BIOQUÍMICA DE LA NUTRICIÓN

Objetivo general de la asignatura:

Explicar las vías del metabolismo intermedio, definiendo los mecanismos de su regulación y la participación de los distintos órganos y tejidos en el individuo sano y en estados patológicos.

¿Qué es la bioquímica?

La bioquímica describe la estructura, la organización y las funciones de la materia viva en términos moleculares.

El objetivo de la bioquímica es el conocimiento de la vida en términos moleculares.

La bioquímica se divide en tres áreas principales:

1. La química estructural de los componentes de la materia viva y la relación de la función biológica con la estructura química.

2. El metabolismo, la totalidad de las reacciones químicas que se producen en la materia viva.

3. La química de los procesos y las sustancias que almacenan y transmiten la información biológica (genética molecular).

La bioquímica como disciplina y ciencia interdisciplinar

La bioquímica extrae sus principales temas de muchas disciplinas:

De la química orgánica, que describe las propiedades de las biomoléculas.

De la biofísica, que aplica las técnicas de la física al estudio de las estructuras de las biomoléculas.

De la investigación médica, que intenta cada vez más comprender los estados patológicos en términos moleculares.

De la nutrición, que ha aclarado el metabolismo mediante la descripción de las necesidades alimentarias para el mantenimiento de la salud.

De la microbiología, que ha demostrado que los organismos unicelulares y los virus son especialmente adecuados para la determinación de muchas rutas metabólicas y mecanismos de regulación.

De la fisiología, que investiga los procesos vitales a nivel tisular y del organismo.

De la biología celular, que describe la división bioquímica del trabajo en el interior de una célula.

De la genética, que describe el mecanismo que proporciona a una determinada célula u organismo su identidad bioquímica.

La bioquímica adquiere su fuerza de todas éstas disciplinas y, a cambio, las nutre también; se trata de una ciencia realmente interdisciplinar.

Podemos definir como bioquímica a la ciencia que estudia los componentes químicos de los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucléicos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células.La bioquímica se basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y en general las moléculas biológicas están compuestas principalmente de C, H, O, N, P y S.

Nutrición y salud.En el transcurso de la vida se consumen alrededor de 70 000 comidas y 60 toneladas de alimento.

¿Qué es la nutrición?Nutrición es “la ciencia de los alimentos, los nutrimentos y las sustancias que contienen, su acción, interacción y equilibrio en relación con la salud y la enfermedad, y el proceso por el cual el organismo ingiere, digiere, absorbe, transporta, utiliza y excreta sustancias alimenticias.

¿Qué es un nutrimento?Es una sustancia química que se encuentra en los alimentos y que el cuerpo necesita para realizar diferentes funciones. Los nutrimentos son parte esencial de la dieta.

Nutrimento esencialEs una sustancia que se encuentra en los alimentos y que contribuye a la salud, pero que debe incluirse en la dieta ya que cuando no está presente se originan signos de mala salud. El cuerpo humano no es capaz de producir este nutrimento o no lo elabora con la suficiente rapidez para satisfacer los requerimientos del organismo.

Los nutrimentos esenciales para el organismo son:

-Hidratos de carbono o carbohidratos.-Lípidos (grasas y aceites).-Proteínas.-Vitaminas (hidrosolubles y liposolubles).-Minerales (nutrimentos inorgánicos).-Agua.

Los nutrimentos tienen 3 funciones generales en el cuerpo:

1. Proporcionar materiales para formar y mantener el cuerpo.

2. Actuar como reguladores en reacciones metabólicas fundamentales.

3. Participar en reacciones metabólicas que proporcionan la energía necesaria para sostener la vida. Una unidad de medición común de esta energía es la kilocaloría (Kcal).

Alimentación.- Acto voluntario que consiste en la obtención, preparación e ingestión de alimentos.

Alimentos.- Son todos los productos naturales o industrializados que consumimos para cubrir una necesidad fisiológica (hambre).

Dieta.- Unidad de alimentación. Se refiere a la variedad de los alimentos y a la cantidad en que un individuo los consume diariamente. La dieta debe ser completa, suficiente y equilibrada.

Analiza y contesta las siguientes preguntas:

¿Qué relación tiene la bioquímica con la nutrición?

¿Por qué estudiar la nutrición?

1. Metabolismo energético

1.1. Metabolismo:Se refiere a la red total de procesos químicos que participan en la conservación de la vida e incluye todas las secuencias de reacciones químicas que se llevan a cabo en el cuerpo. Estas ultimas permiten que las células liberen y utilicen la energía de los alimentos, conviertan una sustancia en otra y preparen los productos de desecho para eliminarse.

Una progresión de reacciones químicas metabólicas desde el inicio hasta el final se denomina vía. Los compuestos que se forman a medida que prosigue la vía se denominan intermedios. Virtualmente, cada etapa en cualquier vía depende de una enzima para la iniciación de la reacción química necesaria

Las vías anabólicas forman compuestos. A fin de que se lleven a cabo los procesos anabólicos es necesario el gasto de energía.

Por ejemplo, las reacciones químicas relacionadas con la síntesis de enlaces para la síntesis de ácidos grasos, de proteínas, de urea, de triglicéridos, etc. requieren este ingreso de energía.

Los elementos y compuestos químicos que se utilizan para la formación de las nuevas sustancias se denominan bloques de construcción.

Por el contrario, las vías catabólicas descomponen los compuestos en unidades pequeñas. Por ejemplo, el catabolismo (descomposición) completo de la glucosa da por resultado la liberación de dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). En el proceso se libera energía: parte de la misma es captada para uso celular y el resto se pierde como calor.

La producción de energía para uso celular ocurre en tres etapas. En la primera se descomponen grandes moléculas alimenticias, como proteínas, almidones y triglicéridos, durante la digestión y se absorben en unidades más pequeñas como aminoácidos, monosacáridos (azúcares simples) y ácidos grasos. En la segunda etapa, la mayor parte de estos compuestos más pequeños se degrada en el compuesto intermedio de dos carbonos, el ácido acético, el cual se encuentra en el vinagre.

En la tercera etapa se degrada el ácido acético (acetato cuando falta un ión hidrógeno) en dióxido de carbono y agua. Los electrones y iones H que se liberan durante este proceso metabólico son donados a átomos de oxígeno para la formación de agua. Parte de la energía que se libera en este proceso catabólico impulsa la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP), que es la energía que utilizan las células.

El metabolismo se divide en dos procesos conjugados: catabolismo y anabolismo.

Las reacciones catabólicas liberan energía; un ejemplo es la glucólisis, un proceso de degradación de compuestos como la glucosa, cuya reacción resulta en la liberación de la energía retenida en sus enlaces químicos.

Las reacciones anabólicas, en cambio, utilizan esta energía liberada para recomponer enlaces químicos y construir componentes de las células como lo son las proteínas y los ácidos nucleicos. El catabolismo y el anabolismo son procesos acoplados que hacen al metabolismo en conjunto, puesto que cada uno depende del otro.

Analizaremos las secuencias específicas de reacciones, o rutas, la relación entre cada ruta y la arquitectura celular, la importancia biológica de cada ruta, el mecanismo de control que regula el flujo o velocidad de reacción intracelular y los métodos experimentales que se utilizan para el estudio del metabolismo.

CATABOLISMO ANABOLISMO

Nivel 1

Una breve visión general del metabolismo

2

3

Producción Incorporación

Polímeros:Proteínas

Ácidos nucleicosPolisacáridos

Lípidos

Monómeros:AminoácidosNucleótidos

AzúcaresÁcidos grasos

Glicerol

Intermediarios metabólicos:

PiruvatoAcetil-CoA

Intermediarios del ciclo del ácido cítrico

Moléculas pequeñas sencillas:

H2O NH3 CO2

Energía Energía

El esquema anterior ilustra dos principios importantes:

1. El metabolismo puede subdividirse en dos categorías principales, el catabolismo, aquellos procesos relacionados con la degradación de las sustancias complejas, y el anabolismo, los procesos relativos fundamentalmente a la síntesis de las moléculas orgánicas complejas.

2. Tanto las rutas catabólicas como las anabólicas se producen en tres niveles de complejidad:

• El nivel 1, la interconversión de los polímeros y los lípidos complejos con los intermediarios monoméricos.

• El nivel 2, la interconversión de los azúcares monoméricos, los aminoácidos y los lípidos con los compuestos orgánicos aún más sencillos.

• El nivel 3, la degradación final hasta compuestos inorgánicos, como CO2, H2O y NH3, o la síntesis a partir de los mismos.

Las rutas de producción de energía generan también intermediarios que se utilizan en los procesos de biosíntesis. Aunque nos centraremos en primer lugar en la degradación de los compuestos orgánicos para producir energía, debe tenerse en cuenta que el metabolismo es, en realidad, todo un espectro, de tal manera que muchas de sus reacciones desempeñan funciones tanto en los procesos de degradación como en los de biosíntesis.

1.2. Características del metabolismo intermediario y energético:

El metabolismo intermediario comprende todas las reacciones relacionadas con el almacenamiento y la generación de energía metabólica y con el empleo de esa energía en la biosíntesis de compuestos de bajo peso molecular y compuestos de almacenamiento de energía. Las reacciones del metabolismo intermediario pueden interpretarse como aquellas que no implican un molde de ácido nucleico, puesto que la información necesaria para especificar cada reacción está incluida en la estructura de la enzima que cataliza esa reacción.El metabolismo intermediario representa fundamentalmente la biosíntesis, la utilización y la degradación de los compuestos de bajo peso molecular.

El metabolismo energético es la parte del metabolismo intermediario formada por las rutas que almacenan o generan energía metabólica.Las rutas centrales del metabolismo son básicamente las mismas en muchos organismos muy distintos, y explican las cantidades relativamente grandes de transferencia de masa y de generación de energía que se producen en el interior de una célula; son las rutas principales desde el punto de vista cuantitativo

1.3. Gasto energético basal y total:

En los sistemas vivos, la mayor parte de la energía necesaria para las reacciones de biosíntesis procede de la oxidación de sustratos orgánicos. El oxígeno, que es el aceptor último de electrones para los organismos aerobios, es un oxidante potente y tiene una intensa tendencia a atraer electrones, quedando reducido en el proceso.

El gasto energético basal o metabolismo basal es la energía necesaria para mantener las actividades fisiológicas basales (ritmo cardiaco, actividad cerebral, funcionamiento renal, temperatura corporal y función respiratoria).

Gasto energético total = Gasto Metabólico Basal + Actividades de la vida diaria.

Una regla para conocer las necesidades de energía del metabolismo basal consiste en calcular 25 Kcal/kg/d.

MB = peso (Kg) x 25 calorías (constante) Actividad: regular = 0.3 x MB

moderada = 0.4 x MBelevada = 0.5 x MB

70 Kg x 25 Kcal/Kg = 1750 Kcal 0.4 x 1750 Kcal = 700 KcalGasto energético total = 2450 Kcal

1.4. características distintivas de los procesos catabólicos y anabólicos.

La mayoría de los organismos obtienen la materia prima y la energía para la biosíntesis a partir de moléculas de combustible orgánico como la glucosa. Las rutas centrales comprenden la oxidación de las moléculas de combustible y la síntesis de biomoléculas pequeñas a partir de los fragmentos resultantes; estas rutas se encuentran en todos los organismos aerobios.

Pero una diferencia fundamental entre éstos organismos es el origen de sus moléculas de combustible. Los autótrofos (del griego, “que se alimentan a sí mismos”) sintetizan la glucosa y todos sus demás compuestos orgánicos a partir del carbono inorgánico, obtenido en forma de CO2. En cambio los heterótrofos (“que se alimentan a partir de otros”) pueden sintetizar sus metabolitos orgánicos únicamente a partir de compuestos orgánicos, que por tanto han de consumir.

Una diferencia fundamental entre las plantas y los animales es que las plantas son autótrofas y los animales son heterótrofos. Excepto en el caso de algunas plantas raras que comen insectos, como la Venus atrapamoscas, las plantas verdes obtienen todo su carbono orgánico mediante la fijación fotosintética del dióxido de carbono.

Los animales se alimentan de plantas o de otros animales y sintetizan sus metabolitos transformando las moléculas orgánicas que consumen. Prácticamente todos los organismos multicelulares y muchas bacterias son organismos aerobios estrictos; dependen por completo de la respiración, que es el acoplamiento de la generación de energía con la oxidación de los nutrientes por el oxígeno.

2. Metabolismo de los hidratos de carbono

2.1. Glucólisis anaerobia y aerobia.

La ruta de la glucólisis, una ruta de nivel 2 para la degradación de los hidratos de carbono, en las células aerobias o anaerobias. La principal entrada a la glucólisis es la glucosa, que generalmente procede de los polisacáridos de almacenamiento de energía o de los hidratos de carbono del alimento.

Esta ruta conduce al piruvato, un cetoácido de tres carbonos. Los organismos anaerobios reducen el, piruvato a diversos productos, por ejemplo, etanol y dióxido de carbono. Estos procesos se denominan fermentaciones.

Respiración

Ambiente Combustible

Origina ATP

Anaerobia Sin oxígeno

Carbohidrato (glucosa)

Ácido pirúvico

Alcohol o ácido láctico

2 moléculas

En el metabolismo oxidativo (respiración), el principal destino del piruvato es su oxidación a un fragmento de dos carbonos metabólicamente activado, la acetil-coenzima A, o acetil-CoA.

Respiración

Ambiente Combustible Origina ATP

Aerobia Con oxígeno

Carbohidrato (glucosa)

Ácido pirúvico

Acetil-CoA

36 moléculas

La glucólisis es la ruta inicial del catabolismo de los hidratos de carbono. El término glucólisis procede de las palabras griegas que significan “dulce” y “romper”. Literalmente, la denominación es correcta, puesto que la glucólisis es la ruta por medio de la cual los azúcares de seis carbonos (que son dulces) se rompen, dando lugar a un compuesto de tres carbonos, el piruvato.

Glucólisis significa “catabolismo de glucosa”. La vía de la glucólisis, que se encuentra en la porción citosólica del citoplasma de todas las células, tiene una función doble: degrada monosacáridos para la generación de energía y proporciona bloques de construcción a fin de que se sinteticen los compuestos que requiere la célula, como glicerol, para la producción de triglicéridos.

Antes que pueda iniciarse la glucólisis, una célula obtiene glucosa. Ésta glucosa se guarda como glucógeno. Las células hepáticas y musculares descomponen el glucógeno en glucosa. Otras células del cuerpo obtienen la glucosa del torrente sanguíneo, de tal manera que para que sobreviva el cuerpo necesita la conservación de una concentración bastante constante de glucosa en sangre (glucemia).

El producto de la glucólisis son dos unidades de un compuesto de tres carbonos que se llama ácido pirúvico (piruvato). Algunas células convierten a continuación el piruvato en ácido láctico (lactato).A fin de que se inicie la glucólisis, se añade un grupo fosfato a la glucosa, lo que la torna más reactiva. Otro grupo fosfato se añade al compuesto de glucosa y fosfato que recién se formó y que, a continuación se segmenta en dos compuestos de tres carbonos. Estos últimos se convierten a través de una serie de etapas en dos moléculas del compuesto de tres carbonos: piruvato.

Por consiguiente, en la glucólisis una célula inicia con una molécula de glucosa de seis carbonos y produce dos moléculas de piruvato. En el proceso se eliminan cuatro hidrógenos (que contienen un total de cuatro electrones) y se generan cuatro moléculas de ATP. Los electrones y los iones H son captados por un portador (el NAD+). Cada NAD+ (forma oxidada) acepta dos electrones y un ión , y produce NADH + H+ (forma reducida). Por consiguiente, un resultado final de la glucólisis es la síntesis de dos NADH + H+.

Glucólisis

Polisacáridos

Monosacáridos

Glucosa

Gliceraldehído-3-fosfato

Piruvato ATP

ADP

Transportadores electrónicos

reducidosA la fermentación

o respiración

1

3

2

Fase inicial del catabolismo de los hidratos de

carbono: glucólisis.El piruvato

experimenta una reducción en las reacciones de

fermentación, o bien entra en el

metabolismo oxidativo

(respiración) mediante su

conversión en acetil-CoA.

Durante la glucólisis, parte de la energía potencial almacenada en la estructura de hexosa se libera y se utiliza para la síntesis de ATP a partir de ADP. La glucólisis puede realizarse en condiciones anaerobias, sin oxidación neta de los azúcares sustrato. Los anaerobios, que son microorganismos que viven en ambientes sin oxígeno, pueden obtener toda su energía metabólica por este proceso. No obstante, las células aerobias utilizan también la glucólisis. En estas células, la glucólisis es la parte anaerobia inicial de una ruta de degradación global que comporta un considerable consumo de oxígeno y la oxidación completa de los hidratos de carbono.

En los organismos aerobios, la glucólisis es el primer paso de la oxidación completa de la glucosa a CO2 y agua. El segundo paso es la oxidación del piruvato a acetil-CoA, y el proceso final es la oxidación de los carbonos del grupo acetilo en el ciclo del ácido cítrico.

2.2. Ciclo del ácido cítrico.

El ciclo del ácido cítrico completa el catabolismo de la glucosa. Las dos moléculas de piruvato que se forman al final de la glucólisis contienen aún mucha energía almacenada. El piruvato pasa del citosol celular al interior de las mitocondrias. Una célula utiliza a continuación las vías que se encuentran en éstas últimas para la extracción de la energía restante del piruvato a fin de formar más ATP. Una vía fundamental se denomina ciclo del ácido cítrico.

Estrategia del ciclo del ácido cítricoLa oxidación representa la pérdida de electrones de un sustrato; este sustrato es el donador de los electrones, que transfieren a un aceptor electrónico, que queda así reducido. Los átomos de carbono se oxidan, ya sea a través de la pérdida de hidrógeno, ya sea mediante la combinación con el oxígeno. Este último proceso elimina electrones de la capa alrededor de un núcleo de carbono, ya que la electronegatividad del oxígeno atrae los electrones compartidos hacia su propio núcleo.

El ciclo del ácido cítrico se centra en los destinos metabólicos de los dos carbonos que entran en el ciclo. Estos carbonos, el grupo acetilo de la acetil-coenzima A, se transfieren a un ácido orgánico de cuatro carbonos, el oxalacetato, para dar un ácido tricarboxílico de seis carbonos, el citrato. El citrato entra en una serie de siete reacciones durante las cuales se liberan dos carbonos en forma de CO2 y los cuatro carbonos restantes se regeneran en forma de oxalacetato, que puede iniciar de nuevo el proceso. De ahí la naturaleza cíclica de la ruta.

El oxalacetato está presente al inicio, para reaccionar con un fragmento activado de dos carbonos y está presente al final, después de que se hayan oxidado los dos carbonos hasta CO2. De las ocho reacciones que se presentan en el ciclo, cuatro son deshidrogenaciones, que generan cofactores reducidos: NADH y una coenzima de flavina reducida.

Las dos fases en el ciclo del ácido cítrico:

La primera fase (reacciones 1 a 4) se emplea para oxidar los dos carbonos a CO2.

La segunda fase (reacciones 5 a 8) sirve para regenerar el oxalacetato.

Figuras 14.2 y 14.3

2.3 Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.

La fosforilación oxidativa es el proceso mediante el cual el dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido (NADH)y el dinucleótido de adenina y flavina reducido (FADH), producidos por la oxidación de los nutrimentos, forman el trifosfato de adenosina (ATP). Este proceso se lleva a cabo en la mitocondria.

La función principal de la glucólisis, del ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs) y de la fosforilación oxidativa es mediar la formación de ATP.Los niveles de ADP regulan la fosforilación oxidativa. En la mayor parte de las condiciones fisiológicas el transporte de electrones está estrechamente acoplado a la formación de ATP a partir de ADP y P.La fosforilación oxidativa requiere ADP, P, O2 y equivalentes reductores (NADH y FADH2).

Para medir la eficacia de la fosforilación oxidativa, debemos determinar la energía capturada en forma de ATP como una fracción de la energía total liberada en la oxidación de un sustrato. Normalmente se mide la relación P/O, que es el número de moléculas de ATP sintetizadas por par de electrones transportados a través del transporte electrónico. La síntesis de ATP se cuantifica como incorporación de fosfato al ATP.