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El metabolismo (Introducción)
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se producen dentro del organismo , está compuesto por cientos de reacciones metabólicas agrupadas en lo que denominamos como rutas metabólicas .
Una ruta metabólica está compuesta por una serie de enzimas que catalizan diferentes reacciones y donde un precursor se convierte en un producto después de pasar por una serie de intermediarios , los metabolitos .
Así pues las rutas metabólicas pueden ser : Convergentes , divergentes y cíclicas .
Una vez entendido el concepto de metabolismo vamos a ver su clasificación y sus diferentes funciones .
El metabolismo está dividido en dos grandes bloques:
- Catabolismo : Reacciones de “ destrucción” donde pasamos de moléculas más complejas a más sencillas ( por ejemplo la oxidación ) .El objetivo de estas reacciones catabólicas es proveer energía así como componentes necesarios para reacciones anabólicas .
- Anabolismo : Este bloque está formado por reacciones de “construcción” , es decir pasar de moléculas más simples a más complejas . Estas reacciones requieren energía ( síntesis ).
Por otra parte existen rutas cíclicas donde se da tanto la biosíntesis como la degradación de moléculas ( ciclo de krebs).
Dentro de los puntos claves a tener en cuenta es la regulación del metabolismo , fundamental para que se de un buen funcionamiento del mismo , esta regulación se puede dar de diferentes formas :
- Por enzimas alostéricos : Enzimas capaces de modular la actividad catalítica en respuesta a diferentes moduladores como puedan ser los estimuladores o inhibidores .
- Regulación hormonal ( adrenalina , insulina…)
- Por regulación genética
Fuentes de energía
En el metabolismo el Adenosin trifosfato o ATP es la moneda energética por excelencia . El ATP está compuesto por tres fosfatos de alta energía unidos a cuatro átomos de oxígeno , a un azúcar ( ribosa) y a una base nitrogenada , la adenina.
La formación de ATP se da en diferentes sucesos como la glucólisis y la fosforilación oxidativa a partir de ADP . Por otra parte el ATP es capaz de ceder energía “ofreciendo” su grupo fosfato terminal a diferentes moléculas aceptoras.
Por todo ello la principal función del ATP es servir de aporte energético en las diferentes reacciones bioquímicas que se dan dentro de las células así como el transporte de diferentes moléculas a través de la membrana celular .
Sistema de fosfágenos
Esta molécula se almacena en la célula muscular , está formada por una molécula de creatina y un fosfato mediante un enlace de alta energía. Todo esto ocurre gracias al metabolismo.
La vía de fosfágenos es la vía más rápida para obtener ATP . En primer lugar tenemos a nuestra disposición un depósito de PCR en la célula muscular y en condiciones donde necesitamos mucha energía en poco tiempo ( 0-15 seg aprox) es la principal fuente energética de nuestro organismo.
El proceso de obtención de energía a partir de PCR es bastante sencillo y está compuesto por una única reacción ,la hidrólisis de PCR . Esta reacción es catalizada por la enzima creatina kinasa ( CK) y se encarga de la liberación de energía de la PCR “separando” la creatina y el fosfato . Después este fosfato se unirá a una molécula de ADP para formar ATP.
Una vez entendida la hidrólisis de la PCR , vamos a ver el proceso de resíntesis , que al igual que lo anteriormente comentado también es bastante sencillo .Como hemos visto antes después de la hidrólisis de la PCR y de la unión del ADP con el ATP , quedan libres moléculas de creatina que participaran en la posterior resíntesis de la PCR . Así pues la resíntesis de fosfocreatina es la unión de la creatina con un grupo fosfato , es un proceso lento que requiere de energía ( ATP ) . Según Chicharro en 1998 este proceso es dependiente y se correlaciona positivamente con la capacidad oxidativa .
Como hemos visto el ATP es la principal moneda energética del organismo . Si se agotará por completo se produciría lo que conocemos como apoptosis o muerte celular . Para evitar esto se inicia lo que conocemos como metabolismo de las purinas.
Este mecanismo forma ATP a partir de 2 ADP mediante la actividad de la enzima mioquinasa.
Metabolismo de la glucosa
La glucosa (metabolismo) es el principal hidrato de carbono, es un monómero monosacárido compuesto por 6 átomos de carbono ( hexosa) .Es una aldosa , es decir posee un grupo carbonilo o aldehído en el primer carbono , a parte tiene diferentes grupos OH ( hidroxilo) , con todo ello tiene las siguientes características :
- Forma cristales sólidos
- Tiene sabor dulce
- Es soluble en agua
La glucosa es muy necesaria fundamentalmente por dos razones :
- Sirve para formar ATP
- Puede ser almacenada en forma de glucógeno en el músculo esquelético
Transportadores de glucosa
Hay diferentes transportadores de glucosa , a continuación vamos a repasar los principales:
Nombre |
Distribución |
Propiedades |
GLUT 1 |
Todos los tejidos |
Transporte basal de la glucosa |
GLUT 2 |
Hígado y células beta del páncreas |
Recoge el exceso de glucosa en el hígado , por otra parte en el páncreas regula la secreción de insulina |
GLUT 3 |
Cerebro y condrocitos |
Permanece saturado |
GLUT 4 |
Músculo y tejido adiposo |
Activable por insulina |
GLUT 5 |
Intestino delgado y higado |
Cotransportador de NA+ y encargado de la absorción de glucosa y fructosa |
Transportadores de glucosa en la célula muscular
GLUT 1 |
Cotransportador de glucosa ligado al sodio |
Activo en reposo y en bajos niveles de insulina |
Se encarga de mantener la glucemia basal |
Se ubica en la membrana |
GLUT 4 |
Cotransportador de glucosa no ligado al sodio |
Activo cuando la glucosa es elevada ( insulina o ejercicio) |
Absorción rápida de glucosa |
Se reduce su expresión por insulina o ejercicio |
Concentración permanece de 1-4 horas en la membrana tras el ejercicio incluso en ausencia de insulina ( importante en diabetes tipo 2) |
En esta imagen podemos observar los resultados de un estudio realizado por McCoy y colaboradores en 1994 donde se comparó el contenido de GLUT-4 en entrenados , no entrenados y gente que no había entrenado en 10 días , observado mediante una biopsia del vasto lateral y confirmando lo que hemos expuesto anteriormente.
La mayoría de estudios muestran un aumento en las concentraciones de glucosa tras protocolos de resistencia pero hay poca evidencia al respecto de la influencia del entrenamiento de fuerza en este proceso (Derave y cols. 2003; Holten y cols. 2004; Tabata y cols. 1999).
Un estudio realizado por Holten y colaboradores en 2004 investigó sobre la respuesta de la GLUT-4 al entrenamiento de fuerza . Los resultados fueron bastante interesantes pues después de 6 semanas de protocolo se observó un aumento en la expresión de GLUT-4 en sujetos con diabetes pero no se observaron incrementos en sujetos sanos .Otro dato interesante es la influencia del ejercicio excéntrico sobre la GLUT 4 ya que se ha demostrado la disminuye debido al daño producido en el sarcolema (Asp y cols 1995) .
A continuación vamos a analizar las diferentes vías de obtención de energía a partir de la glucosa .
Glucólisis
Dentro del metabolismo la glucólisis es la primera etapa del catabolismo de la glucosa , comienza poco después de la entrada de la glucosa en la célula muscular gracias al transportador de membrana GLUT-4 . Se da en el citosol de la célula muscular ,espacio donde no es necesario la participación de oxígeno para la producción de ATP , es una vía que consta de 10 reacciones que podemos separar en dos grandes bloques . La fase de costes donde necesitamos ATP y la fase de beneficios donde generamos ATP y equivalentes reductores como el NADH . También cabe destacar que esta vía energética es la principal en las fibras musculares tipo II y su contribución energética es predominante en ejercicios de alta intensidad entre los 15 y los 60 segundos después de la depleción de la PCR.
Pasos de la glucólisis
1- Fosforilación de glucosa a glucosa 6 fosfato . Esta reacción está catalizada por la enzima hexokinasa y requiere un ATP.
2- Glucosa 6P a fructosa 6P.
3- Fructosa 6P a fructosa 1-6 . Reacción catalizada por la enzima fosfofructocinasa y requiere 1 ATP.
4-5- Fructosa 1-6 BP a 2 moléculas de 3 fosfogliceraldehido.
6- 3 Fosfogliceraldehido a 1-3 difosfoglicerato . Obtenemos 2 moléculas de NADH a partir de NAD+ que posteriormente pasarán a la cadena de transporte de electrones.
7- 1-3 difosfoglicerato a 3 fosfoglicerato . En este punto se genera 2 ATP.
8-9- 2 fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato . Se genera 2 moléculas de H2O.
10- De fosfoenolpiruvato a piruvato . Reacción catalizada por la piruvato kinasa , se genera 2 ATP.
Resumen : A partir de la glucólisis se obtienen : 2 ATP , 2 NADH , 2 H2O y 2 moléculas de piruvato .
Así pues el destino del piruvato depende de la posibilidad o no para re-oxidar NAD+ a partir de NADH en la mitocondria . Si esto es posible el Piruvato pasará al interior mitocondrial y se convertirá en Acetil-CoA para iniciar el ciclo de Krebs y si no fuera posible el piruvato se quedaría en el citosol celular para convertirse en Lactato.
Como hemos comentado anteriormente en situaciones donde el ritmo de la glucólisis es elevado el cociente NAD+/NADH cae bruscamente en el citosol en caso de saturación de la cadena de transporte de electrones mitocondrial . Esto es crítico, porque el restablecimiento de NAD+ es necesario para que se pueda dar la glucólisis . Para evitar esto e intentar revertir la situación el Piruvato pasará a Lactato mediante la enzima lactato deshidrogenasa utilizando NADH como cofactor y generando NAD+ .
Así pues no debemos ver al Lactato como un producto de desecho ni como el responsable de la acidosis del músculo esquelético .De hecho la formación de Lactato consume un protón .
Por otra parte La formación de lactato sucede a mayor velocidad en las fibras tipo II debido a que existe una mayor concentración de LDH . Por otra parte también cabe destacar que las fibras tipo I son capaces de reutilizar el lactato y generar ATP.
Una vez que el lactato se establece en el interior del citosol celular , se elimina mediante lo que conocemos como lanzaderas de lactato . El término shuttle o lanzadera hace referencia a proteínas que tienen como función transportar ciertas moléculas de un lugar a otro del organismo . El lactato por su parte es transportado por una serie de proteínas de transporte monocarboxilatos o más comúnmente denominadas como MCT . Estas proteínas tienen 14 isoformas dependiendo de la ubicación y función específica de cada una . Un ejemplo de esto sería la MCT1 localizada en el músculo esquelético y en el tejido cardiaco.
En el músculo esquelético tenemos 2 tipos de MCT:
- MCT1: Transporta el Lactato hacia el interior mitocondrial sin ser convertido a Piruvato
- MCT4: Este tipo de lanzadera es conocida como lanzadera “ celula a celula” y se dedica a transportar el lactato a otras células como es el caso del transporte de Lactato desde fibras glucolíticas a oxidativas , pero también desde el músculo al corazón , cerebro y riñones (Brooks ; 2009).
Siguiendo con el tema del Lactato dentro del metabolismo vamos a intentar analizar esta molécula en profundidad ya que el desconocimiento ha originado mucha controversia alrededor de sus funciones .
El antiguo paradigma del lactato nos decía que este era un mero desecho de la glucólisis e incluso se decía que era el responsable de la fatiga debido a que los niveles del mismo aumentaban con la intensidad del ejercicio . En cuanto a la terminología el Lactato era conocido como ácido láctico ( forma ácida del lactato ) . El término “ácido” hizo que los investigadores de la época malinterpretaran aún más las funciones de esta molécula pues al ser ácido se daba por hecho que podía donar un protón y así liberar un hidrógeno originando acidosis intramuscular y por ende fatiga. No obstante hoy en día sabemos que debido a su pk el ácido láctico se encuentra en su forma básica( lactato) en la célula muscular y por ende no es responsable de la acidosis .
ATP + H 2 O ⟸ ====== ⟹ ADP + P i + H +
ATPasa
Esta acidosis producida por el ejercicio parece estar causada por la actividad de la ATPasa.
Funciones del lactato
Por una parte el lactato puede viajar al hígado donde puede volver a Piruvato en una acción reversible de la LDH para sintetizar glucosa y que esta vuelva al músculo esquelético.
En el cerebro el lactato puede actuar como molécula de señalización y como fuente de energía . Es producido por los astrocitos y por las neuronas , pero también es transportada desde el músculo esquelético al cerebro durante el ejercicio ( Quistorff; 2008) . Por otra parte el papel del lactato en el cerebro se ha asociado con la memoria a largo plazo.
Ciclo de Krebs
Después de analizar el Lactato , en el metabolismo vamos a ver el otro camino que puede tomar el Piruvato . Como hemos visto anteriormente el Piruvato puede entrar en el interior mitocondrial para convertirse en Acetil-CoA mediante en una reacción catalizada por la enzima piruvato deshidrogenasa (PDH) .Una vez formado el Acetil-CoA entra dentro del Ciclo de krebs , proceso que vamos a explicar a continuación.
El ciclo de krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos se da en el interior mitocondrial , es una ruta anfibólica ( contiene tanto procesos catabólicos como anabólicos) . Consta de dos ciclos y cada ciclo comienza cuando una molécula de oxalacetato se une a la siguiente molécula de Acetil-CoA .Es un proceso que consta de un total de 11 reacciones , al final de la ruta se obtienen 4 moléculas de CO2 , 6 NADH , 2 FADH2 y un 2 GTP . Por último los equivalentes reductores( NADH y FADH2) pasarán a la cadena de transporte de electrones.
Cadena de transporte de electrones
La cadena de transporte de electrones dentro del metabolsimo es una serie de proteínas y moléculas que se encuentran en la membrana mitocondrial interna . Los electrones pasan de un miembro de la cadena de transporte al siguiente en una serie de reacciones redox ( reacciones donde se produce un intercambio de electrones) . La energía liberada en estas reacciones se captura como un gradiente de protones, el cual se utiliza a su vez para para formar ATP en un proceso llamado quimiósmosis. En conjunto, la cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis constituyen la fosforilación oxidativa.
A continuación vamos a analizar detenidamente este proceso en una serie de pasos :
- Tanto NADH como FADH2 transfieren sus electrones , permitiendo la salida de protones al espacio intermembrana ( aumentando el gradiente de protones).
- Los electrones son transportados a por la cadena de transporte de electrones reduciendo y oxidando los complejos I, II, III y IV a su paso.
- En el complejo IV el O2 es el aceptor final de electrones, generando H2O gracias a 2x H+ y a ½ O2.
- Cuando el gradiente de protones alcanza el nivel necesario, se envían protones de nuevo al interior de la mitocondria a través de los canales del complejo ATP sintasa .
- Energía generada por la corriente de protones fluyendo a través de la membrana es utilizada para crear ATP a partir de ADP y Pi.
Rendimiento total del sistema oxidativo de carbohidratos
Una vez repasado , en el metabolismo los principales procesos metabólicos relacionados con la degradación de la glucosa hemos de analizar cuál es el rendimiento energético total .El gasto energético producido en la cadena de transporte de electrones es bastante reciente, en algunos textos aún se habla de 36-39 ATP netos obtenidos a partir de una molécula de Glucosa. No obstante, ahora sabemos que el promedio es de 30-34 ATP. También hemos de tener en cuenta que muchas publicaciones no tienen en cuenta que los NADH de la glucólisis se han de convertir en FADH y proporcionan menos ATP .De la energía total presente en una molécula de glucosa (689 kcal), solo el 34% (224 kcal) se conserva en forma de ATP. El resto se convierte en calor.
Uno de los suplementos el cuál ayuda a mejorar el metabolismo es la arginina.
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