El metabolismo de los carbohidratos es el conjunto de procesos bioquímicos responsables de la formación , descomposición e interconversión metabólica de los carbohidratos en los organismos vivos .
Los carbohidratos son fundamentales para muchas vías metabólicas esenciales . [1] Las plantas sintetizan carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua a través de la fotosíntesis , lo que les permite almacenar internamente la energía absorbida de la luz solar. [2] Cuando los animales y los hongos consumen plantas, utilizan la respiración celular para descomponer estos carbohidratos almacenados y poner energía a disposición de las células. [2] Tanto los animales como las plantas almacenan temporalmente la energía liberada en forma de moléculas de alta energía, como el trifosfato de adenosina (ATP), para su uso en varios procesos celulares. [3]
Los humanos pueden consumir una variedad de carbohidratos, la digestión descompone los carbohidratos complejos en monómeros simples ( monosacáridos ): glucosa , fructosa , manosa y galactosa . Después de la reabsorción en el intestino , los monosacáridos son transportados, a través de la vena porta , al hígado, donde todos los monosacáridos no glucosa (fructosa, galactosa) también se transforman en glucosa. [4] La glucosa ( azúcar en sangre ) se distribuye a las células en los tejidos, donde se descompone a través de la respiración celular o se almacena como glucógeno . [3] [4] En la respiración celular (aeróbica), la glucosa y el oxígeno se metabolizan para liberar energía, con dióxido de carbono y agua como productos finales. [2] [4]
La glucólisis es el proceso de descomposición de una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato , mientras se almacena la energía liberada durante este proceso en forma de trifosfato de adenosina (ATP) y dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH). [2] Casi todos los organismos que descomponen la glucosa utilizan la glucólisis. [2] La regulación de la glucosa y el uso del producto son las categorías principales en las que estas vías difieren entre organismos. [2] En algunos tejidos y organismos, la glucólisis es el único método de producción de energía. [2] Esta vía es común tanto a la respiración anaeróbica como a la aeróbica. [1]
La glucólisis consta de diez pasos, divididos en dos fases. [2] Durante la primera fase, requiere la descomposición de dos moléculas de ATP. [1] Durante la segunda fase, la energía química de los intermediarios se transfiere al ATP y al NADH. [2] La descomposición de una molécula de glucosa da como resultado dos moléculas de piruvato, que pueden oxidarse aún más para acceder a más energía en procesos posteriores. [1]
La glucólisis se puede regular en diferentes etapas del proceso mediante regulación por retroalimentación. La etapa que más se regula es la tercera. Esta regulación tiene como objetivo garantizar que el cuerpo no produzca moléculas de piruvato en exceso. La regulación también permite el almacenamiento de moléculas de glucosa en ácidos grasos. [5] Existen varias enzimas que se utilizan durante la glucólisis. Las enzimas regulan positivamente , negativamente y regulan por retroalimentación el proceso.
La gluconeogénesis (GNG) es una vía metabólica que resulta en la generación de glucosa a partir de ciertos sustratos de carbono no carbohidratos . Es un proceso ubicuo, presente en plantas, animales, hongos, bacterias y otros microorganismos. [6] En los vertebrados, la gluconeogénesis ocurre principalmente en el hígado y, en menor medida, en la corteza de los riñones . Es uno de los dos mecanismos primarios –el otro es la degradación del glucógeno ( glucogenólisis )– utilizado por los humanos y muchos otros animales para mantener los niveles de azúcar en sangre , evitando niveles bajos ( hipoglucemia ). [7] En los rumiantes , debido a que los carbohidratos de la dieta tienden a ser metabolizados por los organismos del rumen , la gluconeogénesis ocurre independientemente del ayuno, las dietas bajas en carbohidratos, el ejercicio, etc. [8] En muchos otros animales, el proceso ocurre durante períodos de ayuno , inanición , dietas bajas en carbohidratos o ejercicio intenso .
En los seres humanos, los sustratos para la gluconeogénesis pueden provenir de cualquier fuente no carbohidrato que pueda convertirse en piruvato o intermediarios de la glucólisis (ver figura). Para la descomposición de proteínas , estos sustratos incluyen aminoácidos glucogénicos (aunque no aminoácidos cetogénicos ); de la descomposición de lípidos (como triglicéridos ), incluyen glicerol , ácidos grasos de cadena impar (aunque no ácidos grasos de cadena par, ver más abajo); y de otras partes del metabolismo incluyen lactato del ciclo de Cori . En condiciones de ayuno prolongado, la acetona derivada de cuerpos cetónicos también puede servir como sustrato, proporcionando una vía desde los ácidos grasos a la glucosa. [9] Aunque la mayor parte de la gluconeogénesis ocurre en el hígado, la contribución relativa de la gluconeogénesis por parte del riñón aumenta en la diabetes y el ayuno prolongado. [10]
La vía de la gluconeogénesis es altamente endergónica hasta que se acopla a la hidrólisis de ATP o guanosina trifosfato (GTP), lo que hace que el proceso sea efectivamente exergónico . Por ejemplo, la vía que conduce del piruvato a la glucosa-6-fosfato requiere 4 moléculas de ATP y 2 moléculas de GTP para proceder espontáneamente. Estos ATP se obtienen del catabolismo de los ácidos grasos a través de la beta oxidación . [11]
La glucogenólisis se refiere a la descomposición del glucógeno. [12] En el hígado, los músculos y el riñón, este proceso ocurre para proporcionar glucosa cuando es necesario. [12] Una sola molécula de glucosa se escinde de una rama del glucógeno y se transforma en glucosa-1-fosfato durante este proceso. [1] Esta molécula puede luego convertirse en glucosa-6-fosfato , un intermediario en la vía de la glucólisis. [1]
La glucosa-6-fosfato puede entonces avanzar a través de la glucólisis. [1] La glucólisis solo requiere el aporte de una molécula de ATP cuando la glucosa se origina en el glucógeno. [1] Alternativamente, la glucosa-6-fosfato puede convertirse nuevamente en glucosa en el hígado y los riñones, lo que le permite elevar los niveles de glucosa en sangre si es necesario. [2]
El glucagón en el hígado estimula la glucogenólisis cuando la glucosa en sangre disminuye, lo que se conoce como hipoglucemia. [12] El glucógeno en el hígado puede funcionar como una fuente de respaldo de glucosa entre comidas. [2] El glucógeno hepático sirve principalmente al sistema nervioso central. La adrenalina estimula la descomposición del glucógeno en el músculo esquelético durante el ejercicio. [12] En los músculos, el glucógeno asegura una fuente de energía de rápido acceso para el movimiento. [2]
La glucogénesis se refiere al proceso de síntesis de glucógeno. [12] En los seres humanos, la glucosa se puede convertir en glucógeno a través de este proceso. [2] El glucógeno es una estructura altamente ramificada, que consiste en la proteína central glucogenina , rodeada de ramas de unidades de glucosa, unidas entre sí. [2] [12] La ramificación del glucógeno aumenta su solubilidad y permite que un mayor número de moléculas de glucosa sean accesibles para su descomposición al mismo tiempo. [2] La glucogénesis ocurre principalmente en el hígado, los músculos esqueléticos y los riñones. [2] La vía de la glucogénesis consume energía, como la mayoría de las vías sintéticas, porque se consume un ATP y un UTP por cada molécula de glucosa introducida. [13]
La vía de la pentosa fosfato es un método alternativo de oxidación de la glucosa. [12] Ocurre en el hígado, el tejido adiposo , la corteza suprarrenal , los testículos , las glándulas mamarias , los fagocitos y los glóbulos rojos . [12] Produce productos que se utilizan en otros procesos celulares, al tiempo que reduce el NADP a NADPH. [12] [14] Esta vía se regula a través de cambios en la actividad de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. [14]
La fructosa debe pasar por ciertos pasos adicionales para poder entrar en la vía de la glucólisis. [2] Las enzimas ubicadas en ciertos tejidos pueden agregar un grupo fosfato a la fructosa. [12] Esta fosforilación crea fructosa-6-fosfato, un intermediario en la vía de la glucólisis que se puede descomponer directamente en esos tejidos. [12] Esta vía ocurre en los músculos, el tejido adiposo y el riñón. [12] En el hígado, las enzimas producen fructosa-1-fosfato, que ingresa a la vía de la glucólisis y luego se escinde en gliceraldehído y fosfato de dihidroxiacetona. [2]
La lactosa, o azúcar de la leche, está formada por una molécula de glucosa y una molécula de galactosa. [12] Después de separarse de la glucosa, la galactosa viaja al hígado para convertirse en glucosa. [12] La galactoquinasa utiliza una molécula de ATP para fosforilar la galactosa. [2] La galactosa fosforilada se convierte luego en glucosa-1-fosfato y, finalmente, en glucosa-6-fosfato, que se puede descomponer en la glucólisis. [2]
Muchos pasos del metabolismo de carbohidratos permiten a las células acceder a energía y almacenarla de manera más transitoria en ATP. [15] Los cofactores NAD + y FAD a veces se reducen durante este proceso para formar NADH y FADH 2 , que impulsan la creación de ATP en otros procesos. [15] Una molécula de NADH puede producir entre 1,5 y 2,5 moléculas de ATP, mientras que una molécula de FADH 2 produce 1,5 moléculas de ATP. [16]
Por lo general, la descomposición completa de una molécula de glucosa por respiración aeróbica (es decir, que involucra la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa , siendo esta última la que proporciona la mayor cantidad de energía) suele ser de alrededor de 30 a 32 moléculas de ATP. [16] La oxidación de un gramo de carbohidratos produce aproximadamente 4 kcal de energía . [3]
La glucoregulación es el mantenimiento de niveles constantes de glucosa en el cuerpo.
Las hormonas liberadas por el páncreas regulan el metabolismo general de la glucosa. [17] La insulina y el glucagón son las hormonas principales implicadas en el mantenimiento de un nivel constante de glucosa en la sangre, y la liberación de cada una está controlada por la cantidad de nutrientes disponibles en ese momento. [17] La cantidad de insulina liberada en la sangre y la sensibilidad de las células a la insulina determinan la cantidad de glucosa que las células descomponen. [4] El aumento de los niveles de glucagón activa las enzimas que catalizan la glucogenólisis e inhibe las enzimas que catalizan la glucogénesis. [15] Por el contrario, la glucogénesis se mejora y la glucogenólisis se inhibe cuando hay altos niveles de insulina en la sangre. [15]
El nivel de glucosa circulante (conocido informalmente como "azúcar en sangre"), así como la detección de nutrientes en el duodeno, es el factor más importante que determina la cantidad de glucagón o insulina producida. La liberación de glucagón se precipita por niveles bajos de glucosa en sangre, mientras que niveles altos de glucosa en sangre estimulan a las células a producir insulina. Debido a que el nivel de glucosa circulante está determinado en gran medida por la ingesta de carbohidratos en la dieta, la dieta controla los aspectos principales del metabolismo a través de la insulina. [18] En los humanos, la insulina es producida por las células beta en el páncreas , la grasa se almacena en las células del tejido adiposo y el glucógeno es almacenado y liberado según sea necesario por las células del hígado. Independientemente de los niveles de insulina, no se libera glucosa a la sangre desde las reservas internas de glucógeno de las células musculares.
Los carbohidratos se almacenan típicamente como polímeros largos de moléculas de glucosa con enlaces glucosídicos para soporte estructural (p. ej. quitina , celulosa ) o para almacenamiento de energía (p. ej. glucógeno , almidón ). Sin embargo, la fuerte afinidad de la mayoría de los carbohidratos por el agua hace que el almacenamiento de grandes cantidades de carbohidratos sea ineficiente debido al gran peso molecular del complejo agua-carbohidrato solvatado. En la mayoría de los organismos, el exceso de carbohidratos se cataboliza regularmente para formar acetil-CoA , que es una materia prima para la vía de síntesis de ácidos grasos ; los ácidos grasos , los triglicéridos y otros lípidos se utilizan comúnmente para el almacenamiento de energía a largo plazo. El carácter hidrofóbico de los lípidos los convierte en una forma mucho más compacta de almacenamiento de energía que los carbohidratos hidrofílicos. La gluconeogénesis permite sintetizar glucosa a partir de varias fuentes, incluidos los lípidos. [19]
En algunos animales (como las termitas ) [20] y algunos microorganismos (como los protistas y las bacterias ), la celulosa puede desmantelarse durante la digestión y absorberse como glucosa. [21]
