FUNCIONES Y METABOLISMO DE LOS NUTRIENTES

CHO`S

PTS

LIPIDOS

• La diferencia entre la ingesta de nutrientes y su utilización es lo que se denomina balance de nutrientes. Todos estos componentes químicos del organismo no se encuentran en un estado estático sino que son continuamente degradados, mediante reacciones catabólicas, y sintetizados de nuevo (turnover).

• Se agrupan en conjuntos denominados pools tanto a nivel molecular como celular, tisular y del organismo en su conjunto.

• Los procesos metabólicos implicados en la ruptura y oxidación de los macronutrientes, con liberación de energía se denominan vías catabólicas.

• Los procesos metabólicos relacionados con la síntesis de macromoléculas se denominan vías anabólicas.

Funciones de los Nutrientes

Metabolismo• Transformaciones químicas que sufren los

nutrientes en los tejidos, una vez superados los procesos de digestión y absorción correspondientes.

• Incluye reacciones de tipo:– Catabolismo– Anabolismo

Los Nutrientes como Combustibles Metabólicos

• Puede definirse como un compuesto circulante que es tomado por los tejidos para la producción de energía

• Existen 2 tipos de combustible para el organismo:

ExógenosEndógenos

Derivados de la Ingesta de Alimentos

Derivados directamente de los almacenes tisulares o de la oxidación

incompleta de otros combustibles

• Las fuentes de combustible contenidas en los alimentos son: – los Macronutrientes (Proteínas, Hidratos de Carbono, Grasas)

• La diferencia entre la ingesta de nutrientes y su utilización– Balance de Nutrientes

• Todos estos componentes químicos del organismo no se encuentran en un estado estático sino que son continuamente degradados, mediante reacciones catabólicas y sintetizados de nuevo:– Turnover

• Los Nutrientes y los metabolitos se agrupan en conjuntos: – pools

• La combustión de estos Macronutrientes nos da la formación de CO2 así como la oxidación nos da la formación de agua y urea

Los Nutrientes como Sillares Estructurales

• Los alimentos no sólo suministran energía utilizable por el organismo, sino que

representan la fuente principal de sustancias de naturaleza estructural y proveen de

biocatalizadores preformados, necesarios para numerosas reacciones tanto de degradación

de los nutrientes ingeridos como de biosíntesis de otras sustancias

Fuente fundamental de los aminoácidos para la construcción de las proteínas corporales propias

No solo proveen de energía sino que son la fuente de otros compuestos estructurales como los ácidos grasos esenciales y el colesterol, fundamentales para la estructura de las membranas celulares

No sólo se aprovechan con fines energéticos, sino que se aprovecha para la formación de numerosas estructuras en las que están implicadas glicoproteínas y glicolípidos

Elementos Minerales: Ca, P, Mg: Fuente principal de nutrientes estructurales de naturaleza inorgánica implicados en el desarrollo y mantenimiento del tejido óseo, así como en la regulación de numerosas reacciones celulares en todos los tejidos

Los Electrólitos: Na, K y Cl, involucrados en el mantenimiento de la presión osmótica celular y necesarios en el organismo para el funcionamiento de todos los tejidos se obtienen de los alimentos

Oligoelementos: Fe, Zn, Cu, Mn…desempeñan una función eminentemente estructural para muchas proteínas del ser humano, implicados en la regulación de numerosas reacciones biológicas

Nutrientes

Esenciales

No Esenciales

Semiesenciales

Nutrientes Esenciales

• Las vías anabólicas del organismo humano no posibilitan la síntesis de toda la amplia gama de compuestos necesarios para el metabolismo celular normal, siendo preciso que una parte importante de ellos sea aportada por la Dieta

• Nutrientes No Esenciales: aquellos para los que el organismo posee la correspondiente vía biosintética

• El hecho de que el organismo pueda sintetizar los nutrientes no esenciales no excluye la recomendación de que sean aportados por la dieta

• Compuestos Semiesenciales: aquellos que pueden ser sintetizados en el organismo pero en cantidades que pueden resultar insuficientes en determinados estados de requerimientos aumentados (crecimiento, embarazo, lactancia, senectud, etc.)

Funciones Específicas de los Nutrientes

Hidratos de CarbonoLípidos

Proteínas y otros componentes nitrogenados de los alimentos

Vitaminas y Minerales

Hidratos de Carbono

• Componentes orgánicos más abundantes de la mayor parte de las frutas, verduras, legumbres y cereales, contribuyendo a la textura y sabor de estos alimentos

• Representan la fuente de energía mayoritaria para el ser humano.

• Son digeridos y absorbidos en el intestino delgado y en menor medida en el intestino grueso

• Ingesta de energía recomendada: 40-60% del total de las calorías

• La siguiente tabla muestra una lista de los combustibles metabólicos utilizados por diferentes tejidos y productos liberados

Lípidos

• Constituidos por Triglicéridos (grasas) y pequeñas cantidades de otros lípidos complejos tales como fosfolípidos, colesterol y otros

Funciones

• Servir de fuente de energía metabólica• Proveer de elementos estructurales para las membranas

celulares• Servir como fuente de agentes emulsionantes para la

propia absorción de los TAG• Lubricantes de las superficies corporales• Vehículo para el transporte de vitaminas liposolubles

(A,D,E y K)• Precursores de hormonas y de otras moléculas de

señalización celular

TriglicéridosDesempeñan una función crítica en

el metabolismo como sustancias fundamentales para el

almacenamiento de energía en el organismo

Alrededor del 85% de la energía almacenada en una

adulto varón está en forma de TAG en el tejido adiposo

La Grasa de la Dieta supone una forma concentrada de energía

Cuando el equilibrio calórico de la dieta excede los requerimientos energéticos los hidratos de carbono y

aminoácidos pueden ser transformados en ácidos grasos y esterificados con glicerol para formar triglicéridos

Valor energético: 9 kcal/gr

Proteínas

• Compuestos de naturaleza nitrogenada

• Necesaria para el mantenimiento de la proteína corporal, sino imprescindible para el incremento de la proteína corporal asociada al crecimiento

Adulto: mantiene la masa corporal proteica y la capacidad de adaptación a condiciones metabólicas y ambientales

La pérdida de proteínas corporales se asocia a numerosas patologías y a un aumento de la mortalidad

Funciones• Suponen aproximadamente el 17% de la masa corporal• Desempeñan Funciones estructurales (colágenos)• Facilitan la movilidad (actina y miosina en la contracción

muscular)• Transporte de numerosas sustancias en los fluidos corporales

(hemoglobina, transferrina, etc.)• Intervienen como biocatalizadores en numerosas reacciones

biológicas (enzimas)• Participan en la regulación del Sistema innume

(inmunoglobulinas y citokinas)• Reguladores en numerosos procesos de crecimiento, desarrollo y

diferenciación celular

• La proteína corporal se encuentra distribuida en todos los órganos

Tejido Muscular

(40%)

Además de servir para la locomoción y el esfuerzo, también son la fuente de

aminoácidos en situaciones de estrés

No es un depósito como el glucógeno o la grasa, ya que su

pérdida representa una pérdida de proteína funcional

La proteína contenida en los tejidos viscerales, como el hígado e intestino,

representa apro., 10% del total corporal y no se moviliza en situaciones de estrés

30% proteína contenida en la sangre y en la

piel

Colágeno

Vitaminasy

MINERALES

Micronutrientes:

Liposolubles (A,D,E,K) Hidrosolubles (C y Complejo B).

VitaminasCompuestos orgánicos que es necesario ingerir con la

dieta en pequeñas cantidades para mantener las funciones corporales fundamentales (crecimiento, desarrollo, metabolismo e integridad celular).

No aportan energía.

Vitaminas y Minerales

• Compuestos orgánicos que es necesarios ingerir con la dieta en pequeñas cantidades para mantener las funciones corporales fundamentales (crecimiento, desarrollo, metabolismo e integridad celular)

• No son catabolizados para obtener energía y no se utilizan para propósitos estructurales: se necesitan en cantidades mucho más pequeñas que los macronutrientes

• Vitaminas Incluyen:• 8 sustancias: Complejo B (tiamina,

riboflavina, piridoxina, niacina, cobalamina, folato, biotina y ácido pantoténico)

• Vitamina C o ácido ascórbico• Vitaminas Liposolubles (A,D,E y K)

(Ca, P, MG, Na, K, Cl, S)

Microelementos

Minerales

Macroelementos

Se necesitan en cantidades diarias de más de 100 mg por el adulto.

Elementos traza Elementos ultrataza

1 y 100 mg/día

(Fe, Zn, Mn, Cu y F) Se, Mo, I, Cr, B y Co

ingesta inferior a 1mg

Equilibrio y Balance de Nutrientes

• Cuando un alimento es abundante, la energía que excede a las necesidades actuales se almacena en forma de glucógeno y triglicéridos (grasa)

• Cuando no existe disponibilidad de alimentos la energía almacenada es utilizada para satisfacer las necesidades actuales de manera que se debe cumplir la siguiente ecuación:

Depósitos de energía Corporal = Ingesta Energética – Gasto Energético

Balance de Nutrientes: el equilibrio cero indica que el aporte de energía derivada de

los nutrientes está equilibrado con su utilización y que los depósitos corporales

permanecen constantes

Balance Positivo: ocurre cuando la ingesta excede a la utilización y el almacén se expande

Balance Negativo: ocurre cuando la utilización energética es mayor que el aporte y los depósitos comienzan a vaciarse llegando incluso a la depleción completa

Recambio Metabólico de Nutrientes

• La mayoría de los sustratos metabólicos están siendo continuamente utilizados y reemplazados (recambio o turnover).

• Aunque la composición corporal permanezca constante (ingesta igual a gasto), ello no significa que las partes constituyentes permanezcan estáticas. Por el contrario, la mayoría de los sustratos metabólicos están siendo continuamente utilizados y reemplazados

Pools de nutrientes y metabolitosLos nutrientes y

metabolitos están presentes en varios pools

en el organismo. .

Para un metabolito dado existen tres pools: precursor, funcional y de

almacenamiento.

Los nutrientes esenciales y los

minerales y oligoelementos no

disponen de un pool precursor, ya que necesariamente

deben ser ingeridos con la dieta.

No todos los nutrientes disponen

de estos tres tipos de pool.

El tamaño de los pools varía

sustancialmente para cada nutriente o

metabolito.

Metabolismo Energético y Metabolismo Intermediario

• Metabolismo: – transformaciones químicas que sufren los nutrientes

en los tejidos, una vez superados los procesos de digestión y absorción correspondientes

• Metabolismo Energético:– producción y utilización de energía en las vías

metabólicas• Metabolismo Intermediario: – estudio detallado de dichas vías

Metabolismo Energético. Compuestos Ricos en Energía

Una función importante de los macronutrientes es la de suministrar energía

Los tejidos no pueden utilizar directamente la energía contenida en estos

Proceso metabólico para producir una molécula única ATP: Adenosíin Trifosfato

• La obtención de ATP a partir de los nutrientes puede hacerse por dos vías diferentes:

• a) Con el concurso del oxígeno:• fosforilación oxidativa.

• b) Sin el concurso del oxígeno: – fosforilación a nivel de sustrato.

Fosforilación Oxidativa

• La fosforilación oxidativa proporciona mucha más energía y es el procedimiento preferente.

a) Cadenas de transporte electrónico. b) Formación de ATP. c) Transporte de ATP. d) Rendimiento energético.

Cadenas de Transporte Electrónico

Están constituidas por diversas moléculas que se disponen en la membrana interna mitocondrial ordenadas de acuerdo a sus

potenciales de óxido-reducción permitiendo su aprovechamiento

biológicoLa mayoría de los transportadores están incluidos en 4 agrupaciones o complejos fijos, mientras que hay 2 transportadores libres o móviles (coenzima Q y citocromo

C)

Complejo I (NADH-Coenzima Q Reductasa)

está constituido por flavoproteínas y

ferrosulfoproteínas. Constituye la entrada

principal de equivalentes de reducción, ya que las

moléculas de NADH proceden de una gran

cantidad de reacciones de óxido-reducción

Complejo II (succinato-coenzima Q reductasa):

constituido por flavoproteínas y

ferrosulfoproteínas. Constituye la entrada de la

coenzima FAD reducido procedente de la reacción,

constituye también la puerta de entrada de otras

moléculas de FADH2 procedentes de la actividad

de otras enzimas catabólicas

Coenzima Q, su constitución química le permite tener una forma oxidada con otros grupos ceto y una forma reducida con grupos hidroxilo, su

pequeña masa molecular facilita su movilidad dentro de la membrana

interna mitocondrial, permitiendo la conexión con los complejos I,II y III

Complejo III (coenzima Q-Citocromo c reductasa)

constituido por citocromos (b y c).Los citocromos son

proteínas unidas a grupos hemo. El transporte desde el

coenzima Q hasta el citocromo c ya no se realiza con átomos de hidrógeno, sino mediante cambios en el estado del ión

hierro, desde el estado férrico oxidativo hasta el estado

ferroso reducidoEl citocromo C es de pequeño

peso molecular por lo que presenta una gran movilidad en la fase de la membrana

interna

Complejo IV (citocromo c oxidasa) constituido por citocromos y por iones de cobre. El transporte de

electrones se realiza desde el citrocromo c hasta el oxígeno

molecularLa reducción del oxígeno molecular

se traduce en formación de agua

Formación de ATP• La energía de óxido-reducción originada por el transporte

electrónico se utiliza para bombear protones al exterior de la membrana interna mitocondrial.

• Los protones van acumulándose en el exterior de esta membrana, creándose un gradiente protónico.

• Existen unos canales en la membrana por los que los protones pueden volver a entrar al interior mitocondrial, siendo el resto de la membrana impermeable a ellos.

• La energía generada por la fuerza del movimiento de protones es aprovechada por un complejo enzimático (ATP sintasa) situado en estos canales para sintetizar el ATP a partir de ADP y fosfato.

Formación de ATP

Transporte de ATP

• Para que el ADP pueda entrar y el ATP pueda salir de la mitocondria, existen unas proteínas transportadoras (ATP-ADP translocasas) que permiten el intercambio de estos nucleótidos con el correspondiente gasto energético

Rendimiento Energético• El resultado neto de la oxidación del NADH sería la producción de 2,5 moléculas de ATP (aunque tradicionalmente se había estimado que era de

3). La oxidación del FADH2 procedente del succinato o de las demás reacciones que se canalizan a través del complejo II origina sólo 1,5

moléculas de ATP (antes, 2).

Fosforilación a Nivel de Sustrato

Proceso que no necesita oxígeno, se asocia

fermentación

Formación de ácido láctico a partir de

glucosa

Hay una oxido reducción interna: los

productos de la fermentación están al

mismo nivel de reducción que el nutriente del que

procedenEn la Fermentación láctica, característica del trabajo muscular, tiene un carbono al mismo nivel de

reducción que la mayoría de los carbonos de la glucosa inicial (-CHOH-), mientras que el carbono carboxílico está más oxidado y el carbono metílico

más reducido

• La producción de energía durante este proceso se lleva a cabo mediante la formación de intermediarios con enlaces ricos en energía de hidrólisis: el 1,3 bis-fosfoglicerato y el fosfoenol-piruvato. Su hidrólisis está acoplada a la síntesis de ATP

• La fermentación extrae mucho menos energía de los nutrientes que la respiración

• La glucosa produce aprox., 15 veces más ATP por fosforilación oxidativa que a nivel de sustrato

• La ventaja es que no depende del oxígeno y que es muy rápido

Almacenamiento de Energía

• El ATP es directamente utilizable para las necesidades del organismo: generación de impulsos nerviosos, trabajo muscular, transporte a través de membrana, biosíntesis de macromoléculas, etc.

• Este compuesto energético no se almacena, sino que tiene que formarse al mismo tiempo que se utiliza

• En algunos tejidos (muscular), dónde los requerimientos energéticos pueden ser muy grandes, existe la posibilidad de almacenar una sustancia que se transforma muy fácil en ATP y viceversa: creatín fosfato

Forma fosforilada de la creatina: molécula

nitrogenada que deriva de los aminoácidos arginina, glicina y

metioninaLos niveles de energía que se necesitan para

fosforilar la creatina son un poco superiores, es decir se necesita una gran cantidad de ATP

Por ello, una cierta cantidad de energía del

ATP puede almacenarse en las células mediante la

formación de creatín-fosfato

Metabolismo Intermediario

• Incluye anabolismo y Catabolismo• Vías o rutas catabólicas: series de reacciones por

las que las grandes moléculas se degradan en moléculas más sencillas, con generación directa o indirecta de energía

• Vías o rutas anabólicas: procesos de síntesis de macromoléculas a partir de dichas moléculas simples y requieren aporte energético

• 3 fases centrales de este metabolismo:

• 1ra fase: Relaciona las macromoléculas (proteínas, polisacáridos y triglicéridos) con las moléculas simples correspondientes (aminoácidos, hexosas, ácidos grasos y glicerol).

• 2da fase: Relaciona estas moléculas simples con el acetil-CoA. Los ácidos grasos se utilizan en algunos tejidos (especialmente hígado y tejido muscular) con fines energéticos. La degradación de los ácidos grasos produce NADH, FADH2 y acetil-CoA

• 3ra fase: Está constituida por el metabolismo oxidativo del acetil-CoA, es decir, el ciclo tricarboxílico (ciclo de Krebs), cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.

Ciclo Tricarboxílico

(Ciclo de Krebs)

• Constituido por 8 etapas enzimáticas en 4 fases algunas de ellas muy

complejas, que transcurren en la matriz

mitocondrial

1era Fase: Síntesis e isomerización del Citrato

• La primera reacción del ciclo de Krebs consiste en la condensación de una

molécula de Acetil-CoA con una molécula de

oxalacetato para formar citrato. Posteriormente el

citrato se isomeriza a isocitrato

2da fase: Descarboxilaciones

OxidativasSe producen sendas descarboxilaciones oxidativas conproducción de coenzimas

reducidosEn la primera fase tiene lugar la conversión del isocitrato en alfa-

cetoglutarato catalizada por la isocitrato deshidrogensasa

Se trata de una reacción en la que intervienen varios coenzimas, algunos ya

mencionados, como NAD, FAD y coenzima A.

La oxidación del α-cetoglutarato produce finalmente succinil-CoA y NADH.

3ra Fase: Fosforilación a Nivel de Sustrato

Se produce la conversión del Succinil-Coa en succinato. Al tratarse de un acil-

CoA, la hidrólisis del enlace tioéster produce energía, que se aprovecha por

fosforilación a nivel de sustrato mediante la síntesis de GT (catalizada

por la succinil tiokinasa)El GTP genera ATP mediante una

reacción de intercambio catalizada por la nucleótido difosfato kinasa

GTP + ADP = GDP + ATP

4ta Fase: Oxidación del Succinato y Regeneración del Oxalacetato

Se producen 2 reacciones de óxido-reducción que producen FADH2 y NADH, se paradas por una reacción de hidrataciónLa primera de estas reacciones transforma el succinato en fumarato con producción de FADH2 (succinato deshidrogensasa)La siguiente reacción, catalizada por la enzima fumarasa, consiste en la hidratación del fumarato para originar malato, posteriormente se oxida a oxalacetato (malato deshidrogeasa) con producción de NADHDe esta forma se regenera el oxalacetato y puede

volver a funcionar el ciclo

Rendimiento Energético del Ciclo de Krebs

• Una vuelta completa del ciclo de Krebs genera 3 moléculas de NADH, 1 de FADH2 y un GTP.

• Se producen 10 moléculas de ATP, cada molécula de NADH genera 2.5 de ATP y el FADH2 genera 1.5, mientras que el GTP equivale a 1 molécula de ATP

Regulación del Ciclo de Krebs

• Se encuentra controlado por el estado energético de la célula. Cuando la célula se encuentra en condiciones de plenitud energética, los niveles de ATP son altos mientras que los de ADP son bajos

• La escasez energética se caracteriza por altos niveles de ADP y baja cantidad de ATP

• Se puede concluir que el funcionamiento del ciclo será tanto mayor cuanto menos ATP y más ADP existan en la célula

Aspectos Anfibólicos del Ciclo de Krebs

La estructura cerrada del ciclo de Krebs que se acaba de describir no

corresponde exactamente con la realidad en nuestras

células.Algunos de sus

intermediarios pueden provenir de otros

orígenes y de igual manera estos p pueden escapar hacía otras vías

Papel de las Vitaminas y los Minerales en el Metabolismo

Compartimentación Celular

Los procesos metabólicos se localizan en diferentes

compartimientos celulares. Así, la glucólisis se desarrolla

en el citosol y el Ciclo Tricaboxílico se produce en la mitocondria mientras que el ciclo de la urea utiliza ambos

territorios