Vías metabólicas de los carbohidratos
En el metabolismo de los carbohidratos se distinguen varias vías clave que un estudiante de medicina debe dominar a nivel de sustratos, enzimas y regulación: glucólisis aeróbica (vía de Embden-Meyerhof, oxidación dicotómica de la glucosa), glucólisis anaeróbica, síntesis y degradación de glucógeno, gluconeogénesis y vía de las pentosas fosfato (vía del monofosfato de hexosa). Todas ellas están conectadas por metabolitos comunes y mecanismos reguladores, lo que permite al organismo alternar de manera flexible entre el almacenamiento y el consumo de energía.
Los nombres de un mismo proceso difieren según los distintos libros de texto: la vía de Embden-Meyerhof, la oxidación dicotómica y la glucólisis aeróbica son sinónimos; la vía de las pentosas fosfato y la vía del monofosfato de hexosa también se refieren a lo mismo.
Glucólisis: variantes aeróbica y anaeróbica
La glucólisis es la degradación de una molécula de glucosa (C6) hasta dos moléculas de piruvato (C3). El proceso ocurre en el citoplasma e incluye 10 reacciones divididas en dos etapas:
- Etapa preparatoria: se consumen 2 moléculas de ATP; se forman dos fosfotriosas, la dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y el gliceraldehído-3-fosfato (GAP). Ambas son isómeros y se interconvierten fácilmente.
- Etapa de síntesis de ATP: el gliceraldehído-3-fosfato (×2) se convierte en piruvato con la producción de ATP y NADH.
Durante la glucólisis aeróbica, el piruvato ingresa a la mitocondria, donde se forma acetil-CoA mediante descarboxilación oxidativa y el ciclo de Krebs; las coenzimas reducidas NADH y FADH₂ transfieren electrones a la cadena de transporte de electrones, lo que proporciona un rendimiento total de aproximadamente 38 ATP.
En la glucólisis anaeróbica, el oxígeno es insuficiente o faltan mitocondrias. El NADH no puede oxidarse en la CTE, por lo que transfiere hidrógenos al piruvato: se forma lactato por la acción de la lactatodeshidrogenasa. La glucólisis anaeróbica es característica de los eritrocitos y del cristalino del ojo (carecen de mitocondrias), del miocardio durante la isquemia (infarto), de tumores de crecimiento rápido y de músculos esqueléticos en contracción intensa.
Gluconeogénesis y metabolismo del glucógeno
La gluconeogénesis es la síntesis de glucosa a partir de sustancias de naturaleza no glucídica: lactato, glicerol, aminoácidos. Su función principal es mantener la concentración de glucosa en sangre (normal: 3,3–5,5 mmol/l) durante el ayuno. La glucólisis y la gluconeogénesis son procesos recíprocos; se diferencian por sus enzimas reguladoras, que catalizan las reacciones irreversibles (3 enzimas en la glucólisis, 4 en la gluconeogénesis). Las reacciones reversibles son comunes para ambas vías.
El glucógeno es el carbohidrato de reserva en los animales; se almacena en el hígado y los músculos. La glucógeno sintasa es responsable de su síntesis (activa tras la ingesta de alimentos), y la glucógeno fosforilasa, de su degradación (activa durante el ayuno).
Vía de las pentosas fosfato
La vía de las pentosas fosfato es una vía alternativa de oxidación de la glucosa que opera activamente en el hígado, el tejido adiposo, la corteza suprarrenal, los eritrocitos, la glándula mamaria en lactancia y los testículos. Comprende etapas oxidativas y no oxidativas.
En la etapa oxidativa, la glucosa-6-fosfato se convierte en ribulosa-5-fosfato bajo la acción de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (enzima reguladora clave) y la 6-fosfogluconato deshidrogenasa, con la producción de dos moléculas de NADPH y la liberación de CO₂.
Significado biológico de los productos:
- Ribosa-5-fosfato: sustrato para la síntesis de nucleótidos.
- NADPH: dador de hidrógeno en reacciones anabólicas (síntesis de colesterol, ácidos biliares, ácidos grasos, hormonas esteroideas) y protección celular frente a las especies reactivas del oxígeno a través del sistema del glutatión.
En la etapa no oxidativa participan epimerasas, isomerasas, trancetolasa (cuyo cofactor es el pirofosfato de tiamina [TDP], un derivado de la vitamina B₁) y transaldolasa; se produce una reorganización de los esqueletos carbonados con retorno a las hexosas.
Relación entre el metabolismo de los carbohidratos y de los lípidos
La conexión entre ambos metabolismos se realiza a nivel de metabolitos comunes:
- Dihidroxiacetona fosfato: sustancia de enlace clave. A partir de ella se reduce el glicerol-3-fosfato (enzima glicerol-3-fosfato deshidrogenasa, cofactor NADH), que es la base para la síntesis de triacilgliceroles (grasas).
- Acetil-CoA, generado durante la descarboxilación oxidativa del piruvato, actúa como sustrato inicial para la síntesis de ácidos grasos.
- El NADPH proveniente de la vía de las pentosas fosfato es necesario como agente reductor en las reacciones de síntesis de ácidos grasos y colesterol.
- El ATP procedente de la glucólisis aporta la energía para los procesos biosintéticos.
Síntesis de triacilglicerol en el adipocito: el glicerol-3-fosfato se acila secuencialmente (se le unen restos de ácidos grasos o acilos) para formar ácido fosfatídico; a continuación, una fosfatasa escinde el grupo fosfato y un tercer resto acilo se une al grupo OH libre.
Regulación hormonal: periodos absortivo y postabsortivo
En el periodo absortivo (posprandial), al elevarse la glucemia, se libera insulina. Sus efectos son:
- Inserción del transportador GLUT-4 en la membrana de adipocitos y miocitos, lo que facilita la captación de glucosa en los tejidos dependientes de insulina.
- Activación de las enzimas de la glucólisis (hexoquinasa, fosfofructoquinasa, piruvato quinasa).
- Activación de la glucógeno sintasa para la síntesis de glucógeno.
- Inducción de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, potenciando la vía de las pentosas fosfato y la producción de NADPH.
- Activación de las enzimas de síntesis de ácidos grasos y triacilgliceroles.
En el periodo postabsortivo (ayuno), predominan las hormonas contrarrreguladoras: glucagón, adrenalina y cortisol. Estas activan la glucógeno fosforilasa (degradación del glucógeno), la gluconeogénesis y la lipólisis, asegurando el mantenimiento de la glucemia y la movilización de sustratos energéticos.
Puntos clave
- Glucólisis: 10 reacciones en el citoplasma; la glucosa (C6) se escinde en 2 moléculas de piruvato (C3).
- La glucólisis anaeróbica culmina con la formación de lactato con la participación de la lactatodeshidrogenasa; es característica de eritrocitos, cristalino, miocardio isquémico y tumores.
- La dihidroxiacetona fosfato es el principal nexo entre el metabolismo de los carbohidratos y de los lípidos: a partir de ella se forma glicerol-3-fosfato para la síntesis de triacilgliceroles.
- El acetil-CoA procedente de la glucólisis es el sustrato para la síntesis de ácidos grasos; el NADPH de la vía de las pentosas fosfato actúa como dador de hidrógeno para dicha síntesis.
- La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa es la enzima reguladora clave de la vía de las pentosas fosfato; sus productos son NADPH y ribosa-5-fosfato.
- La gluconeogénesis utiliza los mismos sustratos que la glucólisis, pero 4 enzimas reguladoras exclusivas catalizan las reacciones irreversibles en dirección opuesta.
- La insulina activa los procesos de síntesis (glucógeno, grasas, proteínas) y la utilización de glucosa; el glucagón y la adrenalina estimulan la movilización de reservas energéticas.
- La glucemia normal es de 3,3–5,5 mmol/l; su mantenimiento se logra mediante el equilibrio entre la glucogenólisis, la gluconeogénesis y la ingesta de glucosa con los alimentos.