5 2-Carbohidratos Introducción al metabolismo

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unidad 5. estructura Y METABOLISMO DE HIDRATOS DE CARBONO
BIOQUIMICA
 
5.2 INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO DE H.de C.
Esteban A. Ferro B, PhD 
Facultad de Ciencias Médicas
Universidad Nacional de Asunción
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5.2 Introducción al Metabolismo de los Hidratos de Carbono
Contenido
Generalidades
Fuentes
Digestión
Absorción y transporte
Destino de los hidratos de carbono
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1. GENERALIDADES
Los hidratos de carbono son una fuente importante de energía para el humano, ya sea como moléculas oxidables (Glc, Gal, Fru), nutritivas (lactosa, almidones, sacarosa) o de reserva (glucógeno).
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Participan en la constitución de macromoléculas (ácidos nucleicos, glucosaminoglucanos) y en la modificación de proteínas (glicoproteínas) y lípidos (glicolípidos), con importantes roles fisiológicos.
1. GENERALIDADES
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Varias moléculas que resultan de su metabolismo intermedio proveen esqueletos para la síntesis de moléculas que desempeñan roles energéticos (ácidos grasos, glicerol) estructurales (glucosamina, aminoácidos no esenciales) y regulatorios (2,3-BPG, Fru-2,6-bP).
Aunque para los humanos no son nutricionalmente esenciales, nuestra fuente principal la constituyen los alimentos de origen vegetal (granos, tubérculos, legumbres, frutas), y en menor medida los de origen animal (lactosa, glucógeno). 
 Tenemos capacidad de sintetizarlos a partir de sustratos que no son hidratos de carbono (lactato, glicerol, aminoácidos).
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1. GENERALIDADES
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Se recomienda ingerir de 200 a 300 g/día, y nunca menos de 120 g/día, en sujetos adulto sanos. 
Durante el embarazo se recomienda consumir 175 g/d y en la lactancia 210 g/día.
* Su ingesta debe aportar del 45 al 65% de las calorías diarias.
1. GENERALIDADES
Para su absorción deben convertirse en monosacáridos
Principalmente glucosa, galactosa y fructosa. En menor medida, manosa, aminoazúcares y desoxiazúcares.
Excepcionalmente, oligosacáridos de la leche (HMO: human milk oligosacharides), pueden absorberse sin experimentar hidrólisis.
La fibra alimentaria (celulosa, hemicelulosa, pectinas, muscílagos, gomas, lignina) no se degrada por nuestras enzimas y se eliminan con las heces; son prebióticos.
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1. GENERALIDADES
Por su naturaleza polar (hidrofílica) no difunden libremente a través de las membranas, por lo que requieren proteínas transportadoras.
 
Son transportados disueltos en el plasma y los fluidos extracelulares, pudiendo llegar a todos los tejidos y células.
 
La primera reacción que experimentan los monosacáridos para su metabolismo es la fosforilación, que los convierte en moléculas aniónicas (ésteres fosfóricos desprotonados).
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1. GENERALIDADES
La fosforilación de monosacáridos tiene dos propósitos:
Impedir su difusión fuera de las células
Activarlos para ingresar a distintas vías metabólicas.
 Son los únicos sustratos combustibles que pueden oxidarse de manera anaerobia para liberar energía (fermentación láctica).
Su oxidación completa, en condiciones aeróbicas, rinde dióxido de carbono y agua. 
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1. GENERALIDADES
Exógena:
 	 Dieta
 Lactancia: lactosa y oligosacáridos de leche.
 
 Poslactancia: almidones, glucógeno, sacarosa, lactosa, maltosa, trealosa, fructosa, glucosa y fibra dietética* (celulosa, hemicelulosa, pectinas, inulina, gomas, alginatos)
*Incluye las ligninas, que no tienen su origen en hidratos de carbono
Endógena: 
	 Circulante: glucosa (glicemia)
	 Reservas: glucógeno
 Síntesis: gluconeogénesis
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2. FUENTES
Bucal. α-amilasa y lisozima salivales.
 α-amilasa	Almidones  maltosa, dextrinas
 lisozima	Péptido glucanos bacterianos (sin valor nutricional)
Gástrica. 
Interrupción de la acción de amilasa (pH ácido)
Intestinal. α-amilasa pancreática.
 α-amilasa	Almidones / Dextrinas  maltosa, isomaltosa, maltotriosa, glucosa (escasa)
	Eficiencia de la digestión de almidones de 70 a 90%
 
Membrana luminal de los enterocitos.
Disacaridasas	Disacáridos / oligosacáridos / glucosilceramida  glucosa, fructosa, galactosa.
	
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Colon
 Enzimas bacterianas. En condiciones anaerobias fermentan oligosacáridos no digeridos, produciendo los ácidos propiónico y butírico, y otros de cadena corta y media. Además de hidrógeno, dióxido de carbono y metano (Ej. De rafinosa y estaquiosa)
3. DIGESTIÓN
α-amilasa.
Endoglicosidasa específica para enlaces glicosídicos α(14)
pH óptimo 6,5 a 7,1. Requiere iones cloruro.
Hidrólisis heterogénea/aleatoria e incompleta de:
Amilosa  maltosa + maltotriosa
Amilodextrina  maltosa + maltotriosa + dextrinas límite α (5 – 9 residuos)
Degradación incompleta del almidón (hasta 30%) .
Incapacidad de la amilasa de romper enlaces α(1-6)
Poco tiempo de contacto con los alimentos en la boca, se inactiva en el estómago.
	 
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 Lisozima. Endoglicosidasa específica β(14) de peptidoglicano de paredes bacterianas. Protege de la formación de caries al limitar las poblaciones bacterianas de la boca.
3. DIGESTIÓN – Etapa Bucal
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Acción de α-amilasa sobre un fragmento de amilopectina
	
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 … α1,4-Glc__α-1,4-Glc __α-1,4-Glc__α-1,4-Glc __α-1,4-Glc
						 α-1,6 
… α1,4-Glc__α-1,4-Glc __α-1,4-Glc__α-1,4-Glc __α-1,4-Glc__1,4-Glc __α-1,4-Glc __α-1,4-Glc …
Maltosa
Maltosa
Maltotriosa
Dextrina límite α
3. DIGESTIÓN – Etapa Bucal
Isomaltosa
 α-amilasa pancreática (lumen)
	- Replica la acción de la amilasa salival, actuando en la luz intestinal. 
	- pH óptimo 7,1
	- Requiere Cl- y se estabiliza con iones Ca2+ .
	- Degrada parcialmente amilosa, amilopectina y glucógeno (de alimentos de origen animal, ej: fibras musculares).
 
 Sacaridasas de enterocitos (membrana luminal)
	- Degradan disacáridos/trisacáridos resultantes de la acción de las amilasas, hasta  monosacáridos
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Degradación de almidones (amilosa / amilopectina)
3. DIGESTIÓN – Etapa Intestinal
Amilasa pancreática (α-glicosidasa 1-4). 
Hidroliza enlaces α-(1,4) de amilosa/amilopectina, liberando maltosa, isomaltosa, maltotriosa, dextrinas α-límite y pequeñas cantidades de glucosa.
α-glicosidasas ligadas a la membrana luminal de los enterocitos
 
α-1,4 glicosidasa (glucoamilasa): Degrada fragmentos de amilosa.
α-1,6 glicosidasa (isomaltasa): Degrada dextrinas límite y isomaltosa.
α-glicosidasa (maltasa): degrada maltosa y maltotriosa
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3. DIGESTIÓN – Etapa Intestinal
 Oligosacaridasas de enterocitos (membrana luminal)
 
  Degradan enlaces glicosídicos α(14), α(16) y β(14) de di y oligosacáridos:
	- Resultantes de la acción de las amilasas
	(maltosa, isomaltosa, maltotriosa)
	- Presentes en los alimentos
	(lactosa, sacarosa, trehalosa, maltosa, glicolípidos)
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Degradación de disacáridos/trisacáridos
3. DIGESTIÓN – Etapa Intestinal
Sacarasa, α-glicosidasa	Sacarosa → glucosa + fructosa
(sacarasa, invertasa)
Maltasa				Maltosa → glucosa + glucosa
β- galactosidasa			Lactosa → glucosa + galactosa
 (lactasa)
β- glucosidasa Glucosil-ceramida → glucosa + ceramida
Trehalasa 		Trehalosa → glucosa + glucosa
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Actividades sacaridasas de la membrana luminal del enterocito 
3. DIGESTIÓN – Etapa Intestinal
Maltasa - glucoamilasa son actividades de una proteína que no se escinde MGA
Sacarasa e isomaltasa son actividades de una proteína que se escinde en 2 subunidades funcionales que quedan asociadas a la membrana como complejo SI.
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	Enzima	Especificidad	Sustrato	Producto
	α- 1,4-glicosidasa (glucoamilasa)	α (1→4) glucosa	Amilosa	Glucosa
	α- glicosidasa (maltasa)	α (1→4) glucosa	Maltosa, maltotriosa	Glucosa
	α- 1,6 glicosidasa (isomaltasa)	α (1→6) glucosa	Isomaltosa, α- dextrina	Glucosa
	Sacarasa α- glicosidasa (sacarasa / invertasa)	α (12) - glucosa	Sacarosa	Glucosa + fructosa
	β-galactosidasa
(lactasa)	β- galactosa
	Lactosa	Glucosa + galactosa 
	β-glucosidasa
	β- glucosa	Glucosil ceramida	Glucosa + ceramida
	α-trehalasa	α (1→1) glucosa	Trehalosa	Glucosa
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3. DIGESTIÓN Resumen
Dextrinas de almidón
Isomaltosa
Maltosa
Lactosa
Sacarosa
Fibra alimentaria
Isomaltosa
Maltosa
Maltotriosa
Lactosa
Sacarosa
Almidón(Glucógeno)
Lactosa
Sacarosa
Fibra alimentaria
Fibra alimentaria
Isomaltasa
Maltasa
Lactasa
Sacarasa
Glucosa
Galactosa
Fructosa
a-Amilasa pancreática
a-Amilasa salival
pH ácido detiene la acción de amilasa
Disacaridasas adosadas a la membrana de enterocitos
BOCA
ESTÓMAGO
PÁNCREAS
INTESTINO DELGADO
CIRCULACIÓN PORTAL
HÍGADO
Deficiencia de lactasa
Hidrólisis de la lactosa por la “lactasa” 
(ß-galactosidasa) es imprescindible para la absorción
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DEFICIENCIA DE LACTASA
HIDRÓGENO MEDIBLE EN ALIENTO
METABOLITOS C-2, COMO ÁCIDO ACÉTICO
METABOLITOS C-3, COMO ÁCIDO LÁCTICO
DISTENSIÓN ABDOMINAL
DIARREA
DESHIDRATACIÓN
C-1 de galactosa
C-4 de glucosa
Enlace glicosídico
ß(14)
LACTOSA: D-galactopiranosil-ß(14)-glucopiranosa
Intestino delgado
Intestino grueso
Acarbosa es un seudotetrasacárido (Actinoplanes utahensis) que inhibe la actividad α-glicosidasa intestinal.
Se emplea en el tratamiento de la diabetes mellitus tipo 2 para disminuir la hidrólisis de enlaces glicosídicos α(14) y la posterior absorción de glucosa procedente de la ingesta de almidones.
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3. DIGESTIÓN – Etapa Intestinal
 Los monosacáridos no difunden libremente al interior de los enterocitos de manera relevante, excepto las pentosas.
Requieren el concurso de proteínas de membrana para realizar:
 
 Transporte activo (dependiente de sodio - SGLT): 
En contra del gradiente de concentración
En epitelio intestinal y tubular renal.
 
Difusión facilitada (independiente de sodio- GLUT): T
A favor del gradiente de concentración.
En todas las demás células.
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4. ABSORCIÓN Y TRANSPORTE
1-Dependientes de sodio (SGLT) 
 En enterocitos (SGLT1), túbulos renales proximales (SGLT2)
2-Independientes de sodio (GLUT1-14)
a. Independientes de insulina
a1. Alta afinidad (Km 3-5 mM): eritrocitos, barrera hematoencefálica (GLUT1), neuronas (GLUT3)
a2. Baja afinidad (Km 15 mM): hepatocitos, células beta-pancreáticas, enterocitos, corteza renal (GLUT2)
a3. Transportador de Fru en enterocitos, testículos (GLUT5)
b. Dependiente de insulina 
 GLUT4 (Km 2-3 mM): adipocitos, miocitos.
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Se realiza mediante el concurso de proteínas integrales de membrana
4. ABSORCIÓN Y TRANSPORTE
Tipo de transporte de Glc por órganos
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SGLT
GLUT4
GLUT1/2
GLUT
4. ABSORCIÓN Y TRANSPORTE
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Larry R. Engelking, in Textbook of Veterinary Physiological Chemistry (Third Edition), 2015
4. ABSORCIÓN Y TRANSPORTE
Transporte de monosacáridos en enterocitos
Borde apical/luminal
Borde basal
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CIRCULACION PORTAL
Borde en cepillo en la superficie luminal de los enterocitos
Glucosa
Galactosa
Fructosa
Fructosa
Glucosa
Galactosa
HÍGADO
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El ingreso de glucosa a los enterocitos y las células del epitelio tubular proximal renal está impulsado por la alta concentración de iones Na+ en el espacio extracelular.
Por cada ion Na+ ingresado, se co-transporta (simporte) una molécula de glucosa, empleando transportadores SGLT.
Posteriormente, el exceso de Na+ se expulsa por acción de una bomba dependiente de ATP (EC 7) 
Los transportadores SGLT2, del epitelio tubular proximal renal son responsables del 90% de reabsorción de Glc. 
 Inhibidores selectivos de estos transportadores (canagliflozina, dapagliflozina, empagliflozina) se emplean en el tratamiento de diabetes mellitus.
4. TRANSPORTE - SGLT
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4. TRANSPORTE DEPENDIENTE DE SODIO 
1- Proteínas transmembranales relativamente grandes (500 residuos).
2-	Tienen varias porciones de alfa hélice que atraviesan la membrana. 
3- Realizan transporte a favor de gradiente.
4- Pueden ser dependientes de insulina (se exponen en membrana) o independientes (constitutivamente expuestos)
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4. TRANSPORTE – Proteínas GLUT
	Tipo 	Afinidad
(Km)	Especificidad por glucosa	Distribución
	GLUT1	 Alta.
(2-5 mM)	Si	Cerebro, células fetales, glóbulos rojos, endotelio. Ubícua, excepto hepatocitos
	GLUT2	Baja.
(15 mM)	Si (también Fru y Gal)	Hepatocitos, células β del páncreas, membrana basolateral de enterocitos. Sensor de Glc
	GLUT3	Alta. (la menor Km)	Si	Cerebro y nervios periféricos.
	GLUT4*	Alta.
(3 mM)	Si	Tejido adiposo, músculo esquelético y cardiaco. Tejidos sensibles a insulina.
	GLUT5	Baja.
(10-13 mM)	No (Exclusivo para fructosa)	Membrana apical y basolateral de enterocitos. Testículos, cerebro, tejido adiposo, músculo esquelético.
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4. TRANSPORTE – Proteínas GLUT
Baja Km de GLUT1 permite disponer siempre de Glc en células que solo usan glucosa o que la necesitan siempre (neuronas y eritrocitos), aun en la hipoglicemia (baja concentración plasmática de Glc).
Alta Km de GLUT2 hace que el hígado solo capte glucosa cuando su concentración es muy elevada en la sangre (plasma).
Los hepatocitos poseen receptores de insulina, pero su transporte de Glc es independiente de la hormona.
Alta Km de GLUT2 hace que el páncreas (células ß) solo capte glucosa cuando la concentración de esta es muy elevada en la circulación, dado que en este órgano la glucosa activa la secreción de insulina.
GLUT4 es de alta afinidad, pero solo se expone en la membrana (tejido adiposo y músculos) cuando la concentración de insulina es elevada.
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4. TRANSPORTE – Km de GLUT
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Paso 1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
Paso 5
4. TRANSPORTE CON GLUT - Mecanismo
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GLUT4 
4. TRANSPORTE CON GLUT4 - Efecto de insulina
La velocidad de absorción de hidratos de carbono depende de su complejidad, preparación y de otros nutrientes presentes.
Para monosacáridos (Glc) 
~1 g/kg/hora.
El máximo de glicemia postabsortiva se observa entre 0,5 – 1 hora, para regresar al valor basal en 3 h.
Esa elevación coincide con el ascenso de insulina y el descenso de glucagón.
 
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4. Absorción de monosacáridos
Oxidación para generar ATP
- Anaeróbica
 Fermentación láctica: Glicólisis  ATP + ácido láctico + H2O
 
 Fermentación alcohólica: Glicólisis  ATP + EtOH + CO2 + H2O
 (Sólo en microorganismos)
 
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Aeróbica
Parcial: Glicólisis  ATP + ácido pirúvico + NADH, H+ + H2O
Total: Glicólisis + Oxidación de piruvato + Ciclo del ácido cítrico + Fosforilación oxidativa  ATP + CO2 + H2O
5. DESTINO DE GLUCOSA
Oxidación para generar NADPH y pentosas-P
Vía de las pentosas
 
Almacenamiento
	- Síntesis de glucógeno
 
Aporte de precursores para biosíntesis de:
 Lactosa
 Glucosaminoglicanos
 Glicoproteínas y glicolípidos
 Aminoácidos no esenciales
 Ácidos grasos
 Reguladores metabólicos (2,3-BPG, Fru-2,6-bP)
 Glicerol (para TAG)
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5. DESTINO DE GLUCOSA
La dieta es nuestra principal fuente de hidratos de carbono (No hay H.de C. esenciales)
Los hidratos de carbono de la dieta deben hidrolizarse enzimáticamente hasta monosacáridos para ser absorbidos.
Su absorción requiere transportadores dependientes de Na+ (SGLT) e independientes de Na+ (GLUT). Los GLUT4 dependen de insulina.
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EN RESUMEN:
Una vez absorbidos circulan solubles en agua (plasma) por la vena porta hasta el hígado y el resto de la circulación.
Son los únicos sustratos oxidables de manera anaerobia (fermentación) y aerobia (oxidación total).
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EN RESUMEN:
Dentro de las células se activan por fosforilación para su retención y metabolismo.
 
Aportan con su catabolismo energía (ATP), poder reductor (NADPH), almacenamiento energético (glucógeno) y numerosos derivados biosintéticos (lactosa, glucosaminoglucanos, ácidos grasos, glicerol, etc.)
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EN RESUMEN:
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Fin de la presentación 5.2
Introducción al Metabolismo de los
 Hidratos de Carbono
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ESTEQUIOMETRÍA DEL TRANSPORTE DE GLUCOSA 
 
3 Na
+
 
lumen 
 + 3 Glc 
lumen 
 3 Na
+
 
célula 
 + 3 Glc 
célula
 
3 Na
+
 
célula 
 + 2 K
+
 
intersticio 
+ ATP
célula
 3 Na
+
 
intersticio 
 + 2 K
+
 
célula
 + ADP
 célula 
+ P
célula
 
2 K
+
 
célula 
 2 K
+
 
intersticio 
3 Na
+
 
intersticio 
 3 Na
+
 
lumen 
3 Glc 
célula 
 3 Glc 
intersticio
 
 
 
3 Glc 
lumen 
+ ATP
célula
 3 Glc 
intersticio
 + ADP
 célula 
+ P
célula
 
 
ESTEQUIOMETRÍA DEL TRANSPORTE DE GLUCOSA
3 Na+ lumen + 3 Glc lumen 		3 Na+ célula + 3 Glc célula
3 Na+ célula + 2 K+ intersticio + ATPcélula 	3 Na+ intersticio+ 2 K+ célula + ADP célula + Pcélula
2 K+ célula	 		 2 K+ intersticio
3 Na+ intersticio	 	 3 Na+ lumen
3 Glc célula	 	 3 Glc intersticio
3 Glc lumen + ATPcélula 	 		3 Glc intersticio + ADP célula + Pcélula