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El metabolismo de los carbohidratos es el conjunto de procesos bioquímicos responsables de la formación , descomposición e interconversión metabólicas 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 la energía absorbida de la luz solar internamente. [2] Cuando los animales y los hongos consumen plantas, utilizan la respiración celular para descomponer estos carbohidratos almacenados y hacer que la energía esté disponible para las células. [2] Tanto los animales como las plantas almacenan temporalmente la energía liberada en forma de moléculas de alta energía, como el ATP , para su uso en varios procesos celulares. [3]

Los seres humanos pueden consumir una variedad de carbohidratos, la digestión descompone los carbohidratos complejos en unos pocos monómeros simples ( monosacáridos ) para el metabolismo: glucosa , fructosa , manosa y galactosa . [4] La glucosa se distribuye a las células de los tejidos, donde se descompone o almacena como glucógeno . [3] [4] En la respiración aeróbica, la glucosa y el oxígeno se metabolizan para liberar energía, con dióxido de carbono y agua como productos finales. [2]La mayor parte de la fructosa y la galactosa viajan al hígado , donde pueden convertirse en glucosa y grasa. [4]

Algunos carbohidratos simples tienen sus propias vías de oxidación enzimática , al igual que solo algunos de los carbohidratos más complejos. El disacárido lactosa , por ejemplo, requiere que la enzima lactasa se descomponga en sus componentes monosacáridos, glucosa y galactosa. [5]

Vías metabólicas [ editar ]

Descripción general de las conexiones entre los procesos metabólicos.

Glucólisis [ editar ]

La glucólisis es el proceso de descomponer una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato , mientras se almacena la energía liberada durante este proceso como ATP y NADH . [2] Casi todos los organismos que descomponen la glucosa utilizan la glucólisis. [2] La regulación de la glucosa y el uso de productos son las categorías principales en las que estas vías difieren entre los organismos. [2] En algunos tejidos y organismos, la glucólisis es el único método de producción de energía. [2] Esta vía es común a la respiración anaeróbica y 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 intermedios se transfiere a ATP y 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 pasos del proceso mediante la regulación por retroalimentación. El paso más regulado es el tercer paso. Esta regulación es para asegurar que el cuerpo no sobreproduzca moléculas de piruvato. La regulación también permite el almacenamiento de moléculas de glucosa en ácidos grasos. [6] Hay varias enzimas que se utilizan durante la glucólisis. Las enzimas regulan positivamente , regulan negativamente y regulan por retroalimentación el proceso.

Gluconeogénesis [ editar ]

La gluconeogénesis es el proceso inverso de la glucólisis. [7] Implica la conversión de moléculas que no son carbohidratos en glucosa. [7] Las moléculas que no son carbohidratos que se convierten en esta vía incluyen piruvato, lactato, glicerol, alanina y glutamina. [7] Este proceso ocurre cuando el cuerpo necesita glucosa. [7] El hígado es la ubicación principal de la gluconeogénesis, pero algunas también ocurren en el riñón. [1] El hígado es el órgano que descompone las diversas moléculas que no son carbohidratos y las envía a otros órganos y tejidos o las usa en la gluconeogénesis.

Esta vía está regulada por múltiples moléculas diferentes. [7] El glucagón, la hormona adrenocorticotrópica y el ATP estimulan la gluconeogénesis. [7] La gluconeogénesis es inhibida por AMP, ADP e insulina. [7] La insulina y el glucagón son los dos reguladores más comunes de la gluconeogénesis.

Glucogenólisis [ editar ]

La glucogenólisis se refiere a la degradación del glucógeno. [7] En el hígado, los músculos y el riñón, se produce este proceso para proporcionar glucosa cuando es necesario. [7] 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 se puede convertir en glucosa-6-fosfato , un intermedio en la vía de la glucólisis. [1]

Luego, la glucosa-6-fosfato puede progresar a través de la glucólisis. [1] La glucólisis solo requiere la entrada de una molécula de ATP cuando la glucosa se origina en el glucógeno. [1] Alternativamente, la glucosa-6-fosfato se puede convertir 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 se reduce la glucosa en sangre, lo que se conoce como hipoglucemia. [7] 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 degradación del glucógeno en el músculo esquelético durante el ejercicio. [7] En los músculos, el glucógeno asegura una fuente de energía rápidamente accesible para el movimiento. [2]

Glucogénesis [ editar ]

La glucogénesis se refiere al proceso de síntesis de glucógeno. [7] En los seres humanos, la glucosa se puede convertir en glucógeno a través de este proceso. [2] El glucógeno es una estructura muy ramificada, que consta de la proteína central glicogenina , rodeada de ramas de unidades de glucosa, unidas entre sí. [2] [7] 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 consumen un ATP y un UTP por cada molécula de glucosa introducida.[8]

Vía de las pentosas fosfato [ editar ]

La vía de las pentosas fosfato es un método alternativo para oxidar la glucosa. [7] Ocurre en el hígado, el tejido adiposo, la corteza suprarrenal, los testículos, las glándulas mamarias, los fagocitos y los glóbulos rojos. [7] Produce productos que se utilizan en otros procesos celulares, al tiempo que reduce el NADP a NADPH. [7] [9] Esta vía se regula mediante cambios en la actividad de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. [9]

Metabolismo de la fructosa [ editar ]

La fructosa debe someterse a ciertos pasos adicionales para ingresar a la vía de la glucólisis. [2] Las enzimas ubicadas en ciertos tejidos pueden agregar un grupo fosfato a la fructosa. [7] Esta fosforilación crea fructosa-6-fosfato, un intermedio en la vía de la glucólisis que se puede descomponer directamente en esos tejidos. [7] Esta vía se produce en los músculos, el tejido adiposo y el riñón. [7] En el hígado, las enzimas producen fructosa-1-fosfato, que entra en la vía de la glucólisis y luego se escinde en gliceraldehído y fosfato de dihidroxiacetona. [2]

Metabolismo de la galactosa [ editar ]

La lactosa, o azúcar de la leche, consta de una molécula de glucosa y una molécula de galactosa. [7] Después de la separación de la glucosa, la galactosa viaja al hígado para convertirse en glucosa. [7] La galactoquinasa utiliza una molécula de ATP para fosforilar la galactosa. [2] La galactosa fosforilada luego se convierte en glucosa-1-fosfato y, finalmente, en glucosa-6-fosfato, que se puede descomponer en la glucólisis. [2]

Producción de energía [ editar ]

Muchos pasos del metabolismo de los carbohidratos permiten que las células accedan a la energía y la almacenen de manera más transitoria en ATP . [10] 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. [10] Una molécula de NADH puede producir de 1,5 a 2,5 moléculas de ATP, mientras que una molécula de FADH 2 produce 1,5 moléculas de ATP. [11]

Energía producida durante el metabolismo de una molécula de glucosa.
RutaEntrada de ATPSalida de ATPATP netoSalida NADHSalida FADH 2Rendimiento final de ATP
Glucólisis (aeróbica)242205-7
Ciclo del ácido cítrico0228217-25

Por lo general, la descomposición completa de una molécula de glucosa por respiración aeróbica (es decir, que involucra tanto la glucólisis como el ciclo del ácido cítrico ) suele ser de unas 30 a 32 moléculas de ATP. [11] La oxidación de un gramo de carbohidrato produce aproximadamente 4 kcal de energía . [3]

Regulación hormonal [ editar ]

La glucorregulación es el mantenimiento de niveles constantes de glucosa en el cuerpo.

Las hormonas liberadas por el páncreas regulan el metabolismo general de la glucosa. [12] La insulina y el glucagón son las principales hormonas involucradas en el mantenimiento de un nivel constante de glucosa en la sangre, y la liberación de cada uno está controlada por la cantidad de nutrientes actualmente disponibles. [12] 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. [10]Por el contrario, la glucogénesis aumenta y la glucogenólisis se inhibe cuando hay niveles altos de insulina en la sangre. [10]

El nivel de glucosa circulatoria (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 es precipitada por niveles bajos de glucosa en sangre, mientras que los niveles altos de glucosa en sangre estimulan a las células a producir insulina. Debido a que el nivel de glucosa circulatoria 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. [13] En los seres humanos, la insulina es producida por células beta en el páncreas , la grasa se almacena en el tejido adiposo.células, y el glucógeno se almacena y libera según sea necesario por las células del hígado. Independientemente de los niveles de insulina, no se libera glucosa a la sangre a partir de las reservas internas de glucógeno de las células musculares.

Carbohidratos como almacenamiento [ editar ]

Los carbohidratos se almacenan típicamente como polímeros largos de moléculas de glucosa con enlaces glicosídicos para soporte estructural (por ejemplo , quitina , celulosa ) o para almacenamiento de energía (por ejemplo , 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 ineficaz 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 ; ácidos grasos , triglicéridos y otros lípidosse utilizan comúnmente para el almacenamiento de energía a largo plazo. El carácter hidrófobo de los lípidos los convierte en una forma mucho más compacta de almacenamiento de energía que los carbohidratos hidrófilos. La gluconeogénesis permite que la glucosa se sintetice a partir de diversas fuentes, incluidos los lípidos. [14]

En algunos animales (como las termitas [15] ) y algunos microorganismos (como los protistas y las bacterias ), la celulosa puede desmontarse durante la digestión y absorberse como glucosa. [dieciséis]

Enfermedades humanas [ editar ]

  • Diabetes mellitus
  • Intolerancia a la lactosa
  • Malabsorción de fructosa
  • Galactosemia
  • Enfermedad por almacenamiento de glucógeno

Referencias [ editar ]

  1. ↑ a b c d e f g h i Maughan, Ron (2009). "Metabolismo de los carbohidratos". Cirugía (Oxford) . 27 (1): 6–10. doi : 10.1016 / j.mpsur.2008.12.002 .
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t Nelson, David Lee (2013). Principios de bioquímica de Lehninger . Cox, Michael M., Lehninger, Albert L. (6ª ed.). Nueva York: WH Freeman and Company. ISBN 978-1429234146. OCLC  824794893 .
  3. ↑ a b c Sanders, LM (2016). "Carbohidratos: digestión, absorción y metabolismo". Enciclopedia de Alimentación y Salud . págs. 643–650. doi : 10.1016 / b978-0-12-384947-2.00114-8 . ISBN 9780123849533.
  4. ↑ a b c d Hall, John E. (2015). Libro electrónico de Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology (13 ed.). Ciencias de la salud de Elsevier. ISBN 978-0323389303.
  5. ^ Hansen, R. Gaurth; Gitzelmann, Richard (1 de junio de 1975). Efectos fisiológicos de los carbohidratos alimentarios . Serie de simposios ACS. 15 . Sociedad Química Americana. págs.  100-122 . doi : 10.1021 / bk-1975-0015.ch006 . ISBN 978-0841202467.
  6. ^ "Regulación de la respiración celular (artículo)". Academia Khan. www.khanacademy.org, https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/regulation-of-cellular-respiration .
  7. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u Dashty, Monireh (2013). "Una mirada rápida a la bioquímica: metabolismo de los carbohidratos". Bioquímica clínica . 46 (15): 1339–52. doi : 10.1016 / j.clinbiochem.2013.04.027 . PMID 23680095 . 
  8. ^ Gropper, Sareen S .; Smith, Jack L .; Carr, Timothy P. (5 de octubre de 2016). Nutrición avanzada y metabolismo humano . Aprendizaje Cengage. ISBN 978-1-337-51421-7.
  9. ↑ a b Ramos-Martinez, Juan Ignacio (15 de enero de 2017). "La regulación de la vía de las pentosas fosfato: recuerda Krebs". Archivos de Bioquímica y Biofísica . 614 : 50–52. doi : 10.1016 / j.abb.2016.12.012 . ISSN 0003-9861 . PMID 28041936 .  
  10. ^ a b c d Ahern, Kevin; Rajagopal, Indira; Tan, Taralyn (2017). Bioquímica gratis para todos . La Universidad Estatal de Oregon.
  11. ^ a b Energética de la respiración celular (metabolismo de la glucosa) .
  12. ↑ a b Lebovitz, Harold E. (2016). "Hiperglucemia secundaria a enfermedades y terapias no diabéticas". Endocrinología: adultos y pediátricos . págs. 737–51. doi : 10.1016 / b978-0-323-18907-1.00042-1 . ISBN 9780323189071.
  13. ^ Brockman, RP (marzo de 1978). "Funciones del glucagón y la insulina en la regulación del metabolismo en rumiantes. Una revisión" . La Revista Veterinaria Canadiense . 19 (3): 55–62. ISSN 0008-5286 . PMC 1789349 . PMID 647618 .   
  14. ^ G Cooper, The Cell , Sociedad Estadounidense de Microbiología, p. 72
  15. ^ Watanabe, Hirofumi; Hiroaki Noda; Gaku Tokuda; Nathan Lo (23 de julio de 1998). "Un gen de la celulasa de origen de las termitas". Naturaleza . 394 (6691): 330–31. doi : 10.1038 / 28527 . PMID 9690469 . S2CID 4384555 .  
  16. ^ Coleman, Geoffrey (8 de febrero de 1978). "El metabolismo de la celulosa, la glucosa y el almidón por el protozoo ciliado del rumen Eudiplodinium Magii" . Revista de Microbiología General . 107 (2): 359–66. doi : 10.1099 / 00221287-107-2-359 .

[1]

Enlaces externos [ editar ]

  • Carbohidrato + metabolismo en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
  • BBC - GCSE Bitesize - Biología | Humanos | Glucorregulación
  • Sugar4Kids
  1. ^ "Regulación de la respiración celular (artículo)". Academia Khan. www.khanacademy.org, https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/regulation-of-cellular-respiration .