Metabolismo de Carbohidratos: Glucólisis y Gluconeogénesis

Glucólisis

¿Cuál es la función de la glucólisis?

La función de la glucólisis es la conversión de monómeros que provienen de los peptidoglicanos en glucosa, la cual pasa a las células y al torrente sanguíneo para posteriormente ser oxidada y convertirse en ATP. Además, proporciona materiales de construcción para la biosíntesis.

Cuando entra mucha glucosa al hígado, ¿qué transportador se usa? ¿Qué enzima cataliza la fosforilación? ¿En qué se utiliza esa cantidad de glucosa?

Se utiliza el transportador GLUT2, que es el que actúa recibiendo grandes cantidades de glucosa. Esta reacción es catalizada por la hexoquinasa/glucoquinasa. El exceso de glucosa se utiliza en los procesos de gluconeogénesis.

¿En cuántas etapas se divide la ruta glucolítica?

La ruta glucolítica se divide en tres etapas.

¿Qué ocurre en la primera etapa?

En la primera etapa se atrapa la glucosa. Los pasos son:

1. Mediante la hexoquinasa/glucoquinasa, la glucosa se transforma en Glucosa 6-fosfato de manera irreversible (con gasto de un ATP).
2. Posteriormente, la Glucosa 6-fosfato se convierte en Fructosa 6-fosfato, pasando de ser una hexosa a ser una pentosa, debido a que la pentosa se divide más fácilmente.
3. Por último, la Fructosa 6-fosfato se fosforila mediante la Fosfofructoquinasa, dando lugar a la Fructosa 1,6-Bisfosfato con el gasto de otro ATP y también de manera irreversible.

¿Qué ocurre en la 2ª etapa?

En la segunda etapa, la Fructosa 1,6-Bisfosfato se divide en dos moléculas de 3 carbonos (triosas) denominadas Dihidroxiacetona fosfato y Gliceraldehído 3-fosfato. Estas se hallan en la siguiente proporción: 96% de dihidroxi y 4% de gliceraldehído, pero, al encontrarse el gliceraldehído en la ruta directa de la glucólisis, este va desapareciendo y se produce más a partir de la dihidroxiacetona fosfato.

Describir la 3ª etapa. ¿Cuál es el destino del piruvato producido?

En esta etapa, el gliceraldehído 3-fosfato se transforma en piruvato después de cinco reacciones, de las cuales dos producen ATP (la segunda y la quinta). Esta etapa se produce dos veces, con lo que la producción neta de ATP se multiplica por dos, dando lugar a 4 ATP y, asimismo, a 2 NADH (uno por cada vez).

El piruvato producido puede ser aprovechado de tres maneras diferentes:

• En condiciones anaeróbicas o hipóxicas:
  • El piruvato sufre una fermentación alcohólica, dando lugar a dos moléculas de etanol y dos moléculas de CO₂ (ejemplo: levadura).
  • El piruvato sufre una fermentación láctica, mediante la cual dará lugar a dos moléculas de lactato (ejemplo: contracción muscular, eritrocitos, algunas otras células y microorganismos).
• En condiciones aeróbicas:
  • El piruvato dará lugar a dos moléculas de CO₂ al pasar a 2 acetil-CoA y, finalmente, otras cuatro moléculas de CO₂ y cuatro de H₂O (ejemplo: animales, plantas y muchas células microbianas en condiciones aerobias).

Regulación de la Glucólisis

¿Cuáles son los puntos de control de la ruta?

Los puntos de control de esta ruta son los puntos irreversibles:

• El paso de glucosa a glucosa 6-fosfato, controlado por la enzima hexoquinasa.
• El paso de fructosa 6-fosfato a fructosa 1,6-Bisfosfato, controlado por la enzima fosfofructoquinasa.
• El paso de Fosfoenolpiruvato a piruvato, controlado por la piruvato quinasa.

¿Cómo se lleva a cabo la regulación de la ruta en el músculo en reposo?

En el músculo en reposo, la regulación se lleva a cabo gracias a que la hexoquinasa, la fosfofructoquinasa y la piruvato quinasa perciben alta carga energética (alta concentración de ATP e inhibición por citrato) e inhiben la glucólisis.

¿Y durante la contracción?

Durante la contracción se estimula la glucólisis por baja carga energética de AMP, que activa la fosfofructoquinasa y la piruvato quinasa.

¿Qué diferencia existe entre la regulación del músculo y la del hígado?

La diferencia existente se localiza en el tercer punto de inhibición (piruvato quinasa). En el músculo, la piruvato quinasa se inhibe en presencia de ATP y Acetil-CoA, y se activa mediante la presencia de F-1,6BP y la concentración de fosfoenolpiruvato. En el hígado, la regulación es más compleja e incluye la inhibición alostérica y la regulación hormonal (fosforilación/desfosforilación).

Gluconeogénesis

¿En qué situaciones funciona la gluconeogénesis a mayor velocidad que la glucólisis?

En las últimas horas de la noche o en la mañana temprano, tras el agotamiento de una fracción importante del glucógeno hepático, la gluconeogénesis es la principal fuente de glucosa sanguínea.

En las situaciones en las que la glucosa se encuentra en niveles bajos en la sangre (ayuno), ¿cuáles son las reacciones exclusivas de esta ruta?

Las reacciones exclusivas de la gluconeogénesis son:

• La desfosforilación de algunos aminoácidos mediante la enzima PEP carboxiquinasa o del piruvato mediante la enzima piruvato carboxilasa.
• La desfosforilación de la Fructosa 1,6-bisfosfato a Fructosa 6-fosfato mediante la acción de la enzima fructosa 1,6-bisfosfatasa.
• Y, la desfosforilación de la glucosa 6-fosfato a glucosa mediante la glucosa 6-fosfatasa.

En una persona alimentada regularmente, ¿qué ruta suministra la glucosa para sostener la glucemia dentro de lo normal a las 6 de la tarde? ¿Y antes del desayuno?

• En caso de haberse alimentado correctamente, se utilizará la glucogenólisis del azúcar consumido.
• Antes del desayuno se utilizará la gluconeogénesis.

¿A qué nivel se controla la gluconeogénesis?

A nivel sanguíneo, dependiendo de la glucosa en sangre.

¿Cuáles son los inhibidores de la gluconeogénesis?

Los inhibidores son:

• Fructosa 2,6-bisfosfato (F-2,6-BP, que simboliza niveles altos de glucosa).
• La alta presencia de AMP y ADP.

¿Y los activadores?

Los activadores son la alta presencia de ATP, de alanina, de citrato y de Acetil-CoA.

Ciclo de Krebs y Fosforilación Oxidativa

Ciclo de Krebs

1. Describir la reacción de la piruvato deshidrogenasa.

La piruvato deshidrogenasa es la enzima encargada de la descarboxilación oxidativa, el proceso entre la glucólisis y el Ciclo de Krebs, ya que el piruvato no puede entrar a la mitocondria desde el citosol como piruvato. Por lo tanto, esta enzima junto con otras dos forman el complejo piruvato deshidrogenasa (E1+E2+E3), las cuales pasan el piruvato a Acetil-CoA. El piruvato se descarboxila, perdiendo un carbono, por lo que libera una molécula de CO₂ y se oxida, liberando una molécula cargada de NADH+H⁺, la cual irá a la fosforilación oxidativa generando ATP. Por lo que ahora tendremos un grupo acetilo que se unirá con la Coenzima A, formando el Acetil-CoA que iniciará junto al ácido oxalacético el Ciclo de Krebs. Cabe destacar que, como son dos moléculas de piruvato, tendremos finalmente 2 CO₂ y 2 NADH+H⁺.

¿Cuál es la primera reacción del ciclo de Krebs?

El Acetil-CoA (2C) cede su grupo acetilo al oxaloacetato (4C), formando una molécula de citrato (6C).

¿Qué compuestos se producen en cada vuelta del ciclo?

2 CO₂ + 3 NADH + FADH₂ + GTP (que deriva en ATP) + CoA.

¿Cuánto ATP se generará, por molécula de glucosa completamente oxidada, a partir de los compuestos producidos en el ciclo de Krebs?

Si solo contamos lo obtenido directamente en el Ciclo de Krebs (dos vueltas por glucosa):

• Obtenemos 2 moléculas de GTP que derivarán en ATP.
• Los 6 NADH+H⁺ pasarán a la fosforilación oxidativa, produciendo un total de aproximadamente 15 ATP (6 x 2.5).
• Los 2 FADH₂ pasarán a la fosforilación oxidativa, produciendo un total de aproximadamente 3 ATP (2 x 1.5).

El rendimiento total de ATP generado a partir de los productos del Ciclo de Krebs es de aproximadamente 20 ATP.

¿El ciclo de Krebs se considera una vía aeróbica o anaeróbica? ¿Por qué?

Es una vía estrictamente aeróbica, pues requiere de O₂ para iniciar la descarboxilación oxidativa del piruvato, ya que en la mitocondria el NAD⁺ y el FAD solo se pueden regenerar mediante la transferencia de electrones al oxígeno molecular en la fosforilación oxidativa.

¿Cómo se regula el ciclo de Krebs?

Cuando hay suficientes metabolitos cargados energéticamente (ATP, Acetil-CoA), estos inhiben a la piruvato deshidrogenasa de forma alostérica, puesto que hay suficiente energía en el organismo. Mientras que si hay metabolitos que indican deficiencia energética (NAD⁺, AMP o el CoA), esto activará la descarboxilación oxidativa y con ello el Ciclo de Krebs para generar ATP.

Fosforilación Oxidativa

Describir los complejos de la cadena respiratoria: elementos estáticos y móviles.

La cadena respiratoria comprende cuatro complejos estáticos en la membrana interna de la mitocondria. En los complejos I, III y IV, el flujo de electrones induce el bombeo de protones hacia el espacio intermembrana. En el I y III, por cada 2 electrones se bombean 4 H⁺, y en el IV, por cada 2 electrones, 2 H⁺.

El complejo II contiene la enzima succinato-deshidrogenasa del Ciclo de Krebs, que transfiere electrones del succinato al FAD y del FADH₂ al coenzima Q.

La coenzima Q o ubiquinona y el citocromo C son elementos móviles que transportan electrones desde los complejos I y II al III, y desde el III al IV, respectivamente.

Diferencia entre los complejos I y II.

El complejo I capta los electrones del NADH y tiene la capacidad de bombear protones, mientras que el complejo II capta los electrones del FADH₂ (interviene la succinato deshidrogenasa) y no es una bomba de protones; solo transfiere los electrones a la coenzima Q.

¿Qué ocurre en el complejo IV?

El complejo IV o citocromo oxidasa transfiere 4 electrones provenientes del citocromo c al oxígeno para formar agua (reducción del oxígeno). Además, por cada dos electrones, bombea dos protones al espacio intermembrana. En la reducción del O₂, se pueden producir Especies Reactivas de Oxígeno (ROS), peróxidos o hidroxilos.

¿Cuántos protones se bombean en cada complejo?

• En el complejo I, por cada dos electrones captados del NADH, se bombean 4 protones.
• En el complejo II, no se bombea ningún protón.
• En el complejo III, por cada dos electrones, se bombean 4 protones.
• En el complejo IV, por cada dos electrones, se bombean 2 protones.

¿Cuál es el rendimiento en ATP a partir de los electrones de un NADH? ¿Por qué?

El rendimiento es de 2,5 ATP por NADH. Esto se debe a que se bombean 10 protones a lo largo de la membrana (4 en el I, 4 en el III y 2 en el IV). Para que se sintetice una molécula de ATP a través de la ATP sintasa, se necesita la entrada de 3 protones a la matriz más 1 protón que entra a través de la fosfato translocasa (en total, 4 protones por ATP). Por lo tanto, 10 H⁺ / 4 H⁺ por ATP = 2,5 ATP.

¿Por qué un FADH₂ genera menos rendimiento en ATP que NADH?

Por cada 2 electrones que entran en la cadena respiratoria en el complejo II, se bombean 6 H⁺ a lo largo de los complejos III y IV (4 en el III y 2 en el IV). La vuelta de estos a la matriz permite la síntesis de 1,5 ATP (6 H⁺ / 4 H⁺ por ATP = 1,5 ATP).

¿Cuáles son los requerimientos moleculares para que se pueda sintetizar una molécula de ATP por la ATP sintasa?

Se necesitan:

• 3 protones desde el espacio intermembrana que pasan por la subunidad F₀ para la síntesis.
• Un ADP y un Pi (fosfato inorgánico) que entran a través de la adenosina nucleótido translocasa (requiere ATP) y la fosfato translocasa (requiere un protón), respectivamente.

¿De dónde provienen dichas moléculas?

Los tres protones provienen de los complejos I, III y IV que los bombean hacia el espacio intermembrana, y el protón adicional proviene de la fosfato translocasa.

Describir el funcionamiento de la ATP sintasa para producir 1 molécula de ATP.

Al pasar 3 protones a través de la subunidad F₀ de la ATP sintasa, el anillo de subunidades c gira 120º. El paso de estos protones hace girar el tallo (subunidad gamma) que enlaza con F₀ y F₁, estimulando así la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi por las subunidades beta de F₁. El giro completo del rotor de F₀ generará 3 ATP por cada 9 protones que pasen a través de él.

Metabolismo Lipídico

¿En qué situaciones se activa la movilización de la grasa almacenada en el tejido adiposo?

En una situación en la que se necesite energía, como ante un ejercicio prolongado en el tiempo o tras un par de horas después de comer (ayuno). Son de lenta liberación.

¿Cómo se moviliza la grasa?

La grasa que está en el tejido adiposo se degrada en ácidos grasos y glicerol mediante la Lipasa Sensible a Hormonas (LSH). Las hormonas como el glucagón y la adrenalina, que viajan por la sangre, desencadenan estas reacciones que activan la lipasa que hidroliza los triacilglicéridos (TAG). El glucagón indica que estamos en ayuno, y la adrenalina indica que el músculo ha comenzado a hacer ejercicio.

• Los ácidos grasos se oxidan en la matriz mitocondrial en una β-oxidación para obtener ATP.
• El glicerol puede transformarse en DHAP y luego en gliceraldehído 3-P mediante una fosfotriosa isomerasa para realizar una glucólisis o una gluconeogénesis (según la ruta activa).

¿Qué ocurre desde que los ácidos grasos llegan al citosol de las células (hepáticas, musculares,…) hasta que se oxidan mediante la ruta de la β-oxidación?

En un primer momento, se produce una activación del ácido graso en el citosol por esterificación con una Coenzima A (CoA). Se crea un enlace tioéster de alta energía. La unión del ácido graso más CoA da Acil-CoA.

Posteriormente, el ácido graso activado tiene que pasar del citosol a la matriz mitocondrial, lo cual requiere el transportador carnitina. Este transportador se intercambia con el CoA para dar Acil-carnitina y de esta manera pasa a la matriz mediante una translocasa. Una vez allí, se produce la reacción a la inversa para obtener de nuevo Acil-CoA. Interviene la carnitina aciltransferasa I (de carnitina a acilcarnitina) y la carnitina aciltransferasa II (en el proceso de acilcarnitina a carnitina).

Es interesante destacar que la carnitina aciltransferasa citosólica es inhibida por el malonil-CoA, el compuesto de partida para la síntesis de ácidos grasos, así se evita que los procesos de síntesis y degradación de los ácidos grasos se produzcan simultáneamente.

¿Cuáles son las 4 reacciones de cada ciclo de β-oxidación?

Las cuatro reacciones son:

1. Oxidación ligada al FAD (Formación de un doble enlace entre carbonos alfa y beta).
2. Hidratación (Introducción de un –OH en el carbono beta, procedente de una molécula de agua).
3. Oxidación ligada al NAD (Oxidación del carbono beta a ceto -C=O).
4. Tiólisis (Rotura del enlace entre los carbonos alfa y beta por ataque de CoA).

¿Cuáles son los productos finales de la β-oxidación de un ácido graso de 16 carbonos?

El ácido palmítico (16 carbonos) requiere 7 ciclos de beta-oxidación, por lo que los productos finales son: 8 Acetil-CoA, 7 NADH y 7 FADH₂.

¿Cuál es el destino de cada uno de los compuestos que se producen en la β-oxidación?

El NADH y el FADH₂ irán a la cadena de transporte de electrones y el Acetil-CoA al Ciclo de Krebs para su oxidación.

¿Cuál es la reacción previa a cada ciclo de biosíntesis de ácidos grasos?

La formación de malonil-CoA, que inhibe la carnitina aciltransferasa porque no se puede dar la síntesis y degradación de ácidos grasos al mismo tiempo. Este cede un grupo acetilo a la AG sintasa para comenzar la síntesis. Se forma de la carboxilación de un Acetil-CoA por parte del complejo enzimático acetil-CoA carboxilasa (ACC), que requiere de biotina y ATP.

Describe la regulación recíproca β-oxidación-biosíntesis de ácidos grasos en situación de alimentación reciente.

En una situación de alimentación reciente, la glucosa suministrada se oxida en el hígado hasta Acetil-CoA. La insulina liberada activa la ACC, que cataliza la reacción del Acetil-CoA en Malonil-CoA. Este metabolito inhibe la entrada de Acil-CoA a la mitocondria y, por tanto, la oxidación de ácidos grasos (β-oxidación).

Ídem en situación de ayuno entre comidas.

Entre comidas, en situación de ayuno, los bajos niveles de glucosa impulsan la liberación de glucagón. Este inhibe la ACC, no se sintetiza Malonil-CoA y los Acil-CoA entran a la mitocondria, se oxidan y se suministra ATP.

Metabolismo del Glucógeno

Estructura del glucógeno.

El glucógeno es una macromolécula de estructura muy ramificada. Las ramificaciones son más frecuentes en la zona central que en la periférica. En su núcleo central existe una proteína, la glucogenina. En el hígado, el glucógeno forma gránulos de entre 10 y 40 nm. La estructura del glucógeno es similar a la de la amilopectina del almidón: cadenas lineales de glucosa unidas por enlaces α-1,4 con ramificaciones mediante enlaces α-1,6.

Inicio de la síntesis de novo de un gránulo de glucógeno.

La glucogenina es el núcleo del gránulo de glucógeno. Aporta el cebador o soporte necesario para el inicio de una cadena de glucógeno de novo. La proteína glucogenina une un residuo de glucosa activada (UDP-Glu) a una tirosina de su propia cadena polipeptídica y luego añade sucesivamente nuevos residuos de glucosa hasta formar un oligosacárido de 8 residuos. A partir de aquí, son la glucógeno sintasa y la enzima ramificante quienes se encargan del crecimiento posterior de las cadenas.

Reacción de la glucógeno sintasa.

2º Elongación lineal: Para que una molécula de glucosa se incorpore al glucógeno, debe antes fosforilarse (G6-P) mediante la hexoquinasa, isomerizarse a G1-P mediante la fosfoglucomutasa y unirse a UDP (UDPGlucosa) mediante un enlace rico en energía. En la incorporación de la glucosa a la cadena, se rompe dicho enlace, aportando la energía necesaria para la reacción y se libera UDP.

Reacción del enzima ramificante.

3º Ramificación: El enzima ramificante transfiere una cadena de 7 residuos de glucosas, en un solo paso, desde el extremo de una rama de al menos 11 residuos a un punto más interior de la misma rama o de otra rama. Para ello, corta un enlace α-1,4 y forma otro α-1,6. De esta forma, el glucógeno se hace más soluble y más accesible para la acción de la glucógeno sintasa y la glucógeno fosforilasa.

¿Cómo actúa la glucógeno fosforilasa?

Reacción de glucogenólisis en cadenas lineales:

• Se realiza por la glucógeno fosforilasa (la glucosa se libera como G1-P).
• El fosfato inorgánico se une al carbono 1 de la glucosa más externa de cualquier cadena, rompiendo el enlace α-1,4 y liberando glucosa 1-P.
• La glucógeno fosforilasa libera secuencialmente Glu1-P de las ramas exteriores del gránulo de glucógeno, pero solo hasta 4 residuos de un punto de ramificación.

Acción de la enzima desramificante.

El enzima desramificante tiene 2 actividades:

• Transferasa: Transfiere los 3 residuos exteriores de la ramificación a la otra cadena.
• α-1,6 Glucosidasa: Hidroliza el enlace α-1,6 liberando glucosa (no fosforilada).

La glucógeno fosforilasa continúa liberando progresivamente G1-P de esta nueva cadena no ramificada.

¿Cuál es el destino de la glucosa-1-P resultante de la acción de la glucógeno fosforilasa?

La glucosa 1-P liberada del glucógeno se convierte en glucosa 6-P.

• Hígado: La glucosa 6-P tiene el mismo destino metabólico que la producida en la gluconeogénesis: convertirse en glucosa por acción de la glucosa 6-fosfatasa. Esta glucosa es liberada a la circulación sanguínea para mantener los niveles de glucosa.
• Músculo: La glucosa 6-P se utiliza como sustrato glucolítico para obtener energía. El músculo no posee glucosa-6-fosfatasa y no libera glucosa a la circulación sanguínea.

Regulación hormonal del metabolismo del glucógeno durante el ejercicio. Ídem durante el ayuno.

Las hormonas adrenalina (epinefrina) y glucagón tienen el mismo efecto sobre el glucógeno: GLUCOGENÓLISIS.

• La adrenalina se libera de la médula adrenal en situaciones de estrés tales como huida, miedo, lucha, ansiedad o ejercicio físico.
• El glucagón se libera desde las células α del páncreas durante el ayuno.

La adrenalina actúa sobre el músculo y sobre el hígado, mientras que el glucagón actúa sobre el hígado y tejido adiposo, no sobre el músculo. Ambas hormonas impulsan la glucogenólisis.

Tanto la adrenalina como el glucagón se unen a sus respectivos receptores en la membrana celular. La señal hormonal dispara una cascada de reacciones que finalmente fosforila los dos enzimas responsables del metabolismo del glucógeno: glucógeno fosforilasa y glucógeno sintasa. La primera se activa al fosforilarse y la segunda se inactiva, estimulándose como consecuencia la GLUCOGENÓLISIS.

Regulación conjunta en hígado y músculo durante un ejercicio en ayunas.

La insulina induce la desfosforilación de la glucógeno sintasa, activando la síntesis de glucógeno (esto ocurre en estado post-absortivo, no durante el ejercicio en ayunas, donde predomina la glucogenólisis).

Integración Metabólica

¿En qué situación se liberan las siguientes hormonas a la circulación sanguínea? Adrenalina, Glucagón, Insulina.

• La adrenalina se libera ante un estado de estrés o de huida.
• El glucagón se libera en momentos de bajos niveles de glucosa en sangre (hipoglucemia, ayuno).
• La insulina se libera en momentos de grandes niveles de glucosa en la circulación sanguínea (hiperglucemia, estado post-absortivo).

¿Qué efecto tiene sobre el metabolismo las hormonas insulina y glucagón en Hígado, Músculo, Tejido adiposo?

Efectos de la Insulina (Estado Post-Absortivo)

• Hígado y Músculo: Aumento de la captación de glucosa, activación de la síntesis de glucógeno (glucogénesis) y desactivación de la degradación de glucógeno (glucogenólisis). Aumento de la glucólisis.
• Hígado: Aumento de la síntesis de ácidos grasos.
• Tejido Adiposo: Aumento de la síntesis de triacilgliceroles (TAG).

Efectos del Glucagón (Estado de Ayuno)

• Hígado: Activación de la degradación de glucógeno (glucogenólisis) e inactivación de la síntesis, así como de la glucólisis. Activación de la gluconeogénesis.
• Tejido Adiposo: Movilización de ácidos grasos (lipólisis).
• Músculo: El glucagón no actúa directamente sobre el músculo, pero el músculo aumenta la degradación de cuerpos cetónicos que necesitará el cerebro.

En estado de buena nutrición (post-absortiva), ¿cuáles son las funciones principales del hígado?

En estado de buena nutrición (hígado lipogénico), hay un aumento de los niveles de glucemia en sangre, por lo que actuará el páncreas con el fin de controlar el azúcar en sangre mediante la liberación de insulina. El hígado se queda con las tres cuartas partes de la glucosa sanguínea. Cuando tiene exceso, la envía al cerebro, músculo y tejido adiposo. Esta entrada es buena para rellenar los depósitos de glucógeno que serán usados en el ayuno. Del resto, una parte se utilizará para sintetizar ATP y otra para biosíntesis de ácidos grasos y, a su vez, de triglicéridos. Los TAG viajan, mediante las VLDL, al tejido adiposo y al músculo en reposo. Por otro lado, los ácidos grasos de la dieta se transportan en quilomicrones desde el intestino a los tejidos muscular y adiposo a través de la linfa.

¿Cuál es el destino de los aminoácidos que le llegan al hígado desde el intestino?

Los aminoácidos (AA) que entran al hígado a través de la vena porta desde el intestino van a dar lugar a alfa-cetoácidos. Hay una síntesis proteica y se libera amonio, que se convierte en urea y se expulsa por el riñón.

Durante el estado de ayuno, ¿a partir de qué compuestos obtienen glucosa los hepatocitos? ¿Cuál es el destino de dicha glucosa?

En estado de ayuno, va a actuar el glucagón, lo que va a provocar la degradación del glucógeno en glucosa para obtener energía. También actúa parando la glucólisis y la síntesis de ácidos grasos y activa las rutas opuestas: gluconeogénesis y lipólisis. Además de obtener glucosa del glucógeno, se puede obtener a partir de otros metabolitos como los AA, el lactato o el glicerol. El destino de esta glucosa obtenida es su exportación a la circulación para aumentar la glucemia.

¿Por qué el día 40 del ayuno el cerebro utiliza menos glucosa que el día 4?

Porque a medida que pasan los días, el glucógeno se vacía y el sustrato para la síntesis de glucosa es el glicerol mediante la lipólisis del tejido adiposo y, posteriormente, en último caso, los AA procedentes de proteínas musculares. En el ayuno, la primera fase es de consumo de los hidratos de carbono de reserva. La segunda fase es el consumo principal de las grasas, y la tercera fase es el consumo grave de proteínas.

Al cabo de unas 2 semanas de ayuno, hasta dos terceras partes de la energía que necesita el cerebro se obtienen de los cuerpos cetónicos. La falta de oxalacetato en el Ciclo de Krebs (porque está siendo utilizado en la gluconeogénesis) impide el catabolismo del Acetil-CoA, por lo que este se acumula, dando lugar a cuerpos cetónicos que van al cerebro a oxidarse.

¿A partir de qué elementos sintetiza el tejido adiposo TAG (triglicéridos)? ¿En qué situación metabólica se produce esta síntesis, absortiva o post-absortiva?

Los triglicéridos están formados por un alcohol (glicerina) y 3 ácidos grasos. Se produce una esterificación. El tejido adiposo tiene por principal función la acumulación de energía en forma de triglicéridos. La síntesis se produce en un estado absortivo o de buena nutrición, pues una parte de la glucosa se usa para sintetizar ATP en el hígado y la otra se usa para la biosíntesis de ácidos grasos. Las grasas se transportan en quilomicrones y los TAG en las VLDL.

Durante la inanición (ayuno prolongado), ¿qué implicaciones tiene el enlentecimiento del ciclo de Krebs?

Lo que ocurre es que, al no haber oxalacetato (que está siendo utilizado en la gluconeogénesis), el Ciclo de Krebs se da muy lento debido a la acumulación de Acetil-CoA que no puede entrar al ciclo por la falta del oxalacetato. Por consiguiente, este se acumula y forma cuerpos cetónicos que se utilizan como energía por el cerebro, músculo e hígado.

¿Qué diferencia hay entre el modo de regulación de las rutas metabólicas por el cortisol y por la adrenalina?

El cortisol, al contrario de la adrenalina, actúa de forma relativamente lenta, modificando los tipos y cantidades de los enzimas en lugar de actuar regulando su actividad. La adrenalina activa rápido las vías de regeneración de ATP distintas de las dependientes de la creatina quinasa.

Carga Energética Celular y Regulación

¿Qué significa en términos moleculares carga energética celular alta y carga energética celular baja?

• Una molécula con carga energética celular alta significa que el cociente ATP/ADP es alto y tiene gran cantidad de coenzimas reducidas (NADH y FADH₂) que participan en reacciones de oxidación-reducción.
• Una molécula con carga energética baja significa que el cociente entre ATP/ADP es bajo.

¿Qué rutas metabólicas son activas por el ATP? ¿Catabólicas o anabólicas? ¿Cuáles son estas rutas?

Rutas anabólicas. Gluconeogénesis, glucogénesis y síntesis de ácidos grasos.

¿Y por el ADP? ¿Y AMP?

Rutas catabólicas. Glucólisis, glucogenólisis, beta oxidación de ácidos grasos.

¿Qué indica un cociente NADH/NAD⁺ elevado respecto a la situación energética de la célula?

Significa que tiene una carga energética alta. La célula tendrá un gran número de electrones que podrá ceder para obtener energía en la cadena de transporte de electrones.

¿Qué rutas se activarían en una situación en que diera dicho cociente elevado? ¿Catabólicas o anabólicas?

Serían unas rutas anabólicas, porque la célula tendría energía para procesos de biosíntesis de biomoléculas.

Niveles elevados de citrato y Acetil-CoA, ¿qué situación señalan?

Que la célula posee carga energética alta y está preparada para procesos anabólicos de biosíntesis de biomoléculas.

¿En la situación anterior se activan rutas catabólicas o anabólicas?

Anabólicas.

Metabolismo Muscular y Ejercicio

En un ejercicio de potencia SOSTENIDA, ¿qué combustibles se utilizan? ¿Cuánto puede durar este tipo de ejercicios? Ejemplo de este tipo de ejercicio.

En este ejercicio se utilizaría el ATP presente en el sarcoplasma de los miocitos en los 5-6 primeros segundos (ejemplo: una carrera de 100 m lisos). Cuando este se va gastando, se regenera el ATP por la reacción de creatina fosfato (Creatina P) mediante la creatina quinasa hasta que su concentración disminuye. La célula trabaja con un metabolismo anaerobio, ya que la velocidad a la que se requiere ATP es mayor de la que las mitocondrias pueden administrar en una vía aeróbica. Aunque la glucólisis anaerobia se activa rápido, no es significativa su importancia hasta que pasan los 6-7 segundos de carrera.

¿En qué grupo se incluiría un ejercicio de intensidad alta que durara 9 segundos? ¿Qué combustibles utilizaría el deportista?

A partir de 9 segundos se empieza a utilizar la glucólisis anaerobia, además de haber utilizado el ATP presente en el organismo y hasta que se agotó la concentración de creatina fosfato para regenerarlo.

En un ejercicio de potencia-resistencia sostenida, ¿cuál es la secuencia de utilización de combustibles? Ejemplo de este tipo de ejercicios.

Un ejemplo de este tipo de ejercicio sería una carrera de 1000 metros en 2-3 minutos. En un principio, los primeros segundos hay un componente rápido, se utiliza el ATP presente en el sarcoplasma de los miocitos. Secundariamente, obtiene energía de la fase glucolítica anaerobia que regenera el ATP consumido en la mayor parte de la carrera. El glucógeno se degrada en Glucosa 1-fosfato que produce piruvato y luego lactato. Este último permite regenerar el NAD⁺ consumido en la ruta glucolítica y producir más glucosa a través del Ciclo de Cori.

En una maratón, ejercicio de resistencia aeróbica, ¿qué importancia tiene mantener glucógeno hasta el final de la prueba? ¿Qué ocurre si se gasta antes? ¿Qué mecanismo permite ahorrar glucógeno?

La importancia de llegar con glucógeno y ácidos grasos al final de la prueba es poder mantener un ritmo de carrera adecuado, ya que la degradación de ácidos grasos es más lenta. Si solo obtuviera la energía de ácidos grasos, tardaría más en llegar a la meta y a una velocidad mucho menor (el temido «efecto muro»).

El mecanismo que permite ahorrar glucógeno es la movilización de ácidos grasos, que provoca Acetil-CoA a través de la beta oxidación. Este Acetil-CoA inhibe la piruvato deshidrogenasa, con lo cual la transformación de glucógeno a Acetil-CoA es más lenta y el corredor puede llegar sin ningún tipo de problema con los dos combustibles al final de la prueba. En casos extremos, el músculo puede usar AA, especialmente ramificados, como combustible en último recurso mediante el ciclo glucosa-alanina.

¿Qué hormonas regulan el metabolismo durante el ejercicio?

Durante el ejercicio, el glucagón eleva los niveles de glucemia en sangre por medio de la glucogenólisis y la gluconeogénesis (hígado). La adrenalina estimula la degradación del glucógeno y la liberación de glucosa por el hígado, incrementando los niveles de glucosa. La insulina disminuye la glucosa. Los glucocorticoides (cortisol) actúan de manera más lenta que la adrenalina, modificando los tipos y cantidades de enzimas en lugar de regular su actividad. También activa la degradación de proteínas y estimula la lipólisis. Hay otras hormonas que influyen como la aldosterona, la GH, la ADH o EPO.

¿Qué efecto tiene la adrenalina sobre el músculo, hígado y tejido adiposo?

Actúa sobre estos como hormona para suministrar energía a las células. Como neuroreceptor, aumenta el ritmo cardiaco, la presión arterial, la captación y transporte de O₂. Por lo tanto, proporciona al miocito energía y O₂ para la contracción muscular. En una segunda fase, activa la liberación de glucagón desde las células alfa y disminuye la liberación de insulina.

¿A qué se debe la fatiga en un ejercicio anaeróbico?

Puede deberse a muchos factores, pero una explicación con respecto a la bioquímica podría deberse a la acumulación de ácido láctico (lactato) en la sangre como consecuencia de la fermentación en ejercicios anaeróbicos. Esto provoca la bajada del pH y conlleva al agotamiento.

¿Y en uno aeróbico?

A la falta de glucógeno muscular.

¿Qué función desempeña el ciclo de la glucosa-alanina?

Transportar el amonio, que es tóxico, de las proteínas (se elimina el nitrógeno del músculo a la vez que se le aporta energía). La glucosa se oxida y produce piruvato que puede ser transaminado en alanina (alanina transaminasa ALT). Esta va al torrente sanguíneo y llega al hígado, donde es reconvertida en piruvato que será usado como fuente de carbono en la gluconeogénesis. La nueva glucosa obtenida reingresa en la sangre para volver al músculo como energía. Por último, el grupo amino liberado en la transaminación es excretado como urea.

¿A qué se puede deber la aparición de calambres durante o tras un ejercicio prolongado? ¿Cómo se pueden evitar?

En un ejercicio prolongado, con el sudor se pierde mucha cantidad de agua y metabolitos que participan en la contracción muscular (Potasio y Sodio). La eliminación de estos metabolitos tiene un efecto sobre la relajación muscular, ya que la falta de sodio provoca un desequilibrio en la bomba sodio-potasio (desequilibrio electrolítico) y la célula no puede volver a su carga normal, por falta de sodio intracelular. Se pueden evitar mediante la hidratación, por ejemplo, con bebidas isotónicas, para que los músculos no entren en fatiga.

¿Qué tipo de entrenamiento (aeróbico, anaeróbico o de intervalos) produce mayor mejora en la actividad creatina quinasa y miosina quinasa?

Un entrenamiento anaeróbico.

¿Qué tipo de ejercicio aumenta el número de mitocondrias y potencia la cadena respiratoria?

Principalmente ejercicios aeróbicos.

¿Y los que producen mejora de la eficiencia de glucogenólisis?

Principalmente ejercicio aeróbico.

Diferenciar el déficit de oxígeno de la deuda de oxígeno.

El déficit de oxígeno es la diferencia entre el volumen de oxígeno consumido durante el ejercicio y el que se hubiese consumido de haberse alcanzado desde el primer momento el nivel de consumo estable durante la carrera, mientras que la deuda de oxígeno es la cantidad extra que se consume del mismo durante la fase de recuperación del ejercicio (EPOC).