7.6: Conexiones de las vías metabólicas de carbohidratos, proteínas y lípidos

Habilidades para Desarrollar

• Discutir las formas en que las vías metabólicas de los carbohidratos, la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico se interrelacionan con las vías metabólicas de proteínas y lípidos
• Explicar por qué las vías metabólicas no se consideran sistemas cerrados

Has aprendido sobre el catabolismo de la glucosa, que aporta energía a las células vivas. Pero los seres vivos consumen más que la glucosa como alimento. ¿Cómo termina un sándwich de pavo como ATP en tus celdas? Esto sucede porque todas las vías catabólicas para carbohidratos, proteínas y lípidos eventualmente se conectan con la glucólisis y las vías del ciclo del ácido cítrico (ver Figura\(\PageIndex{2}\)). Las vías metabólicas deben considerarse porosas, es decir, las sustancias entran por otras vías y los intermedios salen hacia otras vías. Estas vías no son sistemas cerrados. Muchos de los sustratos, intermedios y productos en una ruta particular son reactivos en otras vías.

Conexiones de otros azúcares al metabolismo de la glucosa

El glucógeno, un polímero de glucosa, es una molécula de almacenamiento de energía en animales. Cuando hay ATP adecuado presente, el exceso de glucosa se deriva al glucógeno para su almacenamiento. El glucógeno se elabora y almacena tanto en el hígado como en el músculo. El glucógeno se hidrolizará en monómeros de glucosa (G-1-P) si bajan los niveles de azúcar en la sangre. La presencia de glucógeno como fuente de glucosa permite que el ATP se produzca por un periodo de tiempo más largo durante el ejercicio. El glucógeno se descompone en G-1-P y se convierte en G-6-P tanto en las células musculares como hepáticas, y este producto ingresa a la vía glucolítica.

La sacarosa es un disacárido con una molécula de glucosa y una molécula de fructosa unidas entre sí con un enlace glicosídico. La fructosa es uno de los tres monosacáridos de la dieta, junto con la glucosa y la galactosa (que forma parte del azúcar de la leche, el disacárido lactosa), que se absorben directamente en el torrente sanguíneo durante la digestión. El catabolismo tanto de fructosa como de galactosa produce el mismo número de moléculas de ATP que la glucosa.

Conexiones de las proteínas al metabolismo de la glucosa

Las proteínas son hidrolizadas por una variedad de enzimas en las células. La mayoría de las veces, los aminoácidos se reciclan en la síntesis de nuevas proteínas. Si hay exceso de aminoácidos, sin embargo, o si el cuerpo se encuentra en un estado de inanición, algunos aminoácidos se derivarán hacia las vías del catabolismo de la glucosa (Figura\(\PageIndex{1}\)). Cada aminoácido debe tener su grupo amino eliminado antes de entrar en estas vías. El grupo amino se convierte en amoníaco. En mamíferos, el hígado sintetiza urea a partir de dos moléculas de amoníaco y una molécula de dióxido de carbono. Por lo tanto, la urea es el principal producto de desecho en los mamíferos producidos a partir del nitrógeno que se origina en los aminoácidos, y deja el cuerpo en la orina.

Figura\(\PageIndex{1}\): Los esqueletos de carbono de ciertos aminoácidos (indicados en cajas) derivados de proteínas pueden alimentarse al ciclo del ácido cítrico. (crédito: modificación de obra de Mikael Häggström)

Conexiones de Metabolismos de Lípidos y Glucosa

Los lípidos que están conectados a las vías de la glucosa son el colesterol y los triglicéridos. El colesterol es un lípido que contribuye a la flexibilidad de la membrana celular y es un precursor de las hormonas esteroides. La síntesis de colesterol comienza con grupos acetilo y procede en una sola dirección. El proceso no se puede revertir.

Los triglicéridos son una forma de almacenamiento de energía a largo plazo en animales. Los triglicéridos están hechos de glicerol y tres ácidos grasos. Los animales pueden hacer la mayoría de los ácidos grasos que necesitan. Los triglicéridos pueden elaborarse y descomponerse a través de partes de las vías del catabolismo de la glucosa. El glicerol se puede fosforilar a glicerol-3-fosfato, que continúa a través de la glucólisis. Los ácidos grasos son catabolizados en un proceso llamado beta-oxidación que tiene lugar en la matriz de las mitocondrias y convierte sus cadenas de ácidos grasos en dos unidades de carbono de grupos acetilo. Los grupos acetilo son recogidos por CoA para formar acetil CoA que procede al ciclo del ácido cítrico.

Figura\(\PageIndex{2}\): El glucógeno del hígado y los músculos, hidrolizado en glucosa-1-fosfato, junto con grasas y proteínas, puede alimentarse en las vías catabólicas para los carbohidratos.

Conexión Evolutiva: Vías de la Fotosíntesis y Metabolismo Celular

Los procesos de fotosíntesis y metabolismo celular constan de varias vías muy complejas. Generalmente se piensa que las primeras células surgieron en un ambiente acuoso —una “sopa” de nutrientes—probablemente en la superficie de algunas arcillas porosas. Si estas células se reproducían con éxito y sus números subían de manera constante, se deduce que las células comenzarían a agotar los nutrientes del medio en el que vivían a medida que desplazaban los nutrientes hacia los componentes de sus propios cuerpos. Esta situación hipotética habría resultado en la selección natural favoreciendo a aquellos organismos que pudieran existir mediante el uso de los nutrientes que permanecieron en su entorno y al manipular estos nutrientes en materiales sobre los que podrían sobrevivir. La selección favorecería a aquellos organismos que pudieran extraer el valor máximo de los nutrientes a los que tenían acceso.

Se desarrolló una forma temprana de fotosíntesis que aprovechó la energía del sol utilizando el agua como fuente de átomos de hidrógeno, pero esta vía no produjo oxígeno libre (fotosíntesis anoxígena). (La fotosíntesis temprana no produjo oxígeno libre porque no utilizó agua como fuente de iones de hidrógeno; en cambio, utilizó materiales como sulfuro de hidrógeno y consecuentemente produjo azufre). Se piensa que la glucólisis se desarrolló en este momento y podría aprovechar los azúcares simples que se producían, pero estas reacciones fueron incapaces de extraer completamente la energía almacenada en los carbohidratos. El desarrollo de la glucólisis probablemente fue anterior a la evolución de la fotosíntesis, ya que fue muy adecuada para extraer energía de materiales que se acumulan espontáneamente en la “sopa primitiva”. Una forma posterior de fotosíntesis utilizó el agua como fuente de electrones e hidrógeno, y generó oxígeno libre. Con el tiempo, la atmósfera se oxigenó, pero no antes de que el oxígeno liberara metales oxidados en el océano y creara una capa de “óxido” en el sedimento, permitiendo la datación del ascenso de los primeros fotosintetizadores oxigénicos. Los seres vivos se adaptaron para explotar esta nueva atmósfera que permitió que la respiración aeróbica tal y como la conocemos evolucionara. Cuando se desarrolló el proceso completo de fotosíntesis oxigénica y la atmósfera se oxigenó, las células finalmente pudieron usar el oxígeno expulsado por la fotosíntesis para extraer considerablemente más energía de las moléculas de azúcar utilizando el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa.

Resumen

La descomposición y síntesis de carbohidratos, proteínas y lípidos se conectan con las vías del catabolismo de la glucosa. Los azúcares simples son galactosa, fructosa, glucógeno y pentosa. Estos son catabolizados durante la glucólisis. Los aminoácidos de las proteínas se conectan con el catabolismo de la glucosa a través de piruvato, acetil CoA y componentes del ciclo del ácido cítrico. La síntesis de colesterol comienza con grupos acetilo, y los componentes de los triglicéridos provienen de glicerol-3-fosfato de la glucólisis y grupos acetilo producidos en las mitocondrias a partir del piruvato.

Colaboradores y Atribuciones

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