METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS Y LPIDOS

Agosto 2007

Los principales carbohidratos absorbidos en el intestino son glucosa,

fructosa y galactosa. Existen en la membrana de las clulas transportadores especficos de glucosa, GLUT 1 a GLUT 5, los cuales tienen la siguiente distribucin principal:

GLUT 1 y GLUT 3: Permiten la captacin basal en cerebro y eritrocito. GLUT 2: Se encuentra en Hgado, Clulas beta del pncreas y en rin. Sensor de la concentracin de glucosa circulante. GLUT 4: Se encuentra principalmente en msculo esqueltico y tejido adiposo. Es inducible su funcin por insulina.

Para ser utilizada por los tejidos la primera reaccin que ocurre para la glucosa es la fosforilacin a Glucosa 6-fosfato, por una familia de Hexoquinasas (I a IV). La Glucoquinasa (Hexoquinasa IV) predomina en hgado y pncreas y es un sensor tambin (junto con GLUT 2) de los niveles de glucosa circulantes. La glucosa fosforilada tiene los siguientes destinos dentro de la clula:

a) Oxidacin mediante Gluclisis aerbica (hasta Ciclo de Krebs) o Anaerbica

(hasta Piruvato---Lactato). Funcin: producir energa en forma de ATP o equivalentes reductores (NADH, FADH).

b) Glucognesis. Sntesis de Glucgeno a partir de Glucosa 6-F. Funcin: reserva de energa.

c) Lipognesis: Sntesis de cidos grasos (y triglicridos) a partir de Acetil CoA. Funcin: reserva de energa.

d) Oxidacin por Va de las Pentosas: Formacin de equivalentes reductores (NADPH) y ribosa 5-fosfato.Funcin: Para sntesis de cidos grasos (NADPH) y para sntesis de nucletidos (ribosa)

GLUCLISIS. Existen tres niveles principales de regulacin de la va glucoltica: Hexoquinasa: Glucosa Glucosa 6-fosfato. Fosfofructoquinasa 1: Fructosa 6-fosfato Fructosa 1,6 difosfato. Piruvato Quinasa: Fosfoenolpiruvato Piruvato. Hexoquinasas y Glucoquinasa: Enzimas aparentemente inducibles. Hexoquinasas I a III tienen un bajo Km (alta afinidad) por glucosa en comparacin a la Glucoquinasa (Hexo IV) y se expresan principalmente en msculo y tejido adiposo. Parecen ser inducibles por insulina. Mutaciones en la Glucoquinasa pancretica se asocian a Diabetes mellitus Tipo II. De los tres el paso de la Fosfofructoquinasa 1 es el ms estrictamente regulado. Tiene 2 estimuladores alostricos importantes: Alto AMP (y por tanto bajo ATP) y Fructosa 2,6 difosfato.

Fosfofructoquinasa 1: Su actividad depende importantemente de la Fosfofructoquinasa/fosfatasa 2.Esta enzima forma Fructosa 2,6 di fosfato a partir de Fructosa 6-fosfato. Altos niveles de F2,6DP, estimulan la actividad de Fosfofructoquinasa 1, para formar Fructosa 1,6 difosfato a partir de Fructosa 6-fosfato tambin. Fofofructoquinasa/fosfatasa 2 tiene dos actividades: - Kinasa (fosforila): Fructosa 6-fosfato Fructosa 2,6 difosfato. - Fosfatasa (desfosforila): Fructosa 2,6 difosfato Fructosa 6 fosfato.

La actividad de kinasa predomina cuando la enzima misma (FFKP2) est desfosforilada en condiciones de Alta Insulina y Bajo Glucagon. La actividad de fosfatasa predomina con la enzima fosforilada por Baja Insulina y Alto Glucagon. Piruvato Quinasa: Es inhibida por fosforilacin (alto Gllucagon / baja Insulina) y estimulada por desfosforilacin. El producto de Fosfofructoquinasa 1, Fructosa 1,6 difosfato es un potente estimulador alostrico. Citrato del Ciclo de Krebs es un inhibidor alostrico. Insulina aumenta su expresin gentica.

En condiciones anaerbicas como en isquemia se acumula Lactato por reduccin de Piruvato y ste no puede seguir la va oxidativa del Ciclo de Krebs, que produce ms energa.

GLUCONEOGNESIS.

Es la va opuesta de la Gluclisis. Difiere de sta en las 3 reacciones de arriba que son catalizadas por enzimas diferentes. En el resto de las reacciones participan enzimas comunes para ambas vas. Gluconeognesis es formacin nueva de glucosa y est aumentada en casos de ayuno, por efecto de altos niveles de Glucagon y Bajos de Insulina. Cuatro reacciones principales difieren de la gluclisis: Piruvato Fosfoenolpiruvato. Catalizada por la Piruvato Carboxilasa y Fosfoenolpiruvatocarboxiquinasa. Esta conversin es el punto principal de regulacin; la Carboxilasa requiere Biotina y es estimulada alostricamente por Acetil CoA y la Carboxiquinasa es estimulada en su expresin gentica por Glucagon e inhibida en sta por Insulina.

La Fructosa 1,6 disfosfatasa cataliza la reaccin inversa de la FFK 1 y la Glucosa 6-fosfatasa la reaccin inversa de las Hexoquinasas. Esta ultima actividad est ausente en msculo esqueltico cardaco y su deficiencia en Hgado es una de las causas ms frecuentes de Glucogenosis.

GLUCOGNESIS Y GLUCOGENLISIS:

Glucgeno se forma a partir de Glucosa 1-fosfato que proviene de Glucosa 6-fosfato. - Glucgeno Sintetasa. Regula la Glucognesis y presenta dos formas, una

Activa (desfosforilada) y otra Inactiva (fosforilada). Su fosforilacin (inactivacin) ocurre cuando hay altos niveles de Glucagon y bajos de insulina. Esto ocasiona aumento de AMPcclico y activacin de protenas quinasas que fosforilan a esta enzima y a la Glucgeno Fosforilasa. Glucosa es un efector alostrico positivo para la Sintetasa.

- Glucgeno Fosforilasa. Es estimulada por fosforilacin (alto Glucagon/baja Insulina), cuando hay altos niveles de AMPcclico por efecto de Glucagon o agonistas adrenrgicos.

CICLO DE LOS CIDOS TRICARBOXILICOS (KREBS)

En este ciclo convergen las vas de oxidacin aerbica de carbohidratos, lpidos y aminocidos, resultando en la produccin de CO2. El ciclo de Krebs se lleva a cabo en la matriz mitocondrial en donde se encuentra en contacto con la Cadena Respiratoria de la membrana interna mitocondrial, la cual lleva a cabo la fosforilacin oxidativa que culmina con la sntesis de ATP. Los equivalentes reductores (NADH y FADH) generados en el ciclo de Krebs se incorporan a los Complejos I y II de la Cadena repiratoria, generando 3 y 2 molculas de ATP, respectivamente.

El piruvato generado durante la gluclisis aerobia, es transportado a la matriz mitocondrial donde contina su oxidacin por accin del Complejo de Piruvato Deshidrogenasa (PDH), cuyo producto final es ACETIL CoA. Esta acetil CoA entra al Ciclo de Krebs condensndose con Oxalacetato para producir Citrato. El Complejo de Piruvato Deshidrogenasa es multienzimtico y est formado por tres sistemas enzimticos E1, E2 y E3. El E1 requiere de Tiamina como Coenzima, el E2 cido Lipoico y el E3 FAD. Las subunidades E2 y E3 son comunes a las del Complejo de alfa-Cetoglutarato Deshidrogenasa del Ciclo de Krebs y a la de la alfa-Cetocido Deshidrogenasa del catabolismo de los aminocidos ramificados Leucina, Isoleucina y Valina. La actividad de PDH es inhibida alostricamente por sus productos (Acetil CoA y NADH) y estimulada por sus substratos Piruvato y CoA. Adems es inhibida por fosforilacin (PDH kinasa) y activada por desfosforilacin (PDH fosfatasa). Mutaciones en las subunidades E1 de PDH causan acumulacin de piruvato y lactato (Acidosis Lctica), en tanto que mutaciones en el Complejo E3 causan acumulacin de lactato, alfa-cetoglutarato y alfacetocidos ramificados.

En el Ciclo de Krebs, altos niveles de ATP inhiben la actividad de Citrato

Sintetasa y de Isocitrato deshidrogenasa; altos niveles de NADH inhiben alfa-cetoglutarato deshidrogenasa. Esta ultima reaccin produce Succinil CoA a partir de alfa-cetoglutarato, en forma similar a la reaccin de PDH. Algunos aminocidos gluconeognicos durante su catabolismo producen Succinil CoA, alfa-cetoglutarato u oxalacetato, incorporndose as a este Ciclo. Esto es particularmente significativo en condiciones de ayuno en que es necesario sintetizar nueva glucosa.

METABOLISMO DE LPIDOS

Los cidos grasos en forma de triglicridos son la reserva ms importante

de fuente de energa alcanzando hasta el 80% del almacn total. Sntesis de cidos Grasos.

El precursor inicial de los cidos Grasos es la Acetil CoA, la cual se deriva principalmente de Glucosa durante la gluclisis aerobia y la descarboxilacin oxidativa de Piruvato. Esta ultima reaccin catalizada por el Complejo de Piruvato Deshidrogenasa se lleva a cabo en mitocondria, en tanto que la sntesis de cidos Grasos se lleva a cabo en Citoplasma. Acetil CoA no atraviesa las membranas mitocondriales, por lo tanto sale en forma de Citrato el primer intermediario del Ciclo de Krebs, que es producto de la Citrato Sintetasa. El Citrato s se transporta hacia el citoplasma y all es desdoblado a sus constituyentes Acetil CoA y Oxalacetato. Este ultimo es oxidado por la Enzima Mlica citoplsmica, la cual produce NADPH, el cual junto con el producido a partir de la Va de las Pentosas se utiliza en las reacciones de reduccin en la Sntesis de cidos Grasos.

Acetil CoA Carboxilasa cataliza el paso limitante (regulador) de la va; produce Malonil CoA mediante carboxilacin de Acetil CoA a partir de CO2 y es una enzima que requiere, al igual que otras Carboxilasas, a Biotina como Cofactor. Adems es estimulada alostricamente por el mismo Citrato proveniente de mitocondria y es inhibida por fosforilacin dependiente de AMP cclico. Adems esta enzima es inducible a nivel de expresin gentica por Insulina e inhibida en su expresin por sus productos Acidos Grasos, principalmente de Cadena Larga y Poli-insaturados.

Malonil CoA es un inhibidor de la Carnitina Palmitoil Transferasa I que es la enzima transportadora de cidos Grasos a la Mitocondria, previniendo as el catabolismo de las cadenas creciente de cidos Grasos. La Malonil CoA es substrato para el Complejo de la Sintetasa de cidos Grasos. Este es el complejo enzimtico que utiliza NADPH para la elongacin de las cadenas en ciclos de alargamiento de 2 tomos de carbono por ciclo. La elongacin generalmente se detiene en 16 tomos de carbono que corresponden al Acido Palmtico. A partir de este cido Graso se sintetizan otros, mediante Elongacin e Insaturacin. La primera se puede realizar en mitocondria y retculo endoplsmico y la Insaturacin en retculo principalmente, formndose as cidos Grasos Insaturados por ejemplo de 18 carbonos (Oleico, Linoleico, Linolnico) y de 20 carbonos (Araquidnico). Este ltimo es el precursor de las Prostaglandinas. El doble enlace de estos lpidos generalmente se encuentra en una configuracin cis lo cual le da una mayor fluidez a las membranas de las que forman parte, lo cual previene en cierta forma agregados slidos de lpidos en los tejidos. Es importante tambin el hecho de que los Poliinsaturados de Cadena Larga son ms eficientes en inhibir la sntesis endgena de lpidos, por inhibicin en la expresin gentica de Acetil CoA Carboxilasa y de la Sintetasa de cidos Grasos, con las implicaciones nutricionales que ello implica.

En estados de alimentacin rica en Carbohidratos acompaados de niveles altos circulantes de Insulina se aumenta la actividad de las enzimas lipognicas Citrato Liasa, Acetil CoA Carboxilasa, Sintetasa de Acidos Grasos y Desaturasa.

Los cidos Grasos se esterifican con Glicerol-Fosfato formando los Triglicridos, los cuales en hgado se ensamblan con Apoprotenas para formar Lipoprotenas de Muy Baja Densidad (VLDL), que son exportadas por el Hgado a la circulacin. Los tejidos perifricos, principalmente Msculo y Tejido Adiposo, captan los cidos Grasos de los Triglicridos de las Lipoprotenas a travs de la accin de Lipoprotena Lipasa, la cual se encuentra en la membrana del endotelio vascular y es inducible por Insulina.

Los cidos Grasos son constituyentes de los llamados Lpidos Complejos, como los Fosfolpidos y los Esfingolpidos. De los primeros, los ms abundantes en Humanos son fosfatidilcolina, fosfatidil etanolamina y fosfatidilserina. Otro fosfolpido, Fosfatidilinositol, que se encuentra en las membranas es un importante precursor de los Segundos Mensajeros Diacilglicerol e Inositol triFosfato. Estos participan en las seales de transduccin intracelular desencadenada por varias hormonas. Otro fosfolpido Dipalmitoil lecitina es el surfactante pulmonar producido por los pneumocitos II y que previene la atelectasia pulmonar.

De los Esfingolpidos la Esfingomielina es peculiar en que est constituida por fosfolpidos y contiene cidos Grasos de Cadena muy larga como el cido Nervnico. Otro grupo de Esfingolpidos son los Cerebrsidos, como el Galactocerebrsido que es abundante en cerebro y que se acumula en la Enfermedad de Krabbe o Leukodistrofia Globoide, por deficiencia de la enzima lisosomal Galactocerebrosidasa. Los Glucocerebrsidos se acumulan en hgado y bazo en la Enfermedad de Gaucher, por deficiencia de Glucorebrosidasa, siendo sta la ms frecuente de las Enfermedades por Atesoramiento Lisosomal.

Sntesis de Colesterol.

La sntesis de colesterol es particularmente mayor en Hgado, Intestino y Tejidos Esteroidognicos (corteza adrenal, ovario, testculo, placenta). El Colesterol se sintetiza tambin a partir de Acetil CoA y la enzima reguladora de la va es la Hidroxi Metil Glutaril CoA Reductasa (HMG CoA Reductasa). Esta enzima utiliza NADPH de la Va de las Pentosas para producir Mevalonato, se encuentra en Retculo Endoplsmico y es inhibida por fosforilacin. Cuando existen altos niveles intracelulares de Colesterol, disminuye la expresin de la HMG CoA Reductasa y disminuye su actividad, inhibindose la sntesis de novo de ms colesterol. Los tejidos captan colesterol principalmente a partir de las Lipoprotenas de Baja Densidad (LDL), que tienen un componente proteco, la Apoprotena B, que se une al Receptor de LDL en tejidos perifricos. Una vez unido a su Receptor, LDL es endocitada y el colesterol es liberado en lisosomas y transportado al citoplasma. Actualmente se utilizan en ciertos casos inhibidores de la HMG CoA Reductasa (estatinas) para inhibir la sntesis endgena de colesterol y la captacin de LDL extracelular mediada por su Receptor. Mutaciones en este Receptor causan Hipercolesterolemia Familiar.

El aumento en la sntesis de colesterol y cidos grasos es mediada a nivel gentico por los factores de transcripcin SREB-P; insulina ejerce sus efectos lipognicos a travs en parte de estos factores. Beta Oxidacin de cidos Grasos.

En condiciones de ayuno existe un aumento en la movilizacin de lpidos del tejido adiposo a travs de la activacin de la Triglicrido Lipasa (Lipasa Sensible a Hormona) que es estimulada mediante fosforilacin dependiente de AMP cclico por efecto de Glucagon y adicionalmente por Epinefrina y ACTH. La Lipasa produce cidos Grasos Libres a partir de triglicridos y despus de activarse a sus derivados Acil-CoA son acarreados a la matriz mitocondrial por accin de las enzimas Carnitina Palmitoil Transferasa I y II (CPTI yII). La CPTI es la inhibida por malonil CoA durante la sntesis activa de cidos Grasos. La disponibilidad de suficientes cantidades de Carnitina es importante para la funcin de transporte a mitocondria y la consecuente beta-oxidacin. En mitocondria la Acil CoA Deshidrogenasa u Oxidasa de cidos Grasos lleva a cabo el desdoblamiento progresivo en ciclos de dos tomos de carbono. Los productos finales son Acetil CoA que entran al Ciclo de Krebs, generndose en el proceso equivalentes de ATP como tal o en forma de equivalentes reductores (NADH y FADH). Por cada 2 carbonos se producen 5 equivalentes de ATP en la beta-oxidacin y cada Acetil CoA que entra al Ciclo de Krebs genera otros 12 equivalentes de ATP. La activacin a Acil-CoA del Acido Palmtico para entrar a mitocondria requiere de una inversin de 2 ATPs, que restados a la ganancia generada por su nmero de 16 carbonos produce una ganancia neta de 129 ATPs.

La beta-oxidacin mitocondrial como la fuente ms importante de produccin energtica depende de estos tres factores: a) La velocidad de produccin de cidos Grasos Libres por la Lipasa Sensible a Hormonas (Liplisis); b) La concentracin citoplsmica de Malonil CoA el cual es un inhibidor de CPTI; y c) La disponibilidad de Carnitina.

Cuando est muy aumentada la beta oxidacin al punto de que la cantidad producida de Acetil CoA excede la capacidad del Ciclo de Krebs, ese exceso de Acetil CoA es utilizado para la formacin de Cuerpos Cetnicos. Estos son el Acetoacetato, -Hidroxibutirato y Acetona y aunque pueden ser utilizados como

fuente de energa por el cerebro y msculo en condiciones de ayuno muy prolongado, la mayor cantidad de ellos no se utilizan y puede generar condiciones graves como Acidosis Metablica. En Diabetes Mellitus Insulino-Dependiente son la causa de la Cetoacidosis Diabtica.

El transporte de lpidos (triglicridos, colesterol, fosfolpidos y cidos grasos) a partir del intestino ocurre en partculas de quilomicrones. La captura de cidos grasos en msculo y tejido adiposo ocurra a travs de la actividad de Lipoprotena Lipasa y produce Quilomicrones remanentes que son captados por el hepatocito. Los cidos grasos en hepatocitos son secretados a travs de partculas de VLDL. Las partculas de LDL son bajas en cidos grasos y ricas en colesterol; stas junto con HDL que participa en la transferencia reversa de colesterol son captadas por el hepatocito .

Bibliografa.

- Devlin, TM. Bioqumica con Aplicaciones Clnicas. 4.Ed Revert, 2004. - Baynes JW y Dominiczak. Bioqumica Mdica. 2.Ed, 2006. - Colman J y Rhom K-H. Bioqumica: Texto y Atlas. 3. Ed Panamericana,

2004.