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FUNCIONES Y METABOLISMO DE LOS NUTRIENTES
CHO`S
PTS
LIPIDOS
• La diferencia entre la ingesta de nutrientes y su utilización es lo que se denomina balance de nutrientes. Todos estos componentes químicos del organismo no se encuentran en un estado estático sino que son continuamente degradados, mediante reacciones catabólicas, y sintetizados de nuevo (turnover).
• Se agrupan en conjuntos denominados pools tanto a nivel molecular como celular, tisular y del organismo en su conjunto.
• Los procesos metabólicos implicados en la ruptura y oxidación de los macronutrientes, con liberación de energía se denominan vías catabólicas.
• Los procesos metabólicos relacionados con la síntesis de macromoléculas se denominan vías anabólicas.
Funciones de los Nutrientes
Metabolismo• Transformaciones químicas que sufren los
nutrientes en los tejidos, una vez superados los procesos de digestión y absorción correspondientes.
• Incluye reacciones de tipo:– Catabolismo– Anabolismo
Los Nutrientes como Combustibles Metabólicos
• Puede definirse como un compuesto circulante que es tomado por los tejidos para la producción de energía
• Existen 2 tipos de combustible para el organismo:
ExógenosEndógenos
Derivados de la Ingesta de Alimentos
Derivados directamente de los almacenes tisulares o de la oxidación
incompleta de otros combustibles
• Las fuentes de combustible contenidas en los alimentos son: – los Macronutrientes (Proteínas, Hidratos de Carbono, Grasas)
• La diferencia entre la ingesta de nutrientes y su utilización– Balance de Nutrientes
• Todos estos componentes químicos del organismo no se encuentran en un estado estático sino que son continuamente degradados, mediante reacciones catabólicas y sintetizados de nuevo:– Turnover
• Los Nutrientes y los metabolitos se agrupan en conjuntos: – pools
• La combustión de estos Macronutrientes nos da la formación de CO2 así como la oxidación nos da la formación de agua y urea
Los Nutrientes como Sillares Estructurales
• Los alimentos no sólo suministran energía utilizable por el organismo, sino que
representan la fuente principal de sustancias de naturaleza estructural y proveen de
biocatalizadores preformados, necesarios para numerosas reacciones tanto de degradación
de los nutrientes ingeridos como de biosíntesis de otras sustancias
Fuente fundamental de los aminoácidos para la construcción de las proteínas corporales propias
No solo proveen de energía sino que son la fuente de otros compuestos estructurales como los ácidos grasos esenciales y el colesterol, fundamentales para la estructura de las membranas celulares
No sólo se aprovechan con fines energéticos, sino que se aprovecha para la formación de numerosas estructuras en las que están implicadas glicoproteínas y glicolípidos
Elementos Minerales: Ca, P, Mg: Fuente principal de nutrientes estructurales de naturaleza inorgánica implicados en el desarrollo y mantenimiento del tejido óseo, así como en la regulación de numerosas reacciones celulares en todos los tejidos
Los Electrólitos: Na, K y Cl, involucrados en el mantenimiento de la presión osmótica celular y necesarios en el organismo para el funcionamiento de todos los tejidos se obtienen de los alimentos
Oligoelementos: Fe, Zn, Cu, Mn…desempeñan una función eminentemente estructural para muchas proteínas del ser humano, implicados en la regulación de numerosas reacciones biológicas
Nutrientes
Esenciales
No Esenciales
Semiesenciales
Nutrientes Esenciales
• Las vías anabólicas del organismo humano no posibilitan la síntesis de toda la amplia gama de compuestos necesarios para el metabolismo celular normal, siendo preciso que una parte importante de ellos sea aportada por la Dieta
• Nutrientes No Esenciales: aquellos para los que el organismo posee la correspondiente vía biosintética
• El hecho de que el organismo pueda sintetizar los nutrientes no esenciales no excluye la recomendación de que sean aportados por la dieta
• Compuestos Semiesenciales: aquellos que pueden ser sintetizados en el organismo pero en cantidades que pueden resultar insuficientes en determinados estados de requerimientos aumentados (crecimiento, embarazo, lactancia, senectud, etc.)
Funciones Específicas de los Nutrientes
Hidratos de CarbonoLípidos
Proteínas y otros componentes nitrogenados de los alimentos
Vitaminas y Minerales
Hidratos de Carbono
• Componentes orgánicos más abundantes de la mayor parte de las frutas, verduras, legumbres y cereales, contribuyendo a la textura y sabor de estos alimentos
• Representan la fuente de energía mayoritaria para el ser humano.
• Son digeridos y absorbidos en el intestino delgado y en menor medida en el intestino grueso
• Ingesta de energía recomendada: 40-60% del total de las calorías
• La siguiente tabla muestra una lista de los combustibles metabólicos utilizados por diferentes tejidos y productos liberados
Lípidos
• Constituidos por Triglicéridos (grasas) y pequeñas cantidades de otros lípidos complejos tales como fosfolípidos, colesterol y otros
Funciones
• Servir de fuente de energía metabólica• Proveer de elementos estructurales para las membranas
celulares• Servir como fuente de agentes emulsionantes para la
propia absorción de los TAG• Lubricantes de las superficies corporales• Vehículo para el transporte de vitaminas liposolubles
(A,D,E y K)• Precursores de hormonas y de otras moléculas de
señalización celular
TriglicéridosDesempeñan una función crítica en
el metabolismo como sustancias fundamentales para el
almacenamiento de energía en el organismo
Alrededor del 85% de la energía almacenada en una
adulto varón está en forma de TAG en el tejido adiposo
La Grasa de la Dieta supone una forma concentrada de energía
Cuando el equilibrio calórico de la dieta excede los requerimientos energéticos los hidratos de carbono y
aminoácidos pueden ser transformados en ácidos grasos y esterificados con glicerol para formar triglicéridos
Valor energético: 9 kcal/gr
Proteínas
• Compuestos de naturaleza nitrogenada
• Necesaria para el mantenimiento de la proteína corporal, sino imprescindible para el incremento de la proteína corporal asociada al crecimiento
Adulto: mantiene la masa corporal proteica y la capacidad de adaptación a condiciones metabólicas y ambientales
La pérdida de proteínas corporales se asocia a numerosas patologías y a un aumento de la mortalidad
Funciones• Suponen aproximadamente el 17% de la masa corporal• Desempeñan Funciones estructurales (colágenos)• Facilitan la movilidad (actina y miosina en la contracción
muscular)• Transporte de numerosas sustancias en los fluidos corporales
(hemoglobina, transferrina, etc.)• Intervienen como biocatalizadores en numerosas reacciones
biológicas (enzimas)• Participan en la regulación del Sistema innume
(inmunoglobulinas y citokinas)• Reguladores en numerosos procesos de crecimiento, desarrollo y
diferenciación celular
• La proteína corporal se encuentra distribuida en todos los órganos
Tejido Muscular
(40%)
Además de servir para la locomoción y el esfuerzo, también son la fuente de
aminoácidos en situaciones de estrés
No es un depósito como el glucógeno o la grasa, ya que su
pérdida representa una pérdida de proteína funcional
La proteína contenida en los tejidos viscerales, como el hígado e intestino,
representa apro., 10% del total corporal y no se moviliza en situaciones de estrés
30% proteína contenida en la sangre y en la
piel
Colágeno
Vitaminasy
MINERALES
Micronutrientes:
Liposolubles (A,D,E,K) Hidrosolubles (C y Complejo B).
VitaminasCompuestos orgánicos que es necesario ingerir con la
dieta en pequeñas cantidades para mantener las funciones corporales fundamentales (crecimiento, desarrollo, metabolismo e integridad celular).
No aportan energía.
Vitaminas y Minerales
• Compuestos orgánicos que es necesarios ingerir con la dieta en pequeñas cantidades para mantener las funciones corporales fundamentales (crecimiento, desarrollo, metabolismo e integridad celular)
• No son catabolizados para obtener energía y no se utilizan para propósitos estructurales: se necesitan en cantidades mucho más pequeñas que los macronutrientes
• Vitaminas Incluyen:• 8 sustancias: Complejo B (tiamina,
riboflavina, piridoxina, niacina, cobalamina, folato, biotina y ácido pantoténico)
• Vitamina C o ácido ascórbico• Vitaminas Liposolubles (A,D,E y K)
(Ca, P, MG, Na, K, Cl, S)
Microelementos
Minerales
Macroelementos
Se necesitan en cantidades diarias de más de 100 mg por el adulto.
Elementos traza Elementos ultrataza
1 y 100 mg/día
(Fe, Zn, Mn, Cu y F) Se, Mo, I, Cr, B y Co
ingesta inferior a 1mg
Equilibrio y Balance de Nutrientes
• Cuando un alimento es abundante, la energía que excede a las necesidades actuales se almacena en forma de glucógeno y triglicéridos (grasa)
• Cuando no existe disponibilidad de alimentos la energía almacenada es utilizada para satisfacer las necesidades actuales de manera que se debe cumplir la siguiente ecuación:
Depósitos de energía Corporal = Ingesta Energética – Gasto Energético
Balance de Nutrientes: el equilibrio cero indica que el aporte de energía derivada de
los nutrientes está equilibrado con su utilización y que los depósitos corporales
permanecen constantes
Balance Positivo: ocurre cuando la ingesta excede a la utilización y el almacén se expande
Balance Negativo: ocurre cuando la utilización energética es mayor que el aporte y los depósitos comienzan a vaciarse llegando incluso a la depleción completa
Recambio Metabólico de Nutrientes
• La mayoría de los sustratos metabólicos están siendo continuamente utilizados y reemplazados (recambio o turnover).
• Aunque la composición corporal permanezca constante (ingesta igual a gasto), ello no significa que las partes constituyentes permanezcan estáticas. Por el contrario, la mayoría de los sustratos metabólicos están siendo continuamente utilizados y reemplazados
Pools de nutrientes y metabolitosLos nutrientes y
metabolitos están presentes en varios pools
en el organismo. .
Para un metabolito dado existen tres pools: precursor, funcional y de
almacenamiento.
Los nutrientes esenciales y los
minerales y oligoelementos no
disponen de un pool precursor, ya que necesariamente
deben ser ingeridos con la dieta.
No todos los nutrientes disponen
de estos tres tipos de pool.
El tamaño de los pools varía
sustancialmente para cada nutriente o
metabolito.
Metabolismo Energético y Metabolismo Intermediario
• Metabolismo: – transformaciones químicas que sufren los nutrientes
en los tejidos, una vez superados los procesos de digestión y absorción correspondientes
• Metabolismo Energético:– producción y utilización de energía en las vías
metabólicas• Metabolismo Intermediario: – estudio detallado de dichas vías
Metabolismo Energético. Compuestos Ricos en Energía
Una función importante de los macronutrientes es la de suministrar energía
Los tejidos no pueden utilizar directamente la energía contenida en estos
Proceso metabólico para producir una molécula única ATP: Adenosíin Trifosfato
• La obtención de ATP a partir de los nutrientes puede hacerse por dos vías diferentes:
• a) Con el concurso del oxígeno:• fosforilación oxidativa.
• b) Sin el concurso del oxígeno: – fosforilación a nivel de sustrato.
Fosforilación Oxidativa
• La fosforilación oxidativa proporciona mucha más energía y es el procedimiento preferente.
a) Cadenas de transporte electrónico. b) Formación de ATP. c) Transporte de ATP. d) Rendimiento energético.
Cadenas de Transporte Electrónico
Están constituidas por diversas moléculas que se disponen en la membrana interna mitocondrial ordenadas de acuerdo a sus
potenciales de óxido-reducción permitiendo su aprovechamiento
biológicoLa mayoría de los transportadores están incluidos en 4 agrupaciones o complejos fijos, mientras que hay 2 transportadores libres o móviles (coenzima Q y citocromo
C)
Complejo I (NADH-Coenzima Q Reductasa)
está constituido por flavoproteínas y
ferrosulfoproteínas. Constituye la entrada
principal de equivalentes de reducción, ya que las
moléculas de NADH proceden de una gran
cantidad de reacciones de óxido-reducción
Complejo II (succinato-coenzima Q reductasa):
constituido por flavoproteínas y
ferrosulfoproteínas. Constituye la entrada de la
coenzima FAD reducido procedente de la reacción,
constituye también la puerta de entrada de otras
moléculas de FADH2 procedentes de la actividad
de otras enzimas catabólicas
Coenzima Q, su constitución química le permite tener una forma oxidada con otros grupos ceto y una forma reducida con grupos hidroxilo, su
pequeña masa molecular facilita su movilidad dentro de la membrana
interna mitocondrial, permitiendo la conexión con los complejos I,II y III
Complejo III (coenzima Q-Citocromo c reductasa)
constituido por citocromos (b y c).Los citocromos son
proteínas unidas a grupos hemo. El transporte desde el
coenzima Q hasta el citocromo c ya no se realiza con átomos de hidrógeno, sino mediante cambios en el estado del ión
hierro, desde el estado férrico oxidativo hasta el estado
ferroso reducidoEl citocromo C es de pequeño
peso molecular por lo que presenta una gran movilidad en la fase de la membrana
interna
Complejo IV (citocromo c oxidasa) constituido por citocromos y por iones de cobre. El transporte de
electrones se realiza desde el citrocromo c hasta el oxígeno
molecularLa reducción del oxígeno molecular
se traduce en formación de agua
Formación de ATP• La energía de óxido-reducción originada por el transporte
electrónico se utiliza para bombear protones al exterior de la membrana interna mitocondrial.
• Los protones van acumulándose en el exterior de esta membrana, creándose un gradiente protónico.
• Existen unos canales en la membrana por los que los protones pueden volver a entrar al interior mitocondrial, siendo el resto de la membrana impermeable a ellos.
• La energía generada por la fuerza del movimiento de protones es aprovechada por un complejo enzimático (ATP sintasa) situado en estos canales para sintetizar el ATP a partir de ADP y fosfato.
Formación de ATP
Transporte de ATP
• Para que el ADP pueda entrar y el ATP pueda salir de la mitocondria, existen unas proteínas transportadoras (ATP-ADP translocasas) que permiten el intercambio de estos nucleótidos con el correspondiente gasto energético
Rendimiento Energético• El resultado neto de la oxidación del NADH sería la producción de 2,5 moléculas de ATP (aunque tradicionalmente se había estimado que era de
3). La oxidación del FADH2 procedente del succinato o de las demás reacciones que se canalizan a través del complejo II origina sólo 1,5
moléculas de ATP (antes, 2).
Fosforilación a Nivel de Sustrato
Proceso que no necesita oxígeno, se asocia
fermentación
Formación de ácido láctico a partir de
glucosa
Hay una oxido reducción interna: los
productos de la fermentación están al
mismo nivel de reducción que el nutriente del que
procedenEn la Fermentación láctica, característica del trabajo muscular, tiene un carbono al mismo nivel de
reducción que la mayoría de los carbonos de la glucosa inicial (-CHOH-), mientras que el carbono carboxílico está más oxidado y el carbono metílico
más reducido
• La producción de energía durante este proceso se lleva a cabo mediante la formación de intermediarios con enlaces ricos en energía de hidrólisis: el 1,3 bis-fosfoglicerato y el fosfoenol-piruvato. Su hidrólisis está acoplada a la síntesis de ATP
• La fermentación extrae mucho menos energía de los nutrientes que la respiración
• La glucosa produce aprox., 15 veces más ATP por fosforilación oxidativa que a nivel de sustrato
• La ventaja es que no depende del oxígeno y que es muy rápido
Almacenamiento de Energía
• El ATP es directamente utilizable para las necesidades del organismo: generación de impulsos nerviosos, trabajo muscular, transporte a través de membrana, biosíntesis de macromoléculas, etc.
• Este compuesto energético no se almacena, sino que tiene que formarse al mismo tiempo que se utiliza
• En algunos tejidos (muscular), dónde los requerimientos energéticos pueden ser muy grandes, existe la posibilidad de almacenar una sustancia que se transforma muy fácil en ATP y viceversa: creatín fosfato
Forma fosforilada de la creatina: molécula
nitrogenada que deriva de los aminoácidos arginina, glicina y
metioninaLos niveles de energía que se necesitan para
fosforilar la creatina son un poco superiores, es decir se necesita una gran cantidad de ATP
Por ello, una cierta cantidad de energía del
ATP puede almacenarse en las células mediante la
formación de creatín-fosfato
Metabolismo Intermediario
• Incluye anabolismo y Catabolismo• Vías o rutas catabólicas: series de reacciones por
las que las grandes moléculas se degradan en moléculas más sencillas, con generación directa o indirecta de energía
• Vías o rutas anabólicas: procesos de síntesis de macromoléculas a partir de dichas moléculas simples y requieren aporte energético
• 3 fases centrales de este metabolismo:
• 1ra fase: Relaciona las macromoléculas (proteínas, polisacáridos y triglicéridos) con las moléculas simples correspondientes (aminoácidos, hexosas, ácidos grasos y glicerol).
• 2da fase: Relaciona estas moléculas simples con el acetil-CoA. Los ácidos grasos se utilizan en algunos tejidos (especialmente hígado y tejido muscular) con fines energéticos. La degradación de los ácidos grasos produce NADH, FADH2 y acetil-CoA
• 3ra fase: Está constituida por el metabolismo oxidativo del acetil-CoA, es decir, el ciclo tricarboxílico (ciclo de Krebs), cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.
Ciclo Tricarboxílico
(Ciclo de Krebs)
• Constituido por 8 etapas enzimáticas en 4 fases algunas de ellas muy
complejas, que transcurren en la matriz
mitocondrial
1era Fase: Síntesis e isomerización del Citrato
• La primera reacción del ciclo de Krebs consiste en la condensación de una
molécula de Acetil-CoA con una molécula de
oxalacetato para formar citrato. Posteriormente el
citrato se isomeriza a isocitrato
2da fase: Descarboxilaciones
OxidativasSe producen sendas descarboxilaciones oxidativas conproducción de coenzimas
reducidosEn la primera fase tiene lugar la conversión del isocitrato en alfa-
cetoglutarato catalizada por la isocitrato deshidrogensasa
Se trata de una reacción en la que intervienen varios coenzimas, algunos ya
mencionados, como NAD, FAD y coenzima A.
La oxidación del α-cetoglutarato produce finalmente succinil-CoA y NADH.
3ra Fase: Fosforilación a Nivel de Sustrato
Se produce la conversión del Succinil-Coa en succinato. Al tratarse de un acil-
CoA, la hidrólisis del enlace tioéster produce energía, que se aprovecha por
fosforilación a nivel de sustrato mediante la síntesis de GT (catalizada
por la succinil tiokinasa)El GTP genera ATP mediante una
reacción de intercambio catalizada por la nucleótido difosfato kinasa
GTP + ADP = GDP + ATP
4ta Fase: Oxidación del Succinato y Regeneración del Oxalacetato
Se producen 2 reacciones de óxido-reducción que producen FADH2 y NADH, se paradas por una reacción de hidrataciónLa primera de estas reacciones transforma el succinato en fumarato con producción de FADH2 (succinato deshidrogensasa)La siguiente reacción, catalizada por la enzima fumarasa, consiste en la hidratación del fumarato para originar malato, posteriormente se oxida a oxalacetato (malato deshidrogeasa) con producción de NADHDe esta forma se regenera el oxalacetato y puede
volver a funcionar el ciclo
Rendimiento Energético del Ciclo de Krebs
• Una vuelta completa del ciclo de Krebs genera 3 moléculas de NADH, 1 de FADH2 y un GTP.
• Se producen 10 moléculas de ATP, cada molécula de NADH genera 2.5 de ATP y el FADH2 genera 1.5, mientras que el GTP equivale a 1 molécula de ATP
Regulación del Ciclo de Krebs
• Se encuentra controlado por el estado energético de la célula. Cuando la célula se encuentra en condiciones de plenitud energética, los niveles de ATP son altos mientras que los de ADP son bajos
• La escasez energética se caracteriza por altos niveles de ADP y baja cantidad de ATP
• Se puede concluir que el funcionamiento del ciclo será tanto mayor cuanto menos ATP y más ADP existan en la célula
Aspectos Anfibólicos del Ciclo de Krebs
La estructura cerrada del ciclo de Krebs que se acaba de describir no
corresponde exactamente con la realidad en nuestras
células.Algunos de sus
intermediarios pueden provenir de otros
orígenes y de igual manera estos p pueden escapar hacía otras vías
Papel de las Vitaminas y los Minerales en el Metabolismo
Compartimentación Celular
Los procesos metabólicos se localizan en diferentes
compartimientos celulares. Así, la glucólisis se desarrolla
en el citosol y el Ciclo Tricaboxílico se produce en la mitocondria mientras que el ciclo de la urea utiliza ambos
territorios