SESION 8
TEMA : NUTRICION Y METABOLISMO DE HIDRATOS DE CARBONO
I. OBJETIVOS DE LA SESIÓN
El desarrollo de estas 3 sesiones persigue que los alumnos
1. Revisen la estructura química de los hidratos de carbono.
2. Conozcan los requerimiento energético de los seres y los factores que lo determinan 3. Conozcan las características de las vías metabólicas y comprendan su importancia
en el aprovechamiento de energía por la célula.
4. Conozcan las vías aeróbica y anaeróbica del metabolismo oxidativo de los hidratos de carbono y comprendan los mecanismos de regulación involucrados.
II. TEMAS:
1. Nutrición heterotrófica: requerimientos energéticos y factores que lo afectan
Las proteínas, lípidos e hidratos de carbono como nutrientes; función y aporte energético. 2. Utilización de nutrientes y vías metabólicas. Catabolismo y anabolismo.
Características de las vías metabólicas, papel del par ATP-ADP y coenzimas (NAD+, FAD+, NADP+, Coenzima A, etc). Carga energética.
3. Revisión de la estructura química de los hidratos de carbono. Aldosas, cetosas , fiunciones químicas, estructuras abiertas y cíclicas. Isómeros: enantiómeros, diasteroisómeros, epímeros y anómeros.
4. Origen y destino metabólico de la glucosa. Glicemia y su regulación. Papel de insulina , glucagón, adrenalina y AM P cíclico. Mecanismo de acción.
5. M etabolismo oxidativo (catabolismo) de la glucosa. Vía Anaeróbica (Glicolisis y
Fermentación) Revisión de las reacciones químicas y mecanismo de regulación de la glicolisis. Balance energético.
6. M etabolismo oxidativo (catabolismo) de la glucosa, vía aeróbica o respiración celular:
Glicolisis, ciclo de Krebs y cadena respiratoria mitocondrial. Importancia, reacciones químicas y regulación del ciclo de Krebs y la cadena transportadora de electrones. Acoplamiento de transporte de electrones y síntesis de ATP: Teoría quimioosmótica de M itchell. Rol del oxígeno. Balance energético. Comparación fermentación y respiración celular.
7. Gluconeogénesis. Ciclo de Cori. Rol del lactato y aminoácido glucogénicos. Regulación de la gluconeogénesis.
8. Importancia y función de la vía de las pentosas.
Nutrición y M etabolismo
Los organismos vivos requieren continuo aporte de materia y energía (nutrientes) para su actividad biológica y la conservación de sus estructuras.
Existen dos tipos de nutrición :
Nutrición autotrófica (quimiosíntesis y fotosíntesis) presente en moneras y vegetales y
Nutrición heterotrófica propia de organismos animales y otros organismos que carecen de pigmentos fotosintéticos.
Los requerimientos de energía de los animales superiores (Ej.mamíferos) dependen de: especie, sexo, edad, actividad física, balance hormonal y clima.
Los requerimientos energéticos en cal/g/día de algunos organismos son los siguientes: ratón = 180, Perro = 36, hombre = 27, buey = 15. Se puede apreciar que los animales pequeños requieren mayor aporte de energía, ya que al tener mayor superficie relativa, disipan mayor cantidad de calor.
Para un hombre de 70 kilos se recomienda un aporte energético entre 1500 a 3000 Kcal/día , según el tipo de actividad. Este aporte de energía debe suplir las necesidades para:
a) el metabolismo basal o tasa metabólica basal (TMB), que equivale a producción de calor o consumo de oxígeno de un hombre en reposo, despierto y sin ingerir alimento por 12 horas.
TMB = peso (k) x 24 Kcal/día, hombre de 70 kilos es aprox. 1700 Kcal/día
b) la Acción Dinámica Específica (ADE) o efecto termogénico del alimento, el que
corresponde al estímulo en producción de calor producido por el alimento. Es alrededor del 5% - 10% de las calorías ingeridas.
c) La actividaddel individuo, esta es la mayor variable del requerimiento energético y corresponde a la demanda energética adicional a la TM B.
d) La regulación de la temperatura corporal. Existe un gasto energético adicional en mantener la temperatura corporal en ambientes fríos o calurosos.
De acuerdo a estudios basados en el consumo de oxígeno y según actividad del
individuo se estiman los siguientes requerimientos energéticos para el hombre:
Actividad sedentaria = 14 cal/min/kg, trabajo ligero o moderado = 55 cal/min/kg, trabajo pesado = 147 cal/min /kg. Para la mujer se estima un requerimiento energético de 30 a 40% menor.
Además de energía, la dieta debe suplir los requerimientos estructurales, las vitaminas y los minerales. La dieta varía según hábitos alimenticios, pero la fuente de energía en promedio es aportada en un 10 - 15% por proteínas, 10 -12% por lípidos y 70 - 80% por carbohidrato. En algunas poblaciones el aporte de grasas puede llegar al 40% o más. Actualmente, debido a que ciertas patologías se asocian al consumo de lípidos, se aconseja disminuir el contenido de lípidos de la dieta a 30% como máximo.
La nutrición heterotrófica requiere los procesos de: ingestión, digestión extracelular ( o intracelular en unicelulares), transporte, utilización celular o metabolismo, intercambio de gases, procesamiento y eliminación de desechos.
El metabolismo es un proceso estrictamente celular y corresponde al conjunto de
reacciones químicas, organizadas en vías metabólicas, que utilizan los organismos para aprovechar la energía de los nutrientes.
Las vías metabólicas corresponden a series secuenciales de reacciones enzimáticas destinadas a generar productos específicos. Los reactantes, los compuestos intermediarios y los productos, se denominan metabolitos.
Existen miles de metabolitos y muchas vías metabólicas, las que se han agrupado en dos categorias: Vías catabólicas o catabolismo en las que metabolitos complejos son degradados exergonicamente a metabolitos más simples, produciendo energía aprovechable en trabajo
biológico(ATP) y vías anabólicas o anabolismo en que metabolitos simples son
transformados endergonicamente en metabolitos más complejos, como proteínas, polisacaridos , fosfolípidos, etc. Las principales fuentes de energía para este proceso son ATP y el coenzima reducido NADPH (Nicotinamida adenina dinucleotido fosfato reducido)
Principales características de las vías metabólicas
1. Todas las reacciones de una vìa metabolica están catalizadas por enzimas 2. Las vías metabólicas son irreversibles, dando así direccionalidad a la vía y permitiendo el control independiente de ambos procesos: catabolismo y anabolismo. Una de las primeras etapas de la vía es irreversible, es la etapa limitante de la vía.
3. Todas las vías metabólicas son reguladas, lo que se realiza habitualmente
regulando la etapa limitante de la vía
4. Las vías metabólicas están compartamentalizadas, ocurren en sitios
o compartimentos específicos de las células
M etabolismo degradativo o catabolismo
Vías exergónicas u oxidativas, que tienen como principales nutrientes la glucosa, los aminoácidos y los ácidos grasos.
Una característica importante del metabolismo oxidativo es que una gran diversidad de sustancias son convertidas en algunos pocos intermediarios comunes, que pueden ser
oxidados hasta CO2 y H2O, a través del ciclo de Krebs y la cadena respiratoria en la
mitocondria.Este hecho indica que el catabolismo es convergente.
La principal fuente de energía en la célula es la D-glucosa (aldohexosa), es
la molécula transportadora de energía entre los tejidos, así como lo es el ATP a nivel intracelular. Existen tejidos y órganos como el cerebro, los glóbulos rojos y los músculos esqueléticos que usan preferentemente glucosa como fuente de energía, por lo que el nivel de glucosa en la circulación o glicemia debe estar bajo estricto control biológico.
célula depende del tipo celular y/o la presencia o ausencia de oxígeno. En ausencia o déficit de O2 (condiciones anaeróbicas) el piruvato puede ser convertido en ácido láctico (lactato) o
en etanol vía fermentación, mientras que en presencia de O2 (condiciones aeróbicas) puede ser oxidado hasta CO2 y H2O vía ciclo de Krebs y respiración celular.
Así por ejemplo los glóbulos rojos realizan fermentación láctica, la única forma de obtener energía, ya que a pesar de tener oxígeno en abundancia no puede utilizarlo por no contar con mitocondrias. Por otro lado, las células musculares pueden obtener energía por fermentación láctica o respiración celular según la actividad muscular y el aporte de oxígeno, el cuál si es insuficiente favorece la fermentación.
Además la glucosa puede ser utilizada en otras vías metabólicas como son la vía de las pentosas fosfato y la glucogénesis o almacenamiento de glucosa como glicógeno.
La fuente de glucosa para la célula puede ser la glucosa sanguínea aportada en la dieta o de la degradación de glicógeno por la glicógeno fosforilasa. Se postula que la glicolisis ocurre principalmente a partir del glicógeno almacenado.
Glicógeno sintetasa
UDP UDP- GLUCOSA Glicógeno fosforilasa
GLICOGENO GLUCOSA -1-P
Pi VIA DE LAS Hexoquinas PENTOSAS glucoquinasa
DIETA GLUCOSA GLUCOSA -6-P SANGUINEA ATP
NADH ATP GLICOLISIS LACTATO
FERM ENTACION PIRUVATO ETANOL CO2 + CO2
ACETIL CoA VIA ANAEROBICA
CICLO DE KREBS VIA AEROBICA
ADP + Pi CO2 NAD+, FAD+, H2O, ATP NADH + H+ FADH2 O2
I. FOSFORILACION OXIDATIVA
Los carbohidratos se pueden clasificar en
A. carbohidratos simples están formados por C, H y O, y tienen como fórmula general
Cn(H2O)n
B. carbohidratos complejos, formados por C,H,O,N,P y S
A. Carbohidratos simples o sacáridos
1. M onosacáridos o azúcares simples u osas, compuestos de 3 a 7 C, no hidrolizables a
azúcares más simples
2. Oligosacáridos, constituidos por 2 a 10 monosacáridos unidos por enlaces glicosídicos, siendo los más comunes los disacáridos
3. Polisacáridos, homopolímeros de más de 10 unidades de monosacáridos, llegando a formar largas cadenas lineales y ramificadas
M onosacáridos u osas
Los monosacáridos u osas , corresponden quimicamente a aldehídos o cetonas polihidroxilados, por lo que se denominan aldosas o cetosas.
Según el número de carbonos pueden ser:
Aldotriosa o cetotriosa (3 C), aldotetrosa o cetotetrosa (4 C),aldopentosa o cetopentosa (5 C), aldohexosa o cetohexosa, (6 C), aldoheptosa o cetoheptosa
(7 C)
De estos hidratos de carbono sólo se revisaran los más comunes y de mayor importancia en el metabolismo celular, es decir , triosas, pentosas y hexosas.
De los polisacáridos es conveniente revisar la composición química y estructura química del almidón, el glicógeno y la celulosa , la cuál aunque no es fuente de glucosa para el hombre, debido a la ausencia de la enzima que hidrolice al enlace glicosídico β, es una importante fuente de energía para los animales herbívoros.
B. Carbohidratos complejos
1. M onosacáridos, principalmente azúcares fosforilados Ej. Glucosa - 6 - P 2. Homopolisacáridos constituídos por unidades iguales Ej. Quitina
3. Heteropolisacáridos formados por diferentes unidades Ej. Ácido hialurónico
Estos carbohidratos tienen en general un rol estructural, aunque también son parte importante de receptores de membranas.
Se recomienda revisar sus clases de química orgánica a este respecto.
III. ACTIVID AD PREVIA
Lectura Syllabus sesión 8
Clases expositivas con ayuda de diapositivas, transparencias y CD-Rom.
V. LECTURA POST-SESION
1. Nelson D.L. y Cox M . M. Bioquímica de Lehninger 2ª Edición 1993. Capítulo 11, 14, 15 y 18. ( o Capítulos 9, 15, 16 y 19 de la 3ª Edición)
