Digestión de carbohidratos en el tracto gastrointestinal
Los principales carbohidratos de la dieta son almidón, sacarosa y lactosa. El almidón es un polímero de glucosa cuyos residuos están unidos por enlaces glucosídicos α-1,4 y α-1,6. La digestión comienza en la cavidad oral por acción de la α-amilasa salival, que hidroliza el almidón hasta dextrinas. En el estómago, la descomposición de los carbohidratos prácticamente no ocurre debido a la ausencia de enzimas adecuadas y al medio ácido.
En el duodeno actúa la α-amilasa pancreática, que descompone el almidón en disacáridos: maltosa (α-1,4) e isomaltosa (α-1,6). La hidrólisis final de los disacáridos la llevan a cabo las enzimas parietales (de la empalizada) del intestino delgado:
- el complejo sacarasa-isomaltasa, que hidroliza la sacarosa, maltosa e isomaltosa;
- el complejo β-glucosidasa, que descompone varios β-glucósidos;
- la lactasa, que descompone la lactosa en galactosa y glucosa.
La actividad de la lactasa es máxima en los lactantes y disminuye con la edad, lo que constituye la base de la deficiencia de lactasa.
Absorción de monosacáridos y su transporte hacia los tejidos
Los monosacáridos ingresan a los enterocitos por dos vías. La difusión facilitada es característica de la fructosa (a través de GLUT5), así como parcialmente de la glucosa y la galactosa. El transporte activo secundario, con la participación del transportador dependiente de Na⁺ SGLT1, transporta glucosa y galactosa en contra de su gradiente de concentración; la energía es proporcionada por la actividad de la Na⁺/K⁺-ATPasa.
Desde los enterocitos hacia la sangre, los monosacáridos salen mediante difusión facilitada. En los tejidos, la glucosa es captada por proteínas de la familia GLUT. De especial importancia es el GLUT4, un transportador dependiente de insulina del tejido muscular y adiposo.
Fosforilación de la glucosa y destino de la glucosa-6-fosfato
En el interior de la célula, la glucosa es fosforilada de inmediato. La reacción es catalizada por:
- la hexoquinasa, con baja Km (~0,1 mmol/L), inhibida por su producto, la glucosa-6-fosfato;
- la glucoquinasa, con alta Km (~10 mmol/L), que actúa en el hígado y es inducida por la insulina.
La glucosa-6-fosfato se utiliza para la síntesis de glucógeno, en la vía de las pentosas fosfato, para la síntesis de otros monosacáridos y aminoácidos, y también experimenta catabolismo hasta CO₂ y H₂O o hasta lactato con producción de ATP.
Glucogénesis: síntesis de glucógeno
La síntesis de glucógeno ocurre en el periodo absortivo (1–2 h después de ingerir alimentos). Sus etapas son:
- Glucosa → glucosa-6-fosfato (hexoquinasa/glucoquinasa).
- Glucosa-6-fosfato → glucosa-1-fosfato por acción de la fosfoglucomutasa.
- Activación de la glucosa: glucosa-1-fosfato + UTP → UDP-glucosa + pirofosfato (enzima UDP-glucosa pirofosforilasa).
- La glucógeno sintasa transfiere el residuo de glucosa desde la UDP-glucosa a un cebador (≥4 residuos), formando un enlace glucosídico α-1,4.
- Tras el alargamiento de la cadena hasta 11–12 residuos, la enzima ramificante (amilo-1,4→1,6-glucosiltransferasa) transfiere un fragmento de 5–6 residuos, formando un enlace α-1,6 que constituye un punto de ramificación.
Glucogenólisis: movilización del glucógeno
La descomposición del glucógeno se activa en el periodo postabsortivo y durante el ejercicio físico. La enzima clave es la glucógeno fosforilasa, que escinde por fosforólisis los enlaces α-1,4 con la formación de glucosa-1-fosfato. La enzima se detiene a 4 residuos de distancia del punto de ramificación. A continuación actúa la enzima desramificante:
- la oligosacárido transferasa transfiere un fragmento de tres glucosas a la cadena adyacente;
- la α-1,6-glucosidasa hidroliza el enlace α-1,6, liberando glucosa libre.
La glucosa-1-fosfato se convierte en glucosa-6-fosfato. En los músculos, esta entra en la glucólisis. En el hígado está presente la glucosa-6-fosfatasa, que desfosforila la glucosa-6-fosfato hasta glucosa libre, la cual pasa a la sangre y mantiene la glucemia.
Regulación del metabolismo del glucógeno
La síntesis y la degradación simultáneas no son posibles gracias a la regulación recíproca de la glucógeno sintasa y la glucógeno fosforilasa. Sus formas activas son:
- glucógeno sintasa: desfosforilada;
- glucógeno fosforilasa: fosforilada.
La proporción entre ambas está determinada por el índice insulina/glucagón (IIG).
La insulina (IIG alto) activa la proteín fosfatasa de los gránulos de glucógeno, la cual desfosforila ambas enzimas: la glucógeno sintasa se activa y la glucógeno fosforilasa se inactiva. Además, la insulina activa el GLUT4, induce la glucoquinasa y activa la fosfodiesterasa, disminuyendo los niveles de AMPc.
Glucagón (en el hígado) y adrenalina (a través de los receptores β2) activan el sistema de la adenilato ciclasa: proteína G → adenilato ciclasa → AMPc → proteína quinasa A. La PKA fosforila la glucógeno sintasa (inactivación) y la quinasa de la fosforilasa, la cual activa la glucógeno fosforilasa.
La adrenalina, a través de los receptores adrenérgicos α1, activa el sistema de inositol trifosfato: fosfolipasa C → IP3 → liberación de Ca²⁺ → el complejo Ca²⁺-calmodulina-cinasa de la fosforilasa activa la glucógeno fosforilasa. La proteincinasa C fosforila adicionalmente e inactiva la glucógeno sintasa.
En los músculos, durante el ejercicio moderado, la glucógeno fosforilasa es activada alostéricamente por el AMP. Durante el ejercicio intenso intervienen el impulso nervioso (vía del Ca²⁺-calmodulina) y la adrenalina (vía dependiente de AMPc).
Enfermedades por depósito de glucógeno (glucogenosis)
Las glucogenosis son enfermedades hereditarias causadas por defectos en las enzimas de síntesis o degradación del glucógeno. Van acompañadas de la acumulación de cantidades anormales o de glucógeno estructuralmente alterado en el hígado, los músculos y los riñones. Clínicamente se manifiestan con hipoglucemia en ayunas, hepatomegalia, debilidad muscular e intolerancia al esfuerzo físico. Los defectos de la glucosa-6-fosfatasa (enfermedad de von Gierke), de la enzima desramificante, de la fosforilasa muscular (enfermedad de McArdle) y de la enzima ramificante son las formas más estudiadas.
Puntos clave
- El almidón es descompuesto por las α-amilasas salival y pancreática; la hidrólisis final de los disacáridos se produce a nivel de la empalizada (sacarasa-isomaltasa, lactasa).
- La glucosa se transporta hacia los enterocitos mediante el SGLT1 (transporte activo secundario con Na⁺) y entra en los tejidos a través de las proteínas GLUT; GLUT4 es dependiente de insulina.
- En el interior de la célula, la glucosa es fosforilada por la hexoquinasa o la glucoquinasa; la glucosa-6-fosfato es un metabolito central.
- La síntesis de glucógeno requiere la activación de la glucosa a UDP-glucosa; las enzimas clave son la glucógeno sintasa y la enzima ramificante.
- La descomposición se realiza mediante fosforólisis: glucógeno fosforilasa + enzima desramificante (transferasa + α-1,6-glucosidasa).
- Solo el hígado es capaz de liberar glucosa libre a la sangre gracias a la presencia de glucosa-6-fosfatasa.
- La insulina estimula la síntesis (desfosforilación de enzimas), mientras que el glucagón y la adrenalina estimulan la degradación del glucógeno a través del AMPc/PKA y vías dependientes de Ca²⁺.
- Los defectos hereditarios de las enzimas del metabolismo del glucógeno conducen a glucogenosis con hipoglucemia y afectación hepática y muscular.