser fosforilados. Este modo de modificacin

covalente es central en un gran nmero de pasos regulatorios del metabolismo intermedio.

5.- Induccin o represin enzimtica:

Este mecanismo provoca un cambio en la cantidad de enzima presente debido a una

modificacin en la expresin gnica de la enzima como consecuencia de una cascada de sealizacin

intracelular generada por un mensajero qumico. Es un mecanismo lento y se manifiesta en respuesta

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a diferentes estmulos (hormonas, cambios en el medio, etc.).

Otros mecanismos de regulacin:

Los zimgenos representan un conjunto de enzimas que se activan luego de sufrir la hidrlisis

de un pptido. Esta modificacin covalente es irreversible. Generalmente, este mecanismo impide que

la accin de estas enzimas, mayoritariamente enzimas proteolticas, se manifieste en localizaciones

inconvenientes para la clula o el organismo (enzimas digestivas), o permite que se desencadene un

proceso en el momento apropiado (coagulacin).

Especializacin celular:

Aun cuando todas las clulas del organismo estn dotadas de la informacin completa

correspondiente al genoma, la diferenciacin que conduce a la formacin de los distintos tejidos y

rganos es el resultado de la expresin diferencial de la informacin gentica. Es decir, cada grupo de

clulas especializadas puede expresar diferentes genes y por lo tanto presentar diferentes actividades

enzimticas.

Mecanismos mltiples:

La superposicin de diversos mecanismos de regulacin en un paso metablico no constituye

una redundancia estril. Cada mecanismo tiene sus particularidades, entre ellas, la velocidad con que

se desencadena y con la que se establece, y la duracin de su efecto. Cuando operan varios

mecanismos a la vez, la regulacin de la va es ms sensible a cambios metablicos de diversa

ndole. Por otra parte, cuando alguno de los dispositivos de control no funciona correctamente, por

anormalidades del individuo o del ambiente, las consecuencias se atenan por la existencia de otros

mecanismos de control. Por ello, en la diversidad se encuentra gran parte de la eficiencia y eficacia de

los mecanismos de regulacin metablica, y por consiguiente, no cabe plantearse cul de ellos es

ms importante o desempea un papel ms relevante en el control del metabolismo.

Integracin del metabolismo:

Uno de los requisitos para mantener y perpetuar la vida es la conservacin de la homeostasis,

es decir, la constancia del medio interno (niveles sanguneos de iones, lpidos e hidratos de carbono),

dentro de lmites muy estrechos. Estas condiciones deben mantenerse tanto an en situaciones

variadas como el reposo, el ejercicio, la saciedad o el ayuno. Cmo se armoniza nuestro organismo

para sobrevivir en diferentes situaciones metablicas?

En los mamferos, la coordinacin del metabolismo se logra a travs del sistema

neuroendcrino. Las principales hormonas que participan en la regulacin del metabolismo intermedio

son: la insulina, el glucagon, las catecolaminas y el cortisol. Por lo tanto, antes de seguir repasemos

sus efectos.

La Insulina

La insulina es una hormona anablica porque promueve el almacenamiento de nutrientes. En

particular, la insulina promueve

a) el almacenamiento de glucosa como glucgeno en hgado y msculo

b) la conversin de glucosa en TAG en hgado y su almacenamiento en el tejido adiposo

c) el transporte de aminocidos y la sntesis de protenas en msculo

d) la sntesis de protenas en el hgado (por ej. la albmina)

e) el transporte de glucosa al msculo y al tejido adiposo

La insulina tambin inhibe la movilizacin de los combustibles.

Qu efectos tiene el glucagon? Como ya dijimos, el glucagon favorece la movilizacin de

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combustibles:

1) estimula la liberacin de glucosa a partir del glucgeno heptico

2) estimula la gluconeognesis heptica a partir de lactato, glicerol y aminocidos

3) moviliza los cidos grasos de los TAG del tejido adiposo como fuente alternativa de combustible

Otras hormonas cuyos efectos son opuestos a los efectos de la insulina son la adrenalina, la

noradrenalina y el cortisol. Slo la insulina y el glucagon se liberan como respuesta directa al

cambio de combustibles en la sangre. La liberacin de las otras hormonas es mediada por seales

neurales.

Mecanismos homeostticos en saciedad

La saciedad es la percepcin de no tener necesidad inmediata de ingesta de alimentos.

Utilizaremos este trmino para describir la situacin que se observa luego de la ingesta de alimentos.

Luego de la ingesta, el incremento de la glucemia es el estmulo para que las clulas del

pncreas liberen insulina. Ciertos aminocidos, particularmente arginina y leucina, tambin estimulan

la liberacin de insulina. Los niveles sanguneos de glucagon, secretado por las clulas del

pncreas, pueden aumentar o disminuir dependiendo de la composicin de la ingesta. Si la ingesta es

rica en glcidos, la concentracin de glucagon disminuye, pero si es rica en protenas, los niveles de

glucagon sanguneo aumentan. Luego de una comida tpica mixta con carbohidratos, protenas y

grasas, los niveles de glucagon permanecen relativamente constantes mientras que los de insulina

aumentan.

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Qu ocurre con la glucosa que llega al hgado desde el intestino?

El hgado es el primer tejido que tiene la oportunidad de utilizar la glucosa que proviene de la

dieta que le llega por la circulacin porta. En saciedad, el hgado oxida glucosa para satisfacer sus

necesidades inmediatas y su exceso se almacena como glucgeno. La glucosa puede convertirse en

glucgeno; en piruvato y lactato (por gluclisis) o puede

utilizarse en la va de las pentosas. El piruvato puede

oxidarse a acetilCoA, que a su vez se convierte en

cidos grasos y luego en triacilglicridos, u oxidarse a

CO2 y agua en el ciclo de Krebs (TCA).

Qu mecanismos regulatorios controlan el

almacenamiento de combustibles producidos a

partir de glucosa? Luego de la digestin y absorcin de

los glcidos, la glucosa llega a la vena porta, donde su

concentracin puede alcanzar los 180-360 mg% (10-20 mM), y finalmente al hgado. Dado su elevado

S0.5 (Km) para la glucosa, cuando la concentracin de glucosa es normal, la actividad de la

glucoquinasa es muy baja. Como consecuencia del incremento de la concentracin de glucosa que

llega al hgado por la vena porta, la velocidad de fosforilacin de la glucosa por la glucoquinasa

aumenta. Los niveles de la enzima tambin se INDUCEN con dietas ricas en carbohidratos en

respuesta al incremento en los niveles de insulina. La insulina promueve el almacenamiento de

glucosa como glucgeno. La insulina activa la fosfodiesterasa, disminuyendo los niveles de AMPc, a

las fosfatasas que desfosforilan a la glucgeno sintasa (GS desfosforilada es activa) y a la enzima

clave de la glucogenolisis (glucgeno fosforilasa desfosforilada es inactiva). La insulina tambin

promueve la sntesis de triacilglicridos (TAG), que

se liberan del hgado como VLDL.

Qu ocurre con la glucosa que no es utilizada

por el hgado?

Parte de la glucosa que proviene del intestino

llega a la circulacin general. El cerebro utiliza casi

nicamente glucosa para generar ATP. Otros

grandes consumidores de glucosa son los glbulos

rojos, que slo pueden convertir la glucosa en

lactato y piruvato y el tejido adiposo que la

convierte en lpidos. El msculo puede utilizar

glucosa para convertirla en glucgeno o degradarla

por gluclisis. Algunos tejidos producen lactato y

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piruvato por gluclisis a partir de la glucosa sangunea. Estos metabolitos son captados por el hgado

y convertidos en lpidos. EN EL ESTADO DE SACIEDAD, EL HGADO UTILIZA GLUCOSA Y NO

REALIZA GLUCONEOGNESIS. Por lo tanto, el ciclo de Cori (la conversin de glucosa a lactato en

los tejidos perifricos y luego la conversin de lactato en glucosa en el hgado) se interrumpe en

estado de saciedad. En este caso, el lactato que llega al hgado se convierte en piruvato que puede

convertirse en acetilCoA, que a su vez puede oxidarse (ciclo de Krebs) o convertirse en cidos grasos

y TAG.

Todos los tejidos requieren glucosa para la va de las pentosas y muchos usan glucosa para la

sntesis de glucoprotenas y otros compuestos que contienen carbohidratos.

La insulina estimula el transporte de glucosa a las clulas del msculo en reposo y adipocitos

promoviendo el reclutamiento de los transportadores de glucosa de tipo GLUT 4 en la membrana

celular. Otros tejidos, como el hgado, el cerebro y los glbulos rojos tienen un tipo diferente de

transportador de glucosa que no se afecta significativamente por insulina. Luego de una ingesta, se

sintetiza glucgeno en el msculo por un proceso similar al del

hgado. Existen diferencias metablicas entre estos tejidos pero

en esencia, la insulina estimula la sntesis de glucgeno en el

msculo en reposo como lo hace en el hgado. Una diferencia

clave entre el metabolismo del glucgeno muscular y heptico, es

que la insulina estimula fuertemente el transporte de glucosa en el

msculo mientras que el transporte de glucosa en las clulas

hepticas es independiente de insulina.

En el tejido adiposo, la insulina tambin estimula el transporte

de glucosa que se oxida para producir energa y tambin provee

glicerol para la sntesis de TAG. La glucosa tambin puede

convertirse en cidos grasos en el tejido adiposo.

Qu ocurre luego de una ingesta con los distintos tipos de

nutrientes que la componen?

Los productos finales de la digestin de los alimentos son los

monosacridos, los cidos grasos y los aminocidos que por

diferentes rutas llegan a la circulacin sangunea.

En esta situacin, la hormona predominante es la insulina, que favorece la entrada de glucosa

a las clulas, particularmente a los miocitos y adipocitos. Sumado a la mayor utilizacin de glucosa en

los hepatocitos, la consecuencia es una disminucin de la glucemia. Dos horas despus de la ingesta

la glucemia vuelve a los niveles del ayuno, 70 a 110 mg% (aprox. 5 mM).

En un individuo normal, aproximadamente el 50% de la glucosa ingerida se metaboliza por

gluclisis, el 10% se acumula como glucgeno y el 30 - 40% se convierte en lpidos. En trminos

generales, en ausencia de insulina, la gluclisis, la glucognesis y la lipognesis disminuyen. Slo el

5% de la glucosa ingerida se transforma en lpidos en un diabtico deficiente en insulina.

Qu ocurre con las protenas hidrolizadas en la digestin? Algunos de los aminocidos de la

dieta son utilizados por las clulas intestinales para obtener energa, el resto llega al hgado a travs

de la vena porta. El intestino metaboliza aspartato, asparagina, glutamato y glutamina y libera alanina

a la sangre portal. En el hgado, slo se metabolizan aminocidos cuando su concentracin es muy

alta dado que las transaminasas hepticas tienen un Km alto, lo que permite priorizar el uso de

aminocidos para la sntesis de protenas. Los esqueletos carbonados de los aminocidos

degradados en el hgado pueden ser oxidados completamente a CO2 y H2O o bien utilizarse como

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sustrato para la lipognesis, y el grupo amino se convierte en urea. En los dems tejidos, los

aminocidos provenientes de la dieta pueden utilizarse para la sntesis de protenas o para obtener

energa, lo que depender del estado metablico, es decir, de la disponibilidad de energa. El hgado

tiene baja capacidad para transaminar aminocidos ramificados que son fcilmente degradados en el

msculo esqueltico. De esta forma, el msculo transamina aminocidos ramificados y libera los

cetocidos a la sangre, de donde son captados y oxidados en el hgado. En el msculo, los

aminocidos ramificados se utilizan para sintetizar alanina y glutamina, que se liberan a la sangre.

Qu ocurre con los lpidos en la saciedad?

Los lpidos de la dieta llegan a la circulacin general contenidos en quilomicrones. En la

circulacin tambin se encuentran las VLDL provenientes del hgado, que contienen los productos de

la lipognesis a partir de glucosa, lactato, piruvato y aminocidos. Los Qm y las VLDL son sustrato de

la LIPOPROTEN LIPASA, una enzima anclada en las clulas endoteliales de los capilares, que es

muy abundante en el endotelio del tejido adiposo. Esta enzima cataliza la liberacin de cidos grasos

de los Qm y las VLDL a partir de los TAG. En saciedad, se frena la liplisis y se produce lipognesis

en el tejido adiposo y la concentracin plasmtica de cidos grasos libres es baja. Los cidos grasos

captados por los adipocitos son re-esterificados con glicerol 3-fosfato para formar TAG y se

almacenan en forma de gotas de grasa dentro de estas clulas. El glicerol 3-P se produce en los

adipocitos a travs de la gluclisis que genera dihidroxiacetona fosfato (DHAP). La enzima glicerol 3-P

deshidrogenasa reduce la DHAP a glicerol-3P.

Mecanismos homeostticos en el ayuno

Cambios en los niveles de insulina y glucagon

Cuando la glucemia disminuye como consecuencia de los mecanismos ya descriptos, los niveles

de insulina bajan y las clulas del pncreas comienzan a liberar glucagon. Estos cambios

hormonales provocan la degradacin del glucgeno heptico y la sntesis de glucosa por

gluconeognesis, lo que permite mantener la glucemia.

Estimulacin de la glucogenolisis

El glucagon se une a receptores 7TMS

ubicados en la membrana plasmtica y

asociados a la protena Gs. La activacin de

la adenilato ciclasa produce un incremento

en los niveles de AMPc y la activacin de la

protena quinasa A. Como consecuencia, la

glucgeno sintasa es fosforilada e inactivada

y la sntesis de glucgeno disminuye. Al

mismo tiempo, se estimula la degradacin de

glucgeno por un mecanismo en dos pasos:

1) la PKA fosforila y activa a la fosforilasa

quinasa. 2) Esta enzima, a su vez, fosforila y

activa a la glucgeno fosforilasa. La

fosforilasa cataliza la glucogenolisis,

produciendo glucosa-1-fosfato, que se

convierte en glucosa-6-fosfato. La

desfosforilacin de la glucosa-6-fosfato por la

glucosa 6 fosfatasa produce glucosa libre,

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que se libera a la sangre.

Estimulacin de la gluconeognesis

Alrededor de 4 horas luego de una comida, el hgado produce glucosa que libera a la sangre no

slo por glucogenolisis, sino tambin por gluconeognesis. Los cambios hormonales activan la

liberacin de precursores para la gluconeognesis desde los tejidos perifricos, especficamente

lactato, aminocidos y glicerol. Por diversos mecanismos se promueve la conversin de los

precursores gluconeognicos a glucosa y se evita la produccin de ciclos ftiles. En particular, en el

hgado, durante el ayuno se inactivan las enzimas glucolticas, piruvato quinasa, fosfofructoquinasa 1

(FFQ1) y glucoquinasa promoviendo el flujo de carbonos por la va gluconeognica. Estos

mecanismos operan en los tres pasos en los que difieren la gluclisis y la gluconeognesis:

1. Conversin de piruvato a Fosfoenolpiruvato (PEP). El piruvato (derivado de lactato y alanina) se

convierte por la va gluconeogentica a PEP. Este no se reconvierte a piruvato (ciclo ftil) porque el

glucagon promueve la fosforilacin e inhibicin de la piruvato quinasa. El PEP se transforma en

fructosa 1,6 difosfato (reversin de las reacciones de la gluclisis).

2. Conversin de fructosa 1,6 bifosfato en fructosa 6 fosfato. Dados los bajos niveles del regulador

alostrico fructosa 2,6 bifosfato, la enzima glicoltica FFQ1 es relativamente inactiva. Por lo tanto, la

fructosa 6 fosfato no se convierte en fructosa 1,6 bifosfato y se evita as un segundo ciclo ftil. La

fructosa 6 fosfato se convierte en glucosa 6 fosfato.

3. Conversin de glucosa 6 fosfato en glucosa por la glucosa-6 fosfatasa. Dado que la

glucoquinasa tiene un alto S0.5 (Km) para la glucosa y las concentraciones de glucosa son

relativamente bajas en el hepatocito durante el ayuno, la glucosa se libera a la sangre. Por lo tanto el

tercer ciclo ftil potencial no ocurre.

Las enzimas que participan en la gluconeognesis, pero no en la gluclisis, estn activas

durante el ayuno. La piruvato carboxilasa se activa por el acetilCoA que proviene de la oxidacin de

cidos grasos. La fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK), la fructosa 1,6 bifosfatasa y la glucosa 6

fosfatasa se inducen (aumentan los niveles proteicos de las enzimas) por efectos del glucagon y los

glucocorticoides. Cuando los niveles de fructosa 2, 6 difosfato son bajos, la fructosa 1,6 bifosfatasa es

activa. En esta situacin metablica, el ciclo de Cori contribuye a mantener la glucemia. El hgado

sintetiza glucosa a partir de lactato y luego la glucosa se convierte de nuevo en lactato por gluclisis

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en los tejidos perifricos como los glbulos rojos. El ciclo de la alanina, mediante el cual vuelven los

carbonos al hgado como alanina en vez de lactato tambin contribuye a la gluconeognesis.

Luego de varias horas de la ingesta, ya no ingresa combustible desde el intestino y queda poco

glucgeno en el hgado. Los tejidos que usan glucosa dependen de la gluconeognesis heptica,

principalmente a partir de lactato, glicerol y alanina.

En los ciclos de Cori y de la alanina NO SE PRODUCE SNTESIS NETA DE GLUCOSA,

slo se reemplaza la utilizada por los tejidos perifricos. Sin embargo, dado que otros tejidos como el

cerebro oxidan completamente glucosa, es obligatoria su sntesis durante el ayuno.

El glicerol, producto de la liplisis en el tejido adiposo es un sustrato para la sntesis de glucosa

en el ayuno, en cambio los cidos grasos no pueden utilizarse para la sntesis de glucosa porque el

acetilCoA no puede convertirse en los intermediarios de tres carbonos de la gluconeognesis.

Son las protenas, especialmente las del tejido muscular, las que aportan la mayor parte del

carbono necesario para la gluconeognesis. Las protenas musculares se hidrolizan en el msculo

produciendo aminocidos que en su mayora, se metabolizan en el msculo. Los principales

aminocidos que se liberan del msculo son alanina y glutamina. El metabolismo de los dems

aminocidos produce intermediarios (piruvato, -cetoglutarato) que pueden producir alanina y

glutamina. Estos aminocidos se liberan a la sangre, de la que pueden ser captados en el hgado o el

rin y convertidos en glucosa. Cuantitativamente la alanina es el sustrato gluconeogentico ms

importante.

El msculo tambin puede liberar los cetocidos de aminocidos ramificados que pueden ser

transformados en el hgado en glucosa o cuerpos cetnicos (dependiendo de su condicin de

aminocidos cetognicos o glucognicos). A partir del cetocido de la valina se puede sintetizar

glucosa, a partir de cetocido de la leucina se puede sintetizar cuerpos cetnicos y ambos tipos de

compuestos se pueden sintetizar a partir del cetocido de isoleucina Gran parte de la glutamina

liberada por el msculo es convertida en alanina en el epitelio intestinal. En el intestino, la glutamina

puede ser parcialmente oxidada para producir energa y en parte el esqueleto carbonado y el grupo

amino se liberan a la sangre como alanina y amonio. Esta va probablemente involucra la formacin

de oxaloacetato a partir de glutamina por el TCA y la conversin a PEP y a piruvato que se transamina

a alanina.

La sntesis de glucosa en el hgado durante el ayuno est muy relacionada con la sntesis de

urea. La mayora de los aminocidos ceden su grupo amino por transaminacin con -cetoglutarato

formando glutamato y un nuevo cetocido que puede utilizarse para la gluconeognesis (para un

aminocido glucognico). El glutamato (por desaminacin oxidativa catalizada por la glutamato

deshidrogenasa) provee el amonio para la sntesis de urea. Una fuente adicional de amonio es la

mucosa intestinal que convierte glutamina en alanina y amonio. Es importante considerar que cuanto

mayor sea la actividad gluconeognica, mayor ser la produccin de urea.

Qu limita la capacidad del hgado de convertir aminocidos en glucosa?

La conversin de aminocidos en glucosa involucra diversos procesos metablicos:

transaminacin, desaminacin oxidativa, conversin de NH4+ en urea y finalmente gluconeognesis a

partir del esqueleto carbonado del aminocido. La limitacin fisiolgica para formar glucosa a partir de

aminocidos es la gran cantidad de energa requerida para este proceso. Se requieren cuatro

molculas de ATP para convertir amonaco en urea y seis ms para transformar el esqueleto

carbonado de los aminocidos en glucosa.

En todas las clulas los niveles de ATP se mantienen relativamente constantes. Por lo tanto,

para la gluconeognesis, el hgado debe realizar metabolismo aerbico para producir ATP en

reemplazo del ATP consumido.

13

Glucemia durante el ayuno prolongado

Durante el ayuno prolongado, se produce un cambio en la utilizacin de los combustibles. Los

tejidos usan menos glucosa que durante un ayuno corto y utilizan predominantemente combustibles

derivados de la metabolizacin de los TAG del tejido adiposo (es decir, cidos grasos y cuerpos

cetnicos). En consecuencia, la glucemia no cae drsticamente. De hecho, an despus de 5 a 6

semanas de ayuno, la glucemia es de alrededor de 65 mg%.

El principal cambio que ocurre en el ayuno prolongado es un incremento significativo en los niveles

sanguneos de cuerpos cetnicos luego de 3 a 5 das de ayuno. En estos niveles, el cerebro y otros

tejidos nerviosos comienzan a utilizarlos y consecuentemente oxidan menos glucosa, requiriendo

alrededor de la tercera parte de la glucosa (40 g/da) que requieren en condiciones de alimentacin

normal. Como resultado de esta reduccin en la utilizacin de glucosa, la velocidad de la

gluconeognesis en el hgado disminuye y tambin lo hace la produccin de urea. Por lo tanto, no se

degradan las protenas del msculo y otros tejidos, dado que hay una menor necesidad de

aminocidos para la gluconeognesis.

La protena corporal, particularmente la muscular, no es fundamentalmente una forma de

almacenaje de combustible, como lo son el glucgeno o los TAG, sino que las protenas tienen

funciones muy importantes tanto estructurales como funcionales. Por lo tanto, si la degradacin de

protenas aumenta excesivamente, la funcin corporal puede comprometerse seriamente. Si contina

el ayuno y no hay otros problemas, como infecciones, el individuo muere, generalmente porque la

prdida severa de protenas produce el mal funcionamiento de los rganos principales, como el

corazn. Por lo tanto, el aumento en los cuerpos cetnicos que disminuye la degradacin de

protenas, permite la supervivencia por largos perodos sin ingerir alimentos.

Estimulacin de la liplisis

Los cambios hormonales (baja relacin insulina/glucagon) que ocurren durante el ayuno

estimulan la degradacin de TAG del tejido adiposo. Consecuentemente, se liberan a la circulacin

cidos grasos y glicerol. Los cidos grasos (AG) son utilizados como combustible preferentemente a la

glucosa por muchos tejidos. En el corazn y el msculo, la oxidacin de los AG inhibe la gluclisis. En

el cerebro, los AG no se oxidan porque no atraviesan la barrera hematoenceflica. La -oxidacin de

cidos grasos en el hgado, permite generar el ATP necesario para la gluconeognesis y la sntesis de

acetilCoA. En este caso, sin embargo, la mayor parte del Acetil CoA no entra al TAC, sino que se

convierte en cuerpos cetnicos (CC, acetoacetato y -hidroxibutirato), que se transportan a la sangre y

sirven como combustible adicional para los tejidos extrahepticos. Esto ocurre porque en esas

condiciones los niveles de oxaloacetato hepticos son muy bajos dado que el oxaloacetato se utiliza

para la sntesis de glucosa. Como en el caso de los AG, los CC son utilizados preferentemente a la

glucosa en muchos tejidos. Pueden atravesar la barrera hematoenceflica y cuando la cetonemia es

suficientemente alta, los CC son un combustible alternativo para el cerebro (Aclaracin: esto ocurre

cuando se est en un estado de inanicin: es decir con ms de 3 a 5 das de ayuno) aunque son

incapaces de reemplazar completamente la necesidad de glucosa del cerebro. Los CC tambin

inhiben la protelisis del msculo esqueltico y por lo tanto disminuyen la destruccin muscular

durante el ayuno. Mientras la cetonemia est elevada se necesitar menos glucosa, menos

aminocidos gluconeognicos y menor necesidad de usar protenas musculares. La glucemia tiende a

disminuir en el ayuno por lo que se reduce la secrecin de insulina y se favorece la de glucagon.

Adems el ayuno reduce la formacin de triiodotironina, la forma activa de la hormona tiroidea a partir

de tiroxina lo que puede reducir el requerimiento basal de energa hasta un 25%.

14

Cmo se movilizan los aminocidos durante el ayuno?

Durante el ayuno nocturno, la sntesis de protenas en el hgado y otros tejidos continua, pero a

una velocidad menor comparada con la del estado postprandial. Hay una degradacin neta de

protenas tanto en el msculo esqueltico (que contiene la masa proteica ms importante del

organismo) como en otros tejidos. El msculo esqueltico puede oxidar aminocidos ramificados para

producir energa y liberar alanina y glutamina. La liberacin de aminocidos musculares durante el

ayuno nocturno es estimulada por la disminucin de los niveles de insulina y el aumento de los niveles

de glucocorticoides, que provocan un aumento en la protelisis y liberacin de aminocidos a la

sangre. El hgado es el principal rgano que capta la alanina circulante. Adems, el hgado tambin

capta otros aminocidos libres, alfa-ceto cidos y algo de glutamina de la sangre. La alanina y otros

aminocidos son degradados y el amonaco formado puede ser convertido en urea, mientras que el

esqueleto carbonado es convertido principalmente en glucosa. El glucagon y los glucocorticoides

estimulan la captacin heptica de aminocidos, la gluconeognesis y ureagnesis. La induccin de

las enzimas gluconeognicas por glucagon y glucocorticoides durante el ayuno nocturno se

correlaciona con la induccin de las enzimas de la degradacin de aminocidos (ej., tirosina

aminotransferasa) y la induccin de las enzimas del ciclo de la urea. El ciclo de la urea tambin se

incrementa por el mayor aporte de amonio proveniente de la degradacin heptica de los

aminocidos.

Qu ocurre con el metabolismo de los aminocidos en otros tejidos?

La glutamina es generada en el msculo esqueltico por la oxidacin de los aminocidos

ramificados, y en los pulmones y cerebro para la eliminacin del amonio formado localmente a partir

del metabolismo de aminocidos El rin, el intestino y las clulas con un alto recambio celular

representan los sitios de mayor captacin de glutamina, que acta como donor de nitrgeno para la

sntesis de bases nitrogenadas y en particular en el rin, como mecanismo de regulacin del

equilibrio cido-base en situaciones de acidez metablica.

Cul es la clave de la cooperacin metablica entre los distintos tejidos?

La cooperacin metablica entre clulas y entre diferentes tejidos es fundamental para la

supervivencia de un individuo. Nuestro organismo est organizado para mantener estable el medio

interno utilizando los mecanismos de regulacin enzimtica que hemos detallado previamente. Pero,

cul es la llave maestra de esta integracin?

Se ha descripto que la quinasa activada por AMP (AMPK) es el principal regulador del

metabolismo: La AMPK induce una cascada de eventos dentro de las clulas en respuesta a

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cambios en la carga energtica de la clula. Su rol como reguladora de la carga energtica ubica a

esta enzima en un punto de control central en el mantenimiento de la homeostasis energtica. Por

otra parte, recientemente, se ha descripto que la actividad de AMPK tambin puede ser regulada por

estmulos fisiolgico como hormonas y nutrientes.

Cuando se activa la AMPK las clulas cambian de un estado de consumo activo de ATP (como en la

sntesis de cidos grasos) a una

produccin activa de ATP (como en la

oxidacin de glucosa y cidos grasos).

La activacin de la AMPK tambin ejerce

efectos a largo plazo a nivel de la

expresin gnica y la sntesis de

protenas. Otra actividad importante

atribuida a la AMPK es la regulacin de

la sntesis y secrecin de insulina a nivel

pancretico y la modulacin de la funcin

hipotalmica involucrada en la regulacin

de la saciedad.

El ATP es la fuente principal de energa

bioqumica. Sin embargo los niveles

endgenos de AMP se modifican ms significativamente que los de ADP o ATP. Pequeos cambios

en la concentracin de ADP o ATP conducen a importantes modificaciones en los niveles de AMP, de

acuerdo a la siguiente reaccin:

2 ADP ATP + AMP Adenilato Quinasa

Keq = [ATP] X [AMP] y por lo tanto [AMP] = Keq [ADP]2/ [ATP]

[ADP]2

La unin del AMP (regulador alostrico) a la AMPK aumenta su actividad y favorece su activacin

haciendo a la enzima un mejor sustrato para las quinasas que la fosforilan (AMPKK) y peor sustrato

para las fosfatasas que la desfosforilan. Debido a que la AMPK es altamente sensible a las

variaciones en los niveles de AMP, esta enzima modifica su actividad frente a pequeos cambios en la

relacin [ATP]/ [ADP]. La regulacin alostrica negativa de la AMPK es ejercida por la fosfocreatina.

La AMPK aumenta el metabolismo energtico incrementando la captacin de glucosa en el

msculo en ejercicio y activando el metabolismo de los cidos grasos. Simultneamente, la AMPK

inhibe la sntesis de cidos grasos, la transferencia del grupo fosfato de alta energa de la

fosfocreatina, la sntesis de colesterol, la transcripcin del ADN y la apoptosis.

El balance entre los nucletidos de adenina est regulado por la actividad de la adenilato

quinasa y a su vez depende fuertemente de la produccin mitocondrial de ATP y del metabolismo

anaerbico de los hidratos de carbono. El ATP consumido se resintetiza mediante las actividades de

la adenilato quinasa, la creatina fosfoquinasa y el metabolismo anaerbico. Cuando el consumo de

energa es menor y sostenido en el tiempo, se utiliza la oxidacin mitocondrial de cidos grasos para

generar ATP.

La AMPK tiene un dominio que puede unirse al glucgeno. En el msculo, un contenido alto de

glucgeno reprime la actividad de la AMPK. Tambin se ha demostrado que aumenta la actividad la

enzima en respuesta al estmulo de receptores acoplados a fosfolipasa C y a hormonas secretadas

por el tejido adiposo (adipoquinas) tales como leptina y adiponectina.

Quinasa activada por AMP

AMPK

Coordinacin del metabolismo

Dieta Estres Ejercicio

5 AMP

AMPK

AMPKK PPasa

-oxidacion

Sntesis de colesterol

Transcripcin

ApoptosisCreatina fosfoquinasa

Sintesis de cidos grasos

Transporte de glucosa

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Qu consecuencias tiene la activacin de la AMPK?

La cascada de sealizacin iniciada por la activacin de la AMPK tiene efectos sobre el

metabolismo de glucosa y lpidos, la expresin de genes y la sntesis de protenas. Estos efectos son

importantes en la regulacin del metabolismo del hgado, msculo esqueltico, corazn, tejido adiposo

y pncreas.

Esquema que representa el rol central de AMPK in la regulacin del metabolismo en respuesta a eventos tales como estrs inducido por ejercicio o nutrientes. Las flechas indican efectos positivos de la AMPK, mientras que las lneas T indican efectos inhibitorios

Metabolismo intermedio durante el ejercicio

Regulacin de la glucemia durante el ejercicio

Durante el ejercicio operan mecanismos similares a los que ocurren durante el ayuno, lo que

permite mantener la glucemia en valores normales a pesar del aumento en el consumo de glucosa

que ocurre en esta situacin. En una etapa inicial, las clulas musculares obtienen ATP a partir de la

creatina fosfato. Sin embargo, la cantidad de creatina fosfato en el msculo puede sostener el ejercicio

slo duante perodos muy breves. Por lo tanto, luego de esta etapa inicial comienzan a degradarse los

depsitos de glucgeno muscular, y la glucosa obtenida es oxidada en el msculo para aportar ATP.

La disponibilidad de ATP en el msculo durante el ejercicio se mantiene por los siguientes procesos:

a) Adenilato quinasa

Cuando el ATP se convierte en ADP (durante la contraccin muscular), la adenilato quinasa

regenera el ATP produciendo AMP en el proceso, en la siguiente reaccin:

adenilato quinasa

2 ADP ATP + AMP

El aumento en los niveles de AMP activa la gluclisis estimulando a la FFQ1 y tambin a la

fosforilasa b. La fosforilasa b tambin puede activarse por fosforilacin convirtindose en fosforilasa a.

La fosforilacin de la fosforilasa b tambin se estimula por un aumento en los niveles de calcio, que

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proviene del retculo sarcoplsmico. El Ca2+ se une a calmodulina y este complejo activa a la

fosforilasa quinasa que fosforila y activa a la fosforilasa.

2 ADP ATP + AMP

ADP Pi

2 ADP ATP + AMP

Msculo en reposo: 1,0 mM 5mM 0,2mM

Msculo en ejercicio: 1,5mM 4 mM 0,8mM

Con la actividad muscular, los cambios en las concentraciones de ATP y ADP son relativamente

pequeos. Sin embargo, a travs de la adenilato quinasa, los niveles de AMP aumentan

marcadamente durante el ejercicio (como vemos en el ejemplo, hay 4 veces de aumento en los

niveles de AMP en el ejercicio respecto del reposo). De esta forma, los niveles de AMP representan

una seal intracelular muy importante en la regulacin del metabolismo muscular (por ej. recordar que

es activador de la movilizacin de glucgeno)

Fuentes de combustible para la contraccin muscular

Fuente

Velocidad

max. de prod.

(mmol/seg)

~ P total disp

(mmol)

ATP muscular 223

Creatina-P 73,3 446

Glucgeno muscular Lactato 39,1 6700

Gucgeno muscular CO2 16,7 84000

Glucgeno heptico CO2 6,2 19000

cidos grasos (adiposo) CO2 6,7 4000000

b) Creatina Fosfoquinasa/ Fosfocreatina

La fosfocreatina es una reserva de enlaces fosfato de alta energa.

Fosfocreatina + ADP ATP + creatina

Aunque la reaccin de la fosfocreatina es la ms rpida para producir ATP, la cantidad de ATP

producido en esta reaccin es considerablemente pequea. En un ejercicio intenso, las reservas de

fosfocreatina se agotan aproximadamente a los 30 - 40 segundos. Los corredores olmpicos son

capaces de correr 100 m casi sin respirar y aproximadamente la mitad de la energa que usan en la

corrida proviene de los enlaces de alta energa acumulados como creatina fosfato. Mientras que la

fosfocreatina es importante para un mximo rendimiento, otras fuentes de produccin de energa

deben ponerse en juego despus de los primeros 30 segundos de una corrida rpida y corta. Despus

de haber agotado las reservas de fosfocreatina el msculo puede obtener ATP a partir de la

metabolizacin de glucosa a piruvato o lactato (gluclisis anaerbica). Por esta va, slo se obtienen 2

ATP por cada mol de glucosa o bien 3 ATP por cada resto glicosilo obtenido a partir de la

Piruvato

Adenilato

quinasa Glucgeno

Glucosa-1-P

Glucosa-6-P

+ fosforilasa b

+ FFQ-1

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glucogenolisis. La gluclisis anaerbica es un proceso rpido, pero produce cido lctico que puede

acumularse en el msculo en ejercicio, y producir acidosis. Por otra parte, el lactato puede transferirse

al hgado donde es transformado en glucosa por gluconeognesis (ciclo de Cori), lo que traslada parte

de la carga metablica del msculo al hgado. Adems, en condiciones anaerbicas, los cidos grasos

NO pueden usarse como sustratos. Por lo tanto, si slo se produce metabolismo anaerbico en el

msculo en ejercicio, las reservas de glucgeno muscular se agotarn rpidamente y se iniciar la

captacin de glucosa sangunea, lo que puede provocar hipoglucemia y un malfuncionamiento del

SNC.

Los depsitos de glucgeno en el msculo son suficientes para realizar ejercicios como

levantar pesas o empujar un objeto, pero slo por perodos cortos (aproximadamente 2 min). Durante

el ejercicio intenso, se libera a la sangre la hormona adrenalina que se une a receptores de membrana

en las clulas musculares, y activa a la adenilato ciclasa. Cuando los niveles de AMPc aumentan, la

PKA se activa y cataliza la fosforilacin de la fosforilasa quinasa, que se activa y fosforila a la

glucgeno fosforilasa. La fosforilasa a cataliza la conversin de glucgeno a glucosa 1 fosfato, la que

por la fosfoglucomutasa se convierte en glucosa 6 fosfato que entra a la gluclisis. En los msculos

que contienen muchas fibras glucolticas (como los pectorales), se produce ATP principalmente por

gluclisis, siendo lactato el producto principal.

A diferencia del ejercicio intenso, el ejercicio moderado puede sostenerse por perodos largos.

Un individuo entrenado, por ejemplo, puede correr durante muchas horas. Los msculos de la pierna

contienen gran cantidad de fibras de contraccin lenta (rojas) que son capaces de oxidar combustibles

a CO2 y H2O, dado que contienen ms mitocondrias que los msculos compuestos

predominantemente por fibras glicolticas de contraccin rpida (blancas). Los msculos utilizados en

ejercicios violentos y de corta duracin (carera de 100 m) tienen predominio de stas ltimas fibras.

Cuando el flujo sanguneo del msculo en ejercicio aumenta, un proceso que requiere de 5 a

10 minutos, aumenta la llegada de combustibles sanguneos y de oxgeno al msculo. En estas

condiciones, el msculo puede captar combustibles, principalmente glucosa y cidos grasos y los

oxida para obtener ATP.

Por lo tanto, en estas condiciones el aporte de glucosa de la sangre debe ser restaurado. El hgado

produce glucosa por degradacin de sus depsitos de glucgeno y por gluconeognesis. La fuente

principal de carbonos para la gluconeognesis durante el ejercicio es el lactato producido por el

msculo en ejercicio, pero tambin se utilizan aminocidos y glicerol. La adrenalina liberada durante el

ejercicio estimula la glucogenolisis y la gluconeognesis hepticas, a travs de un aumento en los

niveles de AMPc. En estas condiciones, el msculo puede oxidar cidos grasos y una pequea

proporcin de cuerpos cetnicos provenientes de la circulacin, que se producen como consecuencia

de la liplisis de los TAG del tejido adiposo. Durante el ejercicio prolongado, los cidos grasos son el

combustible principal del msculo en ejercicio, lo que permite que otros tejidos con dependencia

absoluta por glucosa no se vean afectados. La utilizacin de cidos grasos en lugar de glucosa como

combustible en el msculo esqueltico depende de diversos factores, como la disponibilidad de cidos

grasos en el torrente sanguneo, que a su vez, depende de su liberacin por el tejido adiposo por un

proceso regulado por la lipasa hormona-sensible. Durante un ejercicio prolongado, se observa una

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pequea disminucin en los niveles de insulina, y un aumento de los niveles de glucagon,

catecolaminas, cortisol y posiblemente hormona de crecimiento que activan la liplisis en el adipocito.

Asimismo, productos de la oxidacin de los cidos grasos inhiben la gluclisis muscular, dado que la

actividad de la piruvato deshidrogenada es inhibida por AcetilCoA, NADH y ATP, que aumentan

cuando se produce beta-oxidacin. En estas condiciones, la concentracin de AMP baja, la de ATP

sube y la actividad de la fosfofructoquinasa 1 (PFK-1) disminuye. El transporte de glucosa hacia el

msculo esqueltico est mediado por el transportador GLUT4 que es activado por insulina o el

ejercicio. La oxidacin de los cuerpos cetnicos tambin aumenta durante el ejercicio. Su utilizacin

como combustible depende de su velocidad de produccin heptica. Sin embargo, los cuerpos

cetnicos nunca son el principal combustible para el msculo (el msculo siempre prefiere cidos

grasos libres). Adems, para la degradacin de cidos grasos como combustible, la acetil CoA

carboxilasa debe estar inactivada, es decir deben ser bajos los niveles de malonilCoA que inhiben la

entrada de los acilCoA a la mitocondria. Este proceso ocurre porque se activa la AMP-PK que

catalizar (e inactiva) a la acetil-CoA carboxilasa.

El control metablico es especfico de cada rgano

Los mecanismos de integracin metablica pueden diferir en los diferentes tejidos. Si bien

todas las clulas del organismo estn equipadas con la misma informacin gentica, los diferentes

tipos celulares expresan o suprimen diferentes genes, en forma especfica. Por lo tanto, los tejidos

difieren en su expresin enzimtica, en su respuesta a hormonas y en el transporte de diversas

sustancias.

Hgado

El hgado esta estratgicamente ubicado entre la circulacin general y el tracto digestivo.

Como ya se mencion, una de las funciones centrales del hgado es mantener la glucemia dentro de

lmites estrictos. Sin embargo, en el hgado se produce tambin un sinnmero de reacciones que

permiten monitorear, reciclar, modificar y distribuir todos los metabolitos absorbidos en el tracto

digestivo. El hgado recibe todos los nutrientes que entran a la sangre proveniente del tracto digestivo

por la circulacin enteroheptica a travs del sistema porta. Esto le permite cumplir con algunas de

sus funciones especficas (como por ejemplo la sntesis de las protenas de la coagulacin) y

metabolizar y eliminar compuestos txicos ingeridos (por ej. alcohol) o productos metablicos txicos

(como el amonaco). Adems del aporte sanguneo de la vena porta, el hgado recibe a travs de la

arteria heptica, sangre rica en oxgeno y en metabolitos provenientes de tejidos perifricos, que

fueron secretados a la circulacin (por ej. glucosa, aminocidos, ciertas protenas complejo hierro-

transferrina, LDL remanentes, quilomicrones remanentes y tambin metabolitos de desecho

producidos en el metabolismo de distintos tejidos). Por otro lado, el hgado cumple una importante

funcin secretora de molculas sintetizadas localmente (por ej. VLDL y protenas sricas). La

secrecin de VLDL no slo distribuye el exceso de caloras hacia el tejido adiposo para su

almacenamiento, sino tambin fosfolpidos y colesterol hacia otros tejidos. Adems, el hgado puede

convertir aminocidos en glucosa, cidos grasos y cuerpos cetnicos.

Msculo esqueltico

El msculo esqueltico representa casi la mitad del peso corporal. A pesar de usar una gran

parte de la glucosa que consumimos diariamente, el msculo no realiza gluconeognesis, no puede

desfosforilar a la glucosa 6-P y por lo tanto no puede generar glucosa libre y contribuir al

mantenimiento de la glucemia. El msculo carece de receptores para glucagon y por lo tanto, no

responde a las variaciones en los niveles sanguneos de esta hormona. Las grandes reservas de

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glucgeno muscular no pueden ser movilizadas para mantener la glucemia, pero son importantes para

el metabolismo energtico local, a travs de la activacin del sistema adrenrgico. Si se realiza

metabolismo anaerbico, se incrementa la formacin de lactato que puede ser transportado a otros

tejidos. El corazn usa grandes cantidades de lactato producido por otros tejidos. A diferencia del

hgado, el msculo esqueltico carece de actividad de cido grasa sintetasa y por lo tanto no puede

sintetizar cidos grasos ni triglicridos. Sin embargo, el paso inicial en la sntesis de cidos grasos (la

sntesis de malonilCoA) est activo y sujeto al control de la AMP Kinasa. Como ya mencionamos, el

malonilCoA regula el transporte de cidos grasos en la membrana mitocondrial interna y por lo tanto la

velocidad de oxidacin de cidos grasos en el msculo esqueltico.

Corazn

El metabolismo del msculo cardaco difiere del metabolismo del msculo esqueltico en

diferentes aspectos. El metabolismo cardaco en condiciones normales es completamente aerbico,

mientras que el msculo esqueltico puede funcionar anaerbicamente por perodos cortos. El

corazn no contiene reservas apreciables de combustibles metablicos, ya sea glucgeno o lpidos,

aunque contiene una pequea cantidad de fosfocreatina. Por lo tanto, el aporte de oxgeno y

nutrientes debe ser continuo. El corazn puede utilizar cidos grasos, cuerpos cetnicos, glucosa y

lactato. Luego de una ingesta, predomina la utilizacin de lactato y glucosa, pero en el ayuno o

durante el ejercicio predomina la de cidos grasos. Recin en condiciones extremas, como carreras

de 100 m o cuando la irrigacin disminuye (como en la ateroesclerosis o infarto de miocardio) puede

realizar gluclisis anaerbica.

Cerebro

El cerebro debe generar grandes cantidades de ATP para mantener el potencial de membrana,

lo que resulta esencial para la transmisin de los impulsos nerviosos. En condiciones normales, el

cerebro slo usa glucosa como combustible, oxidndola a travs de la gluclisis aerbica. No utiliza

cidos grasos, pues stos no atraviesan la barrera hematoenceflica. De hecho, el 60% del total de

glucosa consumida por el organismo es utilizado por el cerebro. El metabolismo del cerebro es

totalmente aerbico, consume el 20% del total del oxgeno consumido por el organismo. No posee

reservas apreciables de glucgeno u otros combustibles, por lo que requiere del aporte constante de

oxgeno y glucosa que atraviesan la barrera hematoenceflica con facilidad. Despus de 5-10 das de

ayuno, el cerebro comienza a utilizar cuerpos cetnicos adems de glucosa, reduciendo notoriamente

el consumo de glucosa.

Por qu los cuerpos cetnicos reemplazan slo parcialmente los requerimientos de glucosa del cerebro? Las clulas gliales se alinean con los vasos sanguneos que irrigan el cerebro y forman una barrera que los cidos grasos no pueden cruzar. Las clulas gliales captan glucosa y la metabolizan por gluclisis anaerbica a lactato, que es exportado hacia las regiones ms internas del cerebro. All, el lactato sirve como sustrato para el metabolismo aerbico. Por lo tanto, las clulas de la gla parecen ser parcialmente dependientes del metabolismo anaerbico y los cuerpos cetnicos no son sustratos de esta va metablica. Esto bien puede explicar la dependencia del SNC por glucosa, adems de los cuerpos cetnicos, aun en estado de inanicin.

Tejido adiposo

La funcin principal del tejido adiposo es almacenar combustibles lipdicos en forma de TAG.

Como ya se ha descripto, el transporte de glucosa a los adipocitos es un mecanismo que depende de

insulina. Los cidos grasos se sintetizan a partir del acetilCoA que proviene del piruvato y de NADPH

(procedente de la va de las pentosas). El glicerol 3 fosfato necesario para la sntesis de TAG proviene

de la reduccin de un intermediario de la gluclisis, la dihidroxiacetona fosfato, ya que los adipocitos

21

carecen de la capacidad de fosforilar al glicerol, por no expresar la enzima glicerol quinasa. Por lo

tanto, la sntesis de TAG depende absolutamente de glucosa. La glucosa funciona como sensor del

metabolismo del tejido, cuando sus niveles son adecuados, se produce glicerol 3 fosfato para la

sntesis de TAG y cuando los niveles son bajos, los cidos grasos sintetizados se liberan de los

adipocitos y son utilizados por otros tejidos.

Eritrocitos

El eritrocito es una clula especializada en el transporte de oxgeno, dixido de carbono y

protones. La falta de mitocondrias le impide un metabolismo aerbico, reduciendo sus posibilidades de

obtencin de energa a la gluclisis anaerbica con formacin de lactato, que pasa a sangre y puede

utilizarse como combustible por tejidos como el corazn o como precursor gluconeogentico por el

hgado. La reduccin del piruvato a lactato es fundamental para reoxidar el NADH y permitir que la

gluclisis siga ocurriendo. Los requerimientos energticos del eritrocito se basan en el mantenimiento

de su forma bicncava (que asegura un transporte adecuado de gases e impide la remocin por las

clulas del sistema retculo endotelial) y de su ambiente inico interno. Adems de la gluclisis

anaerbica, el eritrocito utiliza la glucosa para obtener NADPH por la va de las pentosas. El NADPH

se utiliza para evitar la oxidacin del hierro de la hemoglobina, que en esa forma no podra transportar

el oxgeno. Adems, el NADPH es necesario para mantener elevados los niveles de glutatin reducido

que se emplea como defensa contra los radicales libres del oxgeno. Finalmente, la glucosa tambin

es utilizada en el glbulo rojo en una derivacin de la va glucoltica para sintetizar 2,3 difosfoglicerato

(2,3 DPG) a partir de 1,3 difosfoglicerato, cuya funcin es disminuir la afinidad de la hemoglobina por

el oxgeno, permitiendo una mayor liberacin de oxgeno en los tejidos.

REGULACIN HORMONAL DE LA UTILIZACIN DEL COMBUSTIBLE METABLICO

Las principales hormonas que intervienen en la regulacin de la glucemia son la insulina, el

glucagon y las catecolaminas. Tambin son importantes los glucocorticoides y la hormona de

crecimiento.

La concentracin de glucosa en sangre es el estmulo primario para la secrecin de insulina y

glucagon. La hipoglucemia estimula la secrecin de glucagon que favorece la degradacin del

glucgeno heptico (pero no del muscular). Una hipoglucemia severa induce la secrecin de

adrenalina de la mdula adrenal que estimula la degradacin de glucgeno muscular. El glucagon y la

adrenalina promueven adems la liplisis en el tejido adiposo, aumentando la concentracin

sangunea de cidos grasos y aportando sustrato para la cetognesis heptica.

Por el contrario, la hiperglucemia induce un aumento en la secrecin de insulina. Al igual que

los hepatocitos, las clulas expresan el transportador de glucosa de baja afinidad GLUT2 y la

enzima glucoquinasa de baja afinidad por la glucosa. Por ese motivo, slo en presencia de altas

concentraciones de glucosa en sangre se produce captacin y fosforilacin de glucosa en estas

clulas. La subsecuente metabolizacin de la glucosa-6-fosfato parece ser el evento que

desencadena la liberacin de insulina.

Un balance adecuado de estas dos hormonas antagnicas permite una adecuada homeostasis

de la glucemia, efecto que puede perderse en condiciones de deficiencia de insulina (como la

diabetes), quemaduras graves y shock hemorrgico. Adems la concentracin sangunea de glucagon

se reduce por la somatostatina, hormona que tambin inhibe la secrecin de somatotrofina (hormona

de crecimiento).

Insulina

En trminos generales la insulina promueve:

1) la captacin de sustratos por determinadas clulas

22

2) el almacenamiento de combustibles como glucgeno y lpidos

3) la biosntesis de macromolculas como cidos nucleicos y protenas

Ms en detalle, la insulina produce:

-Aumento de la permeabilidad a la glucosa en msculo y tejido adiposo, por exposicin del

transportador GLUT4 en las membranas plasmticas.

- Activacin de la gluclisis y de la va de las pentosas en el hgado y tejido adiposo por

induccin de las enzimas clave (fosfofructoquinasa y glucosa-6-fosfato deshidrogenasa,

respectivamente), lo que permite la generacin de energa y de precursores para la sntesis de AG

(NADPH y acetilCoA) y de TAG (glicerol-3-fosfato, proveniente de la reduccin de la dihidroxiacetona

fosfato).

- Activacin de la sntesis de cidos grasos y triacilglicridos en hgado y tejido adiposo, al

aumentar el aporte de precursores y por induccin de la enzima acetilCoA carboxilasa. De esta

manera se favorece la formacin de la lipoprotena VLDL en el hgado, que por sangre llega a los

tejidos perifricos donde es sustrato de la lipoproten- lipasa, enzima cuya sntesis tambin se induce

por insulina.

- Inhibicin de la gluconeognesis en hgado al disminuir las actividades de fructosa- 1,6-

difosfatasa y de fosfoenolpiruvato carboxiquinasa. Este efecto se debe en parte al aumento de los

niveles de fructosa-2,6-difosfato.

- Aumento de la sntesis e inhibicin de la degradacin de glucgeno en hgado y msculo.

A nivel heptico, se ha descripto recientemente una protena quinasa B, que se activa por fosforilacin

desencadenada por insulina. La protena quinasa B fosforila a una enzima denominada glucgeno

sintasa quinasa (GSK), inactivndola. De esta forma, no fosforila a la glucgeno sintasa y sta se

mantiene activa, con la consecuente sntesis de glucgeno. Tanto en el hgado como en el msculo, la

activacin de fosfodiesterasas disminuye los niveles de AMPc inactivndose por lo tanto la protena

quinasa A. Adems, la insulina activa fosfatasas con lo cual disminuye el grado de fosforilacin de la

fosforilasa quinasa y de la glucgeno fosforilasa inactivando ambas enzimas. En consecuencia

disminuye la glucogenlisis. La desfosforilacin de enzimas tambin contribuye a mantener la

glucgeno sintasa en estado activo.

-Efecto antilipoltico debido a la disminucin en los niveles de AMPc intracelular por activacin de

fosfodiesterasas. Tambin contribuye la activacin de fosfatasas. En consecuencia, se inactiva la

lipasa hormono sensible y se reduce la hidrlisis de TAG en tejido adiposo.

- Aumento de la captacin de aminocidos en msculo, con incremento de la sntesis de

protena muscular.

Glucagon

El principal rgano blanco del glucagon es el hgado, donde interacta con receptores

especficos acoplados a la adenilato ciclasa. Su mecanismo de accin involucra el incremento en los

niveles de AMPc. Consecuentemente se activan la glucogenlisis (glucgeno fosforilasa fosforilada y

por lo tanto, activa) y se inhibe la glucogenognesis (glucgeno sintetasa fosforilada y por lo tanto,

inactiva). Adems por fosforilacin de la FFQ2 disminuye su actividad de quinasa y aumenta su

actividad de fosfatasa, con lo que se hidroliza la fructosa-2,6-difosfato, se inhibe la gluclisis y se

activa la gluconeognesis. El glucagon tambin inhibe a la piruvato quinasa heptica causando una

acumulacin de PEP y una disminucin en los niveles de piruvato. La acumulacin de PEP promueve

la gluconeognesis, mientras que la inhibicin de la piruvato quinasa disminuye la actividad de la va

glucoltica.

Varias enzimas se inducen cuando los niveles de glucagon son elevados, fundamentalmente

las que catalizan los pasos claves de la gluconeognesis, la glucosa-6-fosfatasa, la fosfoenolpiruvato

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carboxiquinasa y la fructosa-1,6-difosfatasa.

El glucagon tambin aumenta los niveles de AMPc en el tejido adiposo, donde promueve la

movilizacin de los depsitos de TAG por activacin de la liplisis (activa la lipasa hormono sensible).

Asimismo, al aumentar el nivel de cidos grasos libres y su captacin por el hgado, los acilCoA

inhiben alostricamente la acetilCoA carboxilasa, que tambin se inhibe por fosforilacin inducida por

glucagon. Como resultado, la sntesis de cidos grasos en el hgado se inhibe.

Catecolaminas

Las catecolaminas, adrenalina y noradrenalina, funcionan como hormonas al liberarse a la

sangre por la mdula adrenal. La hipoglucemia es uno de los estmulos para la liberacin de estas

hormonas. En el msculo, sus receptores estn acoplados a la adenilato ciclasa y se produce un

incremento en los niveles de AMPc activando la glucogenlisis. En consecuencia, la captacin de

glucosa por el msculo disminuye y la glucemia aumenta. La adrenalina tambin inhibe la secrecin

de insulina y estimula la de glucagon. Este efecto aumenta la produccin y liberacin de glucosa por el

hgado con incremento en la glucemia. Al igual que el glucagon, la adrenalina estimula la liplisis (a

travs de la protena quinasa A).

Glucocorticoides

Los glucocorticoides tienen acciones diversas que afectan la mayora de los tejidos del

organismo, alguno de estos efectos pareceran ser contradictorios, pero si se los analiza en conjunto,

se puede ver que promueven la sobrevida en situaciones de estrs. Son moduladores lentos del

metabolismo de los combustibles circulantes. Sus efectos se relacionan con la regulacin de la

expresin de enzimas clave de varias vas metablicas. Inducen la expresin de las enzimas de la

gluconeognesis: piruvato carboxilasa, fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, fructosa-1,6-difosfatasa y

glucosa-6-fosfatasa. Asimismo, por sus efectos catablicos sobre las protenas tisulares en

condiciones de estrs, aportan sustratos para la gluconeognesis. Adems, facilitan la liplisis

inducida por otros agentes como glucagn y catecolaminas.

Hormona de crecimiento

Ejerce un efecto hiperglucemiante y lipoltico, es decir, opuesto al de la insulina. En ese

sentido, disminuye la utilizacin perifrica de glucosa y estimula su produccin heptica por

gluconeognesis. Se ha demostrado tambin que la hormona de crecimiento acenta la movilizacin

de grasas de los depsitos, incrementando los niveles de glicerol y cidos grasos libres en plasma.