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Metabolismo de los Carbohidratos: Proceso, vías y trastornos

Publicado el 1 abril, 2024

¿Qué es el metabolismo de los carbohidratos?

Los carbohidratos (CHO), también conocidos como carbohidratos, son compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno, que forman parte de los alimentos que suelen consumir los animales. Al igual que las proteínas y las grasas, los carbohidratos son un macronutriente. Los carbohidratos se encuentran en cereales, frutas y verduras.

Los carbohidratos están formados por azúcares simples y complejos. La glucosa y la fructosa son azúcares simples, mientras que el almidón, la celulosa y el glucógeno son azúcares complejos. Cuando se ingiere un carbohidrato, el cuerpo los descompone en azúcares en un proceso llamado metabolismo de los carbohidratos.

El metabolismo de los CHO implica la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico. Cuando se ingiere un carbohidrato, la digestión comienza en la boca con la amilasa salival cuando comienza a descomponer el almidón en moléculas de glucosa. Cuando los carbohidratos llegan al intestino delgado, enzimas como la amilasa los descomponen en azúcares simples y son transportados a través de la pared intestinal hacia el torrente sanguíneo.

Comprender la glucosa en el metabolismo

Las moléculas de glucosa son un azúcar simple con una estructura de 6 carbonos con la fórmula química C6H12O6. Cuando una persona ingiere carbohidratos, estos se descomponen en glucosa, que es la principal fuente de energía del cuerpo. Sin glucosa, las células del cuerpo carecen de energía y eventualmente mueren. El metabolismo de la glucosa es el proceso en el que el cuerpo convierte la glucosa en energía que el cuerpo puede utilizar e implica glucólisis, glucogenólisis y gluconeogénesis. Cuando los carbohidratos se descomponen en glucosa, se absorbe en el torrente sanguíneo y viaja a las células del cuerpo. Una vez que la glucosa se acumula fuera de las células, se le indica a un órgano llamado páncreas que produzca una hormona conocida como insulina. La insulina ingresa al torrente sanguíneo, va a las células y les indica que se abran y permitan la entrada de glucosa.

Vías del metabolismo de los carbohidratos

La vía del metabolismo de los carbohidratos implica varias vías diferentes que seguirá un carbohidrato en el cuerpo. Estos incluyen la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico, la gluconeogénesis, la glucogenólisis y la vía de las pentosas fosfato. Todas estas vías funcionan para descomponer los carbohidratos en energía utilizable, almacenar energía para su uso posterior y/o crear ADN o ARN.

Glucólisis

La glucólisis es un proceso metabólico anaeróbico (que no requiere oxígeno) y aeróbico que ocurre en el citoplasma de las células e involucra reacciones químicas que conducen a la conversión de moléculas de glucosa en ácido pirúvico o láctico. La glucólisis es un primer paso en el metabolismo de la glucosa y permite al hígado reconocer que los niveles de glucosa en la sangre aumentan después de comer y utilizar la glucosa.

El ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs es el proceso mediante el cual se eliminan los átomos de hidrógeno del ácido pirúvico y se produce dióxido de carbono. Durante la glucólisis, se producen moléculas de piruvato y, en el ciclo del ácido cítrico, se transportan a través de la membrana mitocondrial hacia las mitocondrias y se metabolizan mediante enzimas. Durante este proceso, se crean moléculas, incluidas ATP, NADH y FADH2.

El ciclo de Krebs es un proceso catabólico que realizan los organismos vivos para generar trifosfato de adenosina (ATP). El ATP es la fuente de energía utilizada y almacenada a nivel celular. El ciclo del ácido cítrico es un proceso de ocho pasos:

Paso de preparación: las moléculas de piruvato producidas durante la glucólisis ingresan a la mitocondria y se sintetizan en acetil coenzima A (acetil CoA). El acetil CoA es una molécula de carbohidrato que inicia el ciclo de Krebs.

  • Paso 1: el acetil-CoA se combina con el oxalacetato, que es una molécula de cuatro carbonos, para formar citrato.
  • Paso 2: el citrato es una molécula de seis carbonos y se convierte en isocitrato mediante la eliminación y adición de una molécula de agua.
  • Paso 3: el isocitrato se oxida y libera una molécula de dióxido de carbono, dejando atrás el alfa-cetoglutarato.
  • Paso 4: el alfa-cetoglutarato se oxida y el NAD+ se reduce a NADH. Durante este paso del proceso se libera nuevamente una molécula de dióxido de carbono. La molécula de cuatro carbonos que queda recoge la coenzima A y forma succinil CoA.
  • Paso 5: la CoA de la succinil CoA en este paso se reemplaza por un grupo fosfato y se transfiere a ADP o GTP para producir ATP. El succinato es la molécula de cuatro carbonos producida durante esta fase.
  • Paso 6: el succinato se oxida y forma otra molécula de cuatro carbonos llamada fumarato. Durante la reacción de este paso, dos átomos de hidrógeno se transfieren a FAD y crean FADH2.
  • Paso 7: el agua se combina con el fumarato y se convierte en otra molécula de cuatro carbonos conocida como malato.
  • Paso 8- Finalmente, el malato se oxida y forma oxalacetato nuevamente, y otra molécula de NAD+ se convierte en NADH, que completa el ciclo del ácido cítrico. Luego, el oxalacetato puede combinarse con el siguiente acetil CoA, iniciando nuevamente el ciclo del ácido cítrico. Cada ciclo completado crea tres NADH, un ATP y un FADH2.

gluconeogénesis

La gluconeogénesis ocurre principalmente en el hígado y es la formación de nueva glucosa a partir de fuentes distintas de los carbohidratos, como los aminoácidos proteicos o los gliceroles grasos. Cuando no ingresa glucosa al cuerpo durante el ayuno, como cuando una persona duerme por la noche, se produce la gluconeogénesis. La gluconeogénesis, junto con la glucogenólisis, ayuda al cuerpo a mantener el azúcar en sangre y prevenir la hipoglucemia (nivel bajo de glucosa en sangre).

Glucogenólisis

Durante los periodos de ayuno, el páncreas produce una hormona conocida como glucagón, que inicia el proceso de glucogenólisis. El glucógeno, o la forma de almacenamiento de las moléculas de glucosa en el cuerpo, se libera durante la glucogenólisis. Este proceso permite que los niveles de glucosa o azúcar en sangre en el cuerpo permanezcan estables durante períodos prolongados cuando una persona no ingiere carbohidratos.

Vía pentosa fosfato

La vía de las pentosas fosfato (PPP) desempeña un papel vital en el metabolismo celular y ocurre junto o en paralelo al proceso de glucólisis para crear los azúcares para el ADN y el ARN. El ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico) son vitales para la supervivencia y reproducción de las células. La PPP es una serie de reacciones metabólicas que crean NADPH y ocurre en el citoplasma de la célula, al igual que la glucólisis. El PPP produce azúcar ribosa-5-fosfato, que se utiliza para producir ARN y ADN. El PPP también crea moléculas de NADPH, que ayudan a formar otras moléculas.

Cuando la glucosa se descompone durante la glucólisis, una molécula de 6 carbonos llamada glucosa-6-fosfato ingresa en la vía de las pentosas fosfato. El PPP tiene una fase oxidativa y no oxidativa.

  • Fase oxidativa (irreversible): la oxidación de la glucosa-6-fosfato crea lactona y, como subproducto de esta reacción, el NADP+ se reduce a NADPH. Otra reacción ocurre usando agua y forma 6-fosfogluconato. A continuación, se elimina una molécula de carbono y los electrones liberados reducen nuevamente el NADP+ a NADPH. La molécula restante de 5 carbonos es ribulosa-5-fosfato.
  • Fase no oxidativa (reversible): la ribulosa-5-fosfato se transforma en ribosa-5-fosfato, el azúcar que forma el ARN y el ADN. Durante la fase no oxidativa pueden ocurrir diferentes procesos dependiendo de las necesidades de la célula. Una molécula de 10 carbonos se produce cuando la ribosa-5-fosfato se combina con otra molécula de ribosa-5-fosfato. Esta molécula de 10 carbonos se puede utilizar para crear moléculas de 3 y 7 carbonos. La molécula de 3 carbonos puede usarse en la glucólisis y convertirse en ribosa-5-fosfato para la creación de ADN y ARN. Además, la molécula de 3 carbonos y la de 7 carbonos se pueden convertir para crear una molécula de 4 y 6 carbonos, que se utilizan en la creación de aminoácidos y la glucólisis.

La vía de las pentosas fosfato es una parte esencial del metabolismo de los carbohidratos porque participa en el metabolismo de la glucosa, que es la molécula en la que se descomponen los carbohidratos durante la digestión. Sin la glucólisis y la PPP, el cuerpo no puede utilizar la glucosa para crear energía, ADN o ARN.

Ejemplos del metabolismo de los carbohidratos

Algunos ejemplos de metabolismo de carbohidratos y escenarios que hacen uso de los diferentes procesos y vías incluyen:

  • Glucólisis: asociada con la ingestión de carbohidratos y controla el uso de glucosa. Ocurre cuando los niveles de glucosa en sangre aumentan después de comer y permite que el cuerpo utilice el azúcar procedente de la descomposición de los carbohidratos.
  • Glucogenólisis- asociado a períodos de ayuno. Cuando una persona no ingiere carbohidratos durante un período, el cuerpo produce glucagón, que inicia la glucogenólisis. La glucosa almacenada en el cuerpo se libera para ayudar a prevenir la hipoglucemia.
  • Gluconeogénesis: asociada con un estado de cetosis (el cuerpo quema grasa para obtener energía en lugar de azúcares). Esta parte del metabolismo de los carbohidratos ocurre cuando una persona sigue una dieta baja en carbohidratos, realiza una actividad física extenuante, ayuna o pasa hambre.

Trastornos del metabolismo de los carbohidratos

Existen muchos trastornos diferentes del metabolismo de los carbohidratos y también se conocen como trastornos metabólicos. Normalmente, el cuerpo descompone los carbohidratos en glucosa, pero si una persona tiene un trastorno metabólico, es posible que no pueda descomponer los carbohidratos, lo que provoca una acumulación de glucosa en el cuerpo. Los trastornos metabólicos son genéticos y generalmente se transmiten de padres a hijos. Algunos ejemplos de estos trastornos del metabolismo de los carbohidratos son:

  • Las enfermedades por almacenamiento de glucógeno, también conocidas como enfermedad de Pompe, son trastornos en los que el glucógeno (glucosa almacenada) que normalmente se metaboliza durante la glucogenólisis no se puede metabolizar en glucosa, que es necesaria para controlar los niveles de glucosa en sangre en el cuerpo. El tipo I es un trastorno genético en el que se acumula demasiado glucógeno en el hígado y los riñones, lo que provoca inflamación y agrandamiento de estos órganos y puede provocar un retraso en el crecimiento.
  • El síndrome de Hunter, también conocido como mucopolisacaridosis tipo II, es un trastorno genético en el que el cuerpo no metaboliza las moléculas de azúcar de forma adecuada. La acumulación de estas moléculas en el cuerpo causa daño.
  • El síndrome de Hurler, a veces llamado mucopolisacaridosis tipo I, es otro trastorno genético poco común en el que un niño tiene una acumulación de azúcares complejos en sus células, lo que causa daño a múltiples partes del cuerpo y anomalías en los rasgos faciales, como ojos muy espaciados, puente nasal plano, y frente agrandada.
  • El síndrome metabólico, o síndrome de resistencia a la insulina, ocurre cuando la glucosa es resistente a la insulina durante el metabolismo de los carbohidratos y no responde a la insulina que normalmente la guía hacia la célula. Esto conduce a una acumulación de insulina, lo que previene la descomposición de las grasas y aumenta el riesgo de enfermedades cardíacas y diabetes mellitus. El tratamiento del síndrome metabólico implica modificaciones en el estilo de vida, como una dieta saludable y ejercicio regular.

Las opciones de tratamiento para los trastornos metabólicos varían y algunos trastornos no tienen cura. La mayoría de los trastornos metabólicos se controlan mediante dieta y medicamentos.

Resumen de la lección

Cuando una persona come cereales, frutas o verduras, ingiere carbohidratos, que son compuestos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno. Durante un proceso llamado metabolismo de los carbohidratos, el cuerpo descompone los carbohidratos en azúcares simples o complejos como la glucosa, que es un azúcar simple que el cuerpo utiliza como energía. El metabolismo de los carbohidratos comienza en la boca, donde la amilasa salival comienza a descomponerlos. El metabolismo continúa en los intestinos, transformándose en azúcares simples y entrando al torrente sanguíneo. Luego, el proceso del metabolismo de la glucosa comienza cuando las moléculas de glucosa (azúcares simples) viajan a través del sistema circulatorio a diferentes células del cuerpo y son guiadas hacia las células por la insulina, donde la célula puede luego usar la glucosa como combustible para funcionar. La vía del metabolismo de los carbohidratos tiene múltiples vías conocidas como glucólisis, ciclo del ácido cítrico, gluconeogénesis, glucogenólisis y vía de las pentosas fosfato. La glucólisis convierte las moléculas de glucosa en ácido pirúvico o ácido láctico y ayuda al hígado a reconocer el aumento de los niveles de azúcar en sangre después de la ingestión de carbohidratos. La siguiente vía es el ciclo del ácido cítrico, donde las moléculas de piruvato de la glucólisis se utilizan para iniciar una serie de reacciones para crear ATP (una fuente de energía a nivel celular). Otro proceso es la gluconeogénesis, que forma glucosa sin carbohidratos durante un período de ayuno para ayudar a mantener los niveles de azúcar en sangre. La glucogenólisis ocurre de manera similar durante el ayuno cuando se libera glucógeno, o la forma almacenada de glucosa, para prevenir la hipoglucemia. Finalmente, la vía de las pentosas fosfato ocurre junto con la glucólisis y, a través de varias reacciones metabólicas, crea el azúcar ribosa-5-fosfato, que el cuerpo usa para producir ARN y ADN para una mayor reproducción celular.

Los numerosos procesos y vías complejos del metabolismo de los carbohidratos dejan mucho espacio para que se produzcan trastornos y enfermedades. La enfermedad por almacenamiento de glucógeno y el síndrome metabólico son dos ejemplos en los que el metabolismo de los CHO falla, ya sea por la incapacidad de metabolizar la glucosa o por la respuesta inadecuada de la glucosa a la insulina. Estos trastornos pueden causar daño a los órganos, discapacidad y muerte. Las opciones de tratamiento varían, pero se centran principalmente en tratar los síntomas de los trastornos, ya que la mayoría son trastornos genéticos que no se pueden curar.

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