Es necesario hacer referencia al mecanismo de acción de las coenzimas de la cadena respiratoria y para ello se planteará que: “consiste en un proceso REDOX (en parejas), que se manifiesta de manera ininterrumpida, ya que de no ser así se requeriría de cantidades extremadamente incalculables de cada una de estas coenzimas en las mitocondrias para asegurar el transporte de los átomos de hidrógeno hasta el O2 de los diferentes sustratos que
tienen que ser oxidados”.
Además, es conveniente destacar la particularidades de cada una: las deshidrogenasas (transportan átomos de H), mientras que las oxidasas (sólo transportan electrones). Además, en el caso de la CoQ (que en ocasiones no se encuentra presente), tiene la capacidad de transportar directamente los protones (H+) al oxígeno reducido (O2-) para formar el H2O, lo cual se puede observar en la Fig. 9.1.
De esta manera, hemos podido explicar brevemente las particularidades de sus componentes, así como también la forma en que se encuentran ordenados (o sea, en forma creciente de sus potenciales REDOX):
1.-Dehidrogenasas ligadas a la piridina: NAD 2.-Dehidrogenasas ligadas a la flavina: FAD 3.-Dehidrogenasas ligadas a la ubiquinona: CoQ
4.-Oxidasas del tipo de los citocromos: Cit a a3, Cit b, Cit c, etc.
A continuación en la Fig. 9.2 se muestran los diferentes valores de los potenciales de cada
Potenciales REDOX de las coenzimas de la cadena respiratoria.
Se debe destacar la importancia de estas coenzimas transportadoras de protones y electrones (H+ y e-), para lo cual debe plantearse ¿qué sucedería si no existiesen estas coenzimas intermedias entre el sustrato y el O2?
En este sentido, es necesario centrar nuestra explicación en el hecho de que la diferencia de potenciales REDOX entre los diferentes sustratos que se oxidan y el oxígeno es tan grande (ver la Fig. 9.2) que esto provocaría la elevación brusca de la temperatura corporal, lo que ocasionaría serios trastornos al organismo, debido a que esto implica que a nivel celular se destruirían las proteínas (o sea, estas se desnaturalizarían), y ello conlleva a la pérdida de las funciones vitales.
Finalmente, se debe puntualizar ¿en qué pasos de la cadena respiratoria el ∆G < 0 permite la formación de ATP?:
Esto sólo puede ocurrir en 3 puntos de la cadena respiratoria, en los cuales el valor del ∆ G ≈ 7,3 kcal/ mol (ver la Fig. 9.2)
1ro: NAD/ FAD ∆G ≈ 12,7 kcal/ mol
2do: Cit b/ Cit c ∆G ≈ 9,9 kcal/mol Mediante el acoplamiento a la P.O. 3ro: Cit aa3/ O2 ∆G ≈ 23,8 kcal/mol (o sea, a la fosforilación oxidativa)
perfectamente acoplados en el interior de las mitocondrias (ver la Fig. 9.3), a nivel de la membrana interna y en la matriz mitocondrial, para lograr así el adecuado ajuste espacial entre cada uno de estos y que permitan el aprovechamiento eficiente de la energía liberada en el proceso de las oxidaciones biológicas, para poder sintetizar el ATP mediante la fosforilación oxidativa.
Diagrama de los sistemas coenzimáticos de la cadena respiratoria en la membrana mitocondrial.
Fosforilación oxidativa.-Para iniciar este aspecto se debe aludir al por qué de esta denominación, de manera tal que se denomina:
Fosforilación: porque se incorpora un residuo ( o molécula) de ácido fosfórico, H3PO4, ó
simplemente, Pi a una sustancia, es decir, al ADP.
Oxidativa: porque tal incorporación de ácido fosfórico (Pi) al ADP, ocurre a expensas de la energía liberada (∆ G) en un proceso oxidativo.
Todo esto se puede expresar así:
ADP + Pi + E procesos REDOX ATP
El fenómeno de la fosforilación oxidativa (P.O.) se encuentra íntimamente vinculado a la cadena respiratoria, y es fundamentalmente aquí donde se produce el mayor porciento de ATP en el organismo, por lo cual resulta obvio plantear que ocurre en las membranas de las crestas mitocondriales; no obstante, es conveniente destacar que puede ocurrir también en el citosol (citoplasma celular), es decir, sin que intervenga la cadena de transporte electrónico, sin embargo, la cantidad de ATP formada siempre será mucho menor por esta vía.
Diagrama del acoplamiento de la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa en la membrana mitocondrial.
Por esa razón, se debe plantear que: si la energía de la oxidación proviene de la Cadena Respiratoria se le denomina al proceso: fosforilación oxidativa a nivel de la cadena respiratoria, en cambio, si dicha energía se obtiene de otro proceso REDOX no asociado a la cadena de transporte electrónico, o sea, donde el O2 no es el aceptor final de los átomos
de hidrógeno, entonces se denomina: fosforilación oxidativa a nivel de sustrato (que es el caso típico del metabolismo anaerobio de los glúcidos).
Por tanto, podemos resumir diciendo que: la fosforilación oxidativa no es más que la síntesis de moléculas de ATP a partir del ADP y el Pi, gracias a la energía liberada en un proceso REDOX.
Consideraciones acerca del ciclo de Krebs y su importancia para los sujetos que realizan actividad física sistemática.-En este aspecto continuamos nuestra explicación acerca de los procesos metabólicos, analizando el ciclo de Krebs, que es la forma común de la degradación oxidativa en todas las células, es decir, que se manifiesta en todas las formas existentes de la vida en la naturaleza. El mismo constituye la ruta central común para llevar a cabo la degradación completa de los tres nutrientes: glúcidos, lípidos (fundamentalmente los ácidos grasos) y los aminoácidos de las proteínas hasta dióxido de carbono y agua. Este es el sendero metabólico universal para todos los organismos aerobios, que le permite a los mismos la obtención del mayor porciento de la energía almacenada en las moléculas de sus nutrientes, el cual se lleva a cabo en el interior de las mitocondrias, y además, genera numerosos precursores biosintéticos. El ciclo del acido cítrico es, por tanto, anfibólico, es decir, funciona tanto catabólica como anabólicamente.
Además, debemos destacar el por qué también se le conoce como ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos, ya que es una vía metabólica cíclica mediante la cual los 2 átomos de carbono del grupo acetilo (Acetil CoA) que procede del catabolismo de glúcidos, grasas y aminoácidos se condensa con el ácido oxalacético y comienza así una serie de transformaciones a partir del compuesto formado: ácido cítrico (que es un ácido tricarboxílico), hasta ser totalmente convertido en 2 moléculas de CO2 con la liberación de
4 pares de hidrógeno, los cuales unidos a las coenzimas especificas son oxidados hasta la formación de H2O en la cadena respiratoria, liberándose la energía necesaria para la síntesis
dónde converge la degradación final de los residuos acetilo provenientes del catabolismo de glúcidos, lípidos y proteínas, hasta dióxido de carbono y agua”.
Finalmente, es necesario puntualizar la importancia que el mismo posee para los sujetos que realizan actividad física sistemáticamente, ya que cuando las condiciones del trabajo muscular lo permiten, puesto que al inicio de cualquier trabajo muscular predominan las condiciones anaerobias, y sólo la degradación anaerobia asegura fundamentalmente la gran demanda de ATP en los primeros momentos del esfuerzo físico, a expensas de los fosfágenos y del glucógeno muscular que acumula el lactato por la vía glucolítica, permiten la formación del ATP, pero en la medida que el esfuerzo se prolonga (se hace más moderado) y no sólo se pueden oxidar los glúcidos, sino además las grasas (que aportan más del doble de la energía de los glúcidos en su oxidación completa) y en los casos extremos en que se agoten las reservas de glúcidos y grasas, pueden ser utilizados también en calidad de fuente energética los aminoácidos procedentes de las proteínas (pero esto es sólo en condiciones especiales, que posteriormente detallaremos cuando abordemos en el próximo tópico, los aspectos correspondientes a las vías de utilización de los glúcidos). Por esta razón, este sendero metabólico garantiza en gran medida la energía que demandan los esfuerzos físicos que se prolongan ( t > 40-60 seg.), en que tanto el consumo, así como las necesidades de O2 al músculo que trabaja se incrementan notablemente para poder
sostener la demanda energética que el esfuerzo requiere y por ello comienza una adaptación en los sistemas cardiovascular y respiratorio que logran una mejor incorporación de O2 a las
mitocondrias para así lograr la completa oxidación de los metabolitos que se acumularon del metabolismo anaerobio(el lactato que se transforma en piruvato), sino además los componentes de las grasas (glicerol y ácidos grasos) para con ello aportar una mayor cantidad de energía al poder convertirlos en CO2 y H2O debido a que toman parte el ciclo
de Krebs y la cadena respiratoria acoplados a la fosforilación oxidativa.
Visión general del ciclo del ácido cítrico.-Comenzamos nuestro estudio del ciclo del ácido cítrico con una visión general del mismo, en el que se analizaran posteriormente cada una de las reacciones que lo componen.
El ciclo del acido cítrico consiste en una serie ininterrumpida de reacciones que oxidan el grupo acetilo del Acetil CoA a dos moléculas de CO2, de forma que se conserva la energía libre producida, utilizándola en la síntesis de ATP.
El ciclo del acido cítrico, es la forma común del metabolismo oxidativo en la mayoría de los organismos, el mismo está catalizado por ocho enzimas que conjuntamente convierten una molécula de Acetil CoA a dos de CO2, produciendo tres NADH2, un FADH2 y un GTP (o ATP).
Esquema general del Ciclo de Krebs.
El NADH2 y el FADH2 son reoxidados por el O2 en la cadena respiratoria (o de transporte electrónico), con la síntesis correspondiente de 11 moléculas de ATP (de estas 9 se obtienen por la coenzima NAD y 2 por la coenzima FAD).
El piruvato, que es el producto final de la glucólisis en condiciones aeróbicas, es convertido a Acetil CoA por el complejo multienzimático de la piruvato deshidrogenasa (una agrupación simétrica de tres enzimas: piruvato deshidrogenasa, dihidrolipoil transacetilasa y dihidrolipoil deshidrogenasa). La subunidad de la piruvato deshidrogenasa cataliza la conversión de piruvato a CO2 y a un intermediario hidroxietil-TPP. Este último pasa
directamente a la dihidrolipoil transacetilasa, que oxida el grupo hidroxietilo a acetato y lo transfiere a1 CoA, formando Acetil CoA.
El citrato se forma por condensación del Acetil CoA y del oxalacetato, por acción de la citrato sintetasa. El citrato es deshidratado a cis-aconitato y, después, rehidratado hasta isocitrato, en una reacción estereoespecífica catalizada por la aconitasa.
El isocitrato sufre una decarboxiIación oxidativa a α -oxoglutarato por parte de la isocitrato deshidrogenasa, que produce CO2 y NADH2. El α -oxoglutarato, a su vez experimenta otra decarboxilación oxidativa por acción de laα -oxoglutarato deshidrogenasa, un complejo multienzimático similar a1 complejo multienzimático de la piruvato deshidrogenasa. Esta reacción genera 1os segundos NADH2 y CO2.
El succinil-CoA resultante es convertido a succinato, con la generación de GTP (en plantas y bacterias es el ATP), mediante un proceso de fosforilación oxidativa a nivel de sustrato, catalizado por la succinil-CoA sintetasa.
El succinato es deshidrogenado a fumarato estereospecíficamente por la succinato dehidrogenasa, en una reacción que genera FADH2.
Las dos últimas reacciones del ciclo del ácido cítrico, son catalizadas por la fumarasa y la malato deshidrogenasa, a su vez, hidratan el fumarato a S-malato y oxidan este ácido (hidroxiácido, ya que pasa el grupo alcohol a su correspondiente cetona), formándose el oxalacetato, con la correspondiente producción del tercer y último NADH2 de esta vía cíclica.
Las enzimas del ciclo del ácido cítrico actúan como una unidad funcional que satisface la demanda metabólica de la célula. Las enzimas que controlan la velocidad de este proceso al parecer son la citrato sintetasa, la isocitrato dehidrogenasa y la α -oxoglutarato dehidrogenasa. Debiendo destacarse que sus actividades están controladas por la disponibilidad de sustrato, la inhibición por producto, la inhibición por intermediarios del ciclo y la activación por Ca2+.
Varias vías anabólicas usan 1os intermediarios del ciclo del acido cítrico como materiales de partida. Estas sustancias esenciales se reponen mediante reacciones anapleróticas, entre las cuales la más importante es la síntesis de oxalacetato a partir de piruvato y CO2, por
acción de la piruvato carboxilasa.
Puntos de contacto entre el ciclo de Krebs, la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa.-Se debe señalar que este sendero metabólico cíclico consta de 10 etapas (4 de las cuales son de deshidrogenación a través de la cadena respiratoria: 3 mediante el sistema NAD/ NADH2 y 1 por el sistema FAD/ FADH2, además existe un paso de fosforilación oxidativa a nivel de sustrato: Succinil CoA a Succinato, de manera que en estos 5 pasos se manifiesta una liberación de energía equivalente a la síntesis de 12 moléculas de ATP). Por otra parte, existen 2 pasos en que ocurren decarboxilaciones (pérdida de CO2).
Formación del Ácido Cítrico:
Acetil CoA + Ácido Oxalacético Ácido Cítrico. Conversión del ácido cítrico en isocítrico:
Ácido Cítrico Ácido isocítrico Formación del ácido α -ceto glutárico:
NAD NADH + H +
Ácido Isocítrico Ácido α-cetoglutárico + CO2
Formación del Succinil CoA:
NAD NADH + H +
Ácido α-cetoglutárico Succinil CoA + CO2
Formación de Ácido Succínico:
(En este paso ocurre una Fosforilación a nivel de sustrato). GDP GTP
Succinil CoA Ácido Succínico + CoA Formación del ácido Fumárico:
FAD FADH2
Ácido Succínico Ácido Fumárico Formación del Ácido Málico:
Ácido Fumárico + H2O Ácido Málico
Regeneración del Oxalacético:
NAD NADH + H+
Ácido Málico Ácido Oxalacético
En este sentido, es necesario aprovechar la ocasión para integrar el “acoplamiento del Ciclo de Krebs a la Cadena Respiratoria y la Fosforilación Oxidativa”
Balance energético global de este proceso.-En este aspecto es importante insistir en que por cada vuelta que da una molécula de Acetil CoA en este sendero metabólico cíclico se obtienen 2 moléculas de CO2 y 4 moléculas de H2O, así como un saldo energético
equivalente a 12 moléculas de ATP, o sea:
CH3CO ∼Co A + 2 O2 2 CO2 + 4 H2O + 12 ATP
Por la inclusión del Acetil CoA al Ciclo de Krebs:
Se producen 4 Deshidrogenaciones:
3 NADH2: C.R: (3 ATP) = 9 ATP
1 FADH2: C.R. (2 ATP) = 2 ATP
1 P.O. “A Nivel del sustrato”:
Succinil CoA Succinato + 1 GTP = 1 ATP Saldo energético global es: 12 ATP
Una vez analizadas las particularidades generales de los procesos oxidativos en el organismo, pasaremos a detallar los aspectos más sobresalientes del metabolismo de cada uno de los nutrientes.
Consideraciones acerca del metabolismo de los glúcidos.-Consideramos que resulta necesario puntualizar que del total de alimentos incorporados en la dieta diaria, casi el 55- 60 % de estos corresponden a los glúcidos (siendo el mayor porciento de los mismos los polisacáridos, específicamente el almidón: procedente de los cereales, las verduras, las legumbres, así como las viandas y los tubérculos, en fin los vegetales). Es de destacar, como señalamos anteriormente, el resto de los polisacáridos presentes en los productos vegetales (fundamentalmente la celulosa), no presentan valor nutricional para nosotros debido a que no lo podemos digerir porque en nuestro sistema digestivo no se segregan enzimas capaces de degradarla. En lo que respecta a los oligosacáridos, los de mayor importancia son la sacarosa y la lactosa, es te último es el primer glúcido que se incorpora a través de la leche materna en los mamíferos, mientras que la sacarosa es el azúcar común (que se utiliza para endulzar los alimentos en la dieta). Finalmente, con relación a los monosacáridos no representan o poseen un valor nutritivo considerable, debido a que sólo aparecen en cantidades muy pequeñas (prácticamente insignificantes debido a que se incorporan con las frutas fundamentalmente).
Consideraciones generales acerca de los procesos de digestión de los nutrientes.-Ante todo debemos puntualizar en la esencia del termino digestión, que a grandes rasgos se puede resumir que consiste en “un complejo proceso de transformaciones químicas que experimentan los alimentos (nutrientes) y los convierte en sustancias más sencillas” que puedan ser asimiladas por el organismo ,es decir, que sean capaces de atravesar la mucosa intestinal e incorporarse a los fluidos corporales mediante la sangre fundamentalmente, o la linfa, para poder ser utilizadas posteriormente por el organismo.
En este sentido se debe detallar el concepto planteado acerca de la asimilación según plantea A.C. Guyton, que consta de tres etapas o procesos posteriores a la digestión:
1ra. Absorción de los productos de la digestión por los fluidos corporales.
2da.-Transporte de dichos productos a las células que los utilizarán en el organismo.
3ra.-Transformaciones químicas de algunos de estos productos en otras sustancias específicas requeridas para determinadas funciones celulares.
Antes de proceder al análisis del complejo proceso de digestión absorción de cada uno de los nutrientes debe señalarse que esto solo se puede llevar a cabo gracias a la acción conjunta de las enzimas correspondientes a cada uno de los nutrientes, así como a los jugos segregados por las glándulas del sistema digestivo, teniendo además que destacarse cual es el principio de acción de las enzimas digestivas en el tracto gastrointestinal: “la ruptura hidrolítica” (con incorporación de moléculas de agua) en cada uno de los respectivos enlaces : glicosídicos, ésteres o peptídicos, en cada caso:
Enzimas digestivas
R-R” + H2O R-OH + R”- H
Polímero Monómeros
De modo tal que cada molécula polímera de cada nutriente (polisacáridos, glicéridos o polipéptidos) sean llevados hasta sus respectivas unidades monoméricas: monosacáridos, glicerol (o β monoglicéridos) + ácidos grasos y aminoácidos.
Esas enzimas digestivas son proteínas específicas segregadas por las glándulas anexas (o las del propio tubo digestivo) y que son vertidas a los jugos gastrointestinales.
Digestión de los glúcidos.-La digestión del almidón es la principal fuente de glúcidos en la dieta humana, esta se inicia en la boca. La saliva contiene α -amilasa que hidroliza al azar todos los enlaces α (1 →4) glucosídicos del almidón, excepto los más externos y los próximos a las ramificaciones. Cuando los alimentos completamente masticados llegan al estómago, donde la acidez (pH ~1-2) inactiva a la α-amilasa, la longitud media de la cadena del almidón se ha reducido de varios millares a menos de ocho unidades de glucosa. La digestión del almidón continúa en el intestino delgado, bajo la influencia de la α-amilasa
pancreática, que es semejante al enzima salivar. Este enzima degrada el almidón a una mezcla del disacárido maltosa, el trisacárido maltotriosa, que contiene tres restos de glucosa con uniones α (1→ 4), y oligosacáridos conocidos como dextrinas, que contienen las ramificaciones α (1→ 6). Estos oligosacáridos son hidrolizados para rendir sus componentes monosacáridos por enzimas específicos contenidos en las microvellosidades de las membranas de la mucosa intestinal: una α-glucosidasa, que separa un resto de glucosa cada vez de los oligosacáridos, otra es la α-dextrinasa (enzima desramificador) que hidroliza los enlaces α (1 → 6) y α (1 → 4), una sacarasa y, al menos en los niños, otra enzima, la lactasa. Los monosacáridos resultantes son absorbidos por el intestino y transportados a la corriente sanguínea.
Para resumir el proceso digestivo de estas sustancias, resulta necesario tener en cuenta los siguientes aspectos:
-¿Cómo se incorporan fundamentalmente en los alimentos?
-Lugar donde comienza la acción enzimática sobre estos y en que los transforma, o sea, que la ptialina o α amilasa salivar, comienza a actuar en la boca y continúa hasta el estómago.
-¿Qué sucede en el estómago con la ptialina?
-¿Cómo actúa la α amilasa pancreática y las disacaridasas específicas en el intestino delgado?
-¿Cómo son absorbidos los monosacáridos (fundamentalmente el mayoritario, que es la glucosa)?
Absorción de los glúcidos.-En lo referente a este aspecto es importante señalar la forma en que estos pueden ser asimilados por el organismo, para lo cual resulta necesario comprender:
-¿Cómo son absorbidos los monosacáridos (fundamentalmente el mayoritario, que es la glucosa)?
En este sentido, es necesario puntualizar que para que este proceso ocurra ellos deben ser