Importancia del pH y sus Mecanismos de Regulación

El pH es un factor crítico que influye en numerosos procesos biológicos. Su regulación es esencial para el correcto funcionamiento del organismo.

Interés Fisiológico del pH

El pH afecta directamente a:

• Actividad enzimática: Las enzimas, catalizadores biológicos, operan óptimamente dentro de rangos de pH específicos.
• Almacenamiento de energía: Variaciones locales de pH, como en la membrana citoplasmática, se utilizan para almacenar energía química en forma de ATP.
• Intercambio de gases: El intercambio de O₂ y CO₂ en pulmones y tejidos es modulado por ligeros cambios en el pH intracelular de los eritrocitos.

Mecanismos de Compensación del pH Sanguíneo

El organismo dispone de sistemas para mantener el pH sanguíneo en un rango estrecho y constante:

• Disoluciones tampón (amortiguadoras): Sistemas que liberan protones (H⁺) cuando hay deficiencia y los captan cuando hay exceso, manteniendo la concentración de protones y, por ende, el pH.

Tampones Fisiológicos y su Acción

1. Tampón bicarbonato / CO₂: Actúa principalmente en la sangre. Mantiene el equilibrio entre iones bicarbonato (HCO₃^–) y ácido carbónico (H₂CO₃), que se disocia en agua y dióxido de carbono (H₂O + CO₂). La ventilación pulmonar regula la concentración de CO₂ y, por tanto, la de ácido carbónico, manteniendo el pH en 7.4.
2. Tampón fosfato: Actúa a nivel tisular. Se encuentra como sales inorgánicas libres o asociado a moléculas orgánicas (azúcares, lípidos, ácidos nucleicos).
3. Tampón de proteínas: Actúa en la sangre (células plasmáticas) y a nivel intracelular. Las proteínas son anfóteras (actúan como ácido y base), lo que las convierte en buenos amortiguadores.
4. Tampón hemoglobina: Actúa en la sangre. Regula el pH y transporta oxígeno. La hemoglobina varía su capacidad amortiguadora según esté unida al O₂ (oxidada) o lo libere (reducida).

Mecanismos Fisiológicos de Regulación del pH

1. Amortiguadores fisiológicos: Acción inmediata.
2. Ventilación pulmonar: Actúa en minutos.
   • pH bajo (acidosis): Se aumenta la ventilación (hiperventilación) para reducir el CO₂ y aumentar el pH.
   • pH alto (alcalosis): Se disminuye la ventilación (hipoventilación) para aumentar el CO₂ y disminuir el pH.
3. Filtración renal: Actúa en horas.
   • pH bajo (acidosis): El riñón aumenta la excreción de H⁺ en la orina (acidificación de la orina) y reabsorbe bicarbonato (HCO₃^–) en sangre, aumentando el pH sanguíneo.
   • pH alto (alcalosis): El riñón retiene H⁺ en sangre y aumenta la excreción de HCO₃^– en la orina (alcalinización de la orina), disminuyendo el pH sanguíneo.

Alteraciones del Equilibrio Ácido-Base: Acidosis y Alcalosis

Acidosis

Disminución del pH sanguíneo debido a un exceso de ácidos en tejidos y sangre.

• Respiratoria: Aumento de la presión parcial de CO₂ (PpCO₂) en sangre por incapacidad pulmonar para eliminarlo (bronquitis crónica, enfisema).
• Metabólica: Presencia de ácidos grasos en sangre por falta de reserva de glucosa en el hígado. Se genera energía a partir de ácidos grasos, produciendo cuerpos cetónicos como desecho (diabetes mellitus, diarreas, hipertermia).
  • Compensaciones:
    • Fisiológicas: Hiperventilación. Si persiste, el riñón elimina H⁺ (acidificando la orina) y retiene HCO₃^–.
    • No fisiológicas: Administración de glucosa e insulina.

Alcalosis

Aumento del pH sanguíneo por exceso de base (álcali) en los líquidos corporales.

• Respiratoria: Disminución de la PpCO₂ en sangre (ventilación artificial, ansiedad).
• Metabólica: Pérdida de cloruro de hidrógeno por vómitos, ingesta de sustancias alcalinas, etc. Común en entornos clínicos. Puede causar tetania por disminución de calcio en suero.
  • Compensaciones:
    • Fisiológicas: Hipoventilación, alcalinización de la orina.
    • No fisiológicas: Administración de cloruro sódico o cloruro potásico, control del respirador.

Funciones Biológicas de Azúcares y Lípidos

Azúcares

• Función energética: Principal fuente de energía celular.
  • Uso inmediato: Ingeridos en la dieta, pasan a la sangre y son captados por las células para formar ATP.
  • Reserva: Glucosa almacenada como glucógeno en músculo e hígado.
• Fuente de carbono: Proporcionan carbono para la síntesis de biomoléculas.
• Estructural: Forman parte de estructuras celulares.
• Necesarios, no esenciales: No se pueden eliminar de la dieta por su importancia energética.

Lípidos

• Reserva energética: Almacenados en tejido adiposo, fuente de energía no inmediata.
• Estructural: Componentes de la membrana plasmática.
• Reguladora/Moduladora:
  • Vitaminas liposolubles.
  • Hormonas esteroideas.
  • Ácidos grasos esenciales.
• Protectora:
  • Ceras en piel, pelo, etc.
  • Tejido adiposo: protege órganos.
• Transporte: Lipoproteínas plasmáticas transportan lípidos (como el colesterol) en la sangre.

Lipoproteínas: Estructura, Función y Patologías

Las lipoproteínas son asociaciones de lípidos y proteínas. Las lipoproteínas plasmáticas, localizadas en el plasma, son micelas de fosfolípidos con proteínas intercaladas, con interior hidrófobo y exterior hidrófilo, para transportar triglicéridos y colesterol.

• Quilomicrones (QM): Almacenan y transportan triglicéridos del hígado a los tejidos.
• Lipoproteínas de baja densidad (LDL): Transportan colesterol del hígado a los tejidos. «Colesterol malo».
• Lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL): Transportan colesterol y triglicéridos del hígado a los tejidos.
• Lipoproteínas de alta densidad (HDL): Retiran el exceso de colesterol de tejidos y sangre, devolviéndolo al hígado. «Colesterol bueno».

Enfermedad relacionada: Hiperlipidemia (lipidemia): elevada concentración de lípidos en sangre.

Enzimas: Definición, Mecanismo de Acción y Tipos

Las enzimas son moléculas, generalmente proteicas, que catalizan específicamente las reacciones químicas en los seres vivos. Son esenciales para la vida, ya que aceleran las reacciones metabólicas.

Mecanismo de Acción

• Energéticamente: Disminuyen la energía de activación.
• Molecularmente:
  • Unen los reactantes (sustratos) al centro activo, orientándolos para favorecer la reacción.
  • Debilitan enlaces al formar nuevos enlaces en el complejo enzima-sustrato.
  • Modifican las propiedades químicas del sustrato.

Cinética Enzimática: Ecuación de Michaelis-Menten

La ecuación de Michaelis-Menten describe matemáticamente la cinética enzimática, que estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas.

La constante K_m es un parámetro específico que mide la afinidad de la enzima (E) por el sustrato (S). Una mayor afinidad implica una K_m menor y una mayor velocidad de reacción.

Enzimas Alostéricos

Los enzimas alostéricos no siguen la cinética de Michaelis-Menten. Presentan curvas de saturación sigmoideas y tienen función reguladora en las rutas metabólicas.

Características

• Son oligoméricos (varias subunidades, cada una con su centro activo).
• Presentan dos conformaciones:
  • Forma tensa (T): Sin afinidad por el sustrato.
  • Forma relajada (R): Con afinidad por el sustrato.
• Mantienen la simetría (ambas subunidades en la misma conformación).
• La conformación de una subunidad favorece el cambio de conformación de la otra.
• Interacciones:
  • Homotrópica: El sustrato desplaza el equilibrio.
  • Heterotrópica: Un ligando/efector desplaza el equilibrio.
    • Ligando activador: Aumenta la afinidad E-S (T → R).
    • Ligando inhibidor: Disminuye la afinidad E-S (R → T).

Proenzimas (Zimógenos) e Isoenzimas

Proenzimas o Zimógenos

Moléculas precursoras de enzimas sin actividad catalítica. Se activan por hidrólisis, liberando parte de la molécula y reorganizándose para adquirir la conformación activa.

Ejemplos: Tripsinógeno (→ tripsina), pepsinógeno (→ pepsina), proteínas del Sistema del Complemento.

Isoenzimas

Enzimas con distinta estructura química pero la misma función (catalizan la misma reacción). Las diferencias estructurales las hacen más adecuadas para diferentes compartimentos, tejidos o etapas de la vida.

Ejemplos: Lactato deshidrogenasa (5 isoenzimas), Creatina quinasa (CPK2, MM, BB), Hexoquinasa (4 isoenzimas), Malato deshidrogenasa (mitocondrial y citosólica).

Mecanismos de Regulación de la Actividad Enzimática

• Regulación por efectores.
• Modificación covalente del enzima.
• Activación de zimógenos.
• Isoenzimas.
• Complejos multienzimáticos.

Modificación Covalente de Enzimas

La actividad enzimática se modifica (activa o inhibe) por la unión covalente de un grupo químico a la cadena lateral de un aminoácido del enzima. Requiere la acción de un segundo enzima regulado hormonalmente. Es reversible.

El tipo más común es la fosforilación-desfosforilación. Otros tipos: acetilación, interacción con ARN, asociación a proteínas, ácidos grasos de cadena larga, activación de zimógenos.

Complejos Multienzimáticos

Asociación de enzimas y coenzimas que actúan de forma coordinada y sucesiva, aumentando la eficacia catalítica. Ejemplo: Piruvato deshidrogenasa.

Proteína G: Estructura, Activación y Función

Las hormonas peptídicas suelen tener receptores acoplados a la proteína G. En reposo, la proteína G está inactiva, formada por tres subunidades (alfa, beta, gamma) y unida a GDP. Al activarse, se desplazan las subunidades beta y gamma, y la subunidad alfa se une a GTP (alfa-GTP: proteína G activa).

La proteína G activa enzimas alostéricas de membrana, generando segundos mensajeros en el citosol.

Segundos Mensajeros: Definición, Tipos y Función

Moléculas que se originan a nivel intracelular en respuesta a una señal extracelular. Responsables de los cambios celulares.

• Nucleótidos cíclicos: AMPc (activa la proteína quinasa A), GMPc (visión).
• Derivados de la fosfolipasa C: Inositol-trifosfato (IP₃) (aumenta el calcio intracelular), 1,2-diacilglicerol (DAG) (activa la proteína quinasa C).
• Iones Ca²⁺: Apertura de canales de calcio o acción indirecta sobre depósitos de calcio. Acción directa o mediante calmodulina.

Mecanismo de Acción de la Fosfolipasa C

La fosfolipasa C se activa por la proteína G, actuando sobre fosfolípidos de membrana (fosfatidil inositol bifosfato, PIP₂), generando diacilglicerol (activa la proteína quinasa C) e inositol trifosfato (IP₃) (aumenta la concentración de Ca²⁺ intracelular).

Vitaminas: Definición, Clasificación e Importancia de la Vitamina B9

Moléculas orgánicas esenciales, de composición variada, imprescindibles en los procesos metabólicos. No aportan energía, pero ayudan a obtenerla. Deben estar en la alimentación diaria para evitar deficiencias.

• Liposolubles: Se disuelven en grasas. Vitaminas A, D, E, K.
• Hidrosolubles: Se disuelven en agua. Vitamina C y complejo B (B1, B2, B3, B5, B6, B7/B8, B9, B12). Coenzimas o precursores de coenzimas.

Vitamina B9 (Ácido Fólico): Metabolismo de ADN y ARN, división celular (importante en el embarazo), formación de hemoglobina. Deficiencia: debilidad, fatiga, irritabilidad, anemia, malformaciones fetales (espina bífida).

Metabolismo: Definición, Tipos, Rutas y Regulación

Conjunto de intercambios y transformaciones de materia y energía en el ser vivo.

• Catabolismo: Degradación de moléculas, liberación de energía.
• Anabolismo: Biosíntesis de sustancias, gasto de energía.

Ambos procesos ocurren conjuntamente en equilibrio dinámico.

Rutas metabólicas: Secuencia de reacciones químicas consecutivas que relacionan dos metabolitos importantes.

Regulación del Metabolismo

• Múltiples reacciones discretas (enzimas específicos).
• Regulación de la actividad enzimática (enzimas reguladoras al comienzo de las rutas).
• Mecanismos de regulación:
  • No covalente: Regulación intrínseca (necesidades de la célula).
    • Regulación alostérica.
    • Inhibición competitiva.
  • Covalente: Regulación extrínseca (hormonal, necesidades del tejido).
  • Enzimas adaptativas: Regulación a largo plazo (organismos superiores).
  • Compartimentación celular: Diferente regulación y destino según el compartimento.

Compuestos Ricos en Energía

Moléculas con potencial de transferencia energética igual o inferior a -7 kcal/mol. Liberan energía por rotura de un enlace rico en energía.

• Transferencia de grupos fosfato (ATP, GTP, CTP, UTP, etc.).
• Transferencia de grupos acilo (derivados de CoA, acetilcolina).
• Transferencia de grupos metilo (S-adenosil-metionina).

NADH y FADH₂: No son compuestos ricos en energía, pero tienen potencial energético (energía de oxidorreducción).

Glucólisis: Características y Regulación

La glucólisis ocurre en el citoplasma de todas las células. Transforma glucosa en piruvato, generando ATP (2 moléculas netas) y NADH (2 moléculas). Es la única ruta que genera ATP en ausencia de oxígeno.

Balance de la Glucólisis

• Entrada: Glucosa + 2 ATP + 4 ADP + 2 Pi + 2 NAD⁺
• Salida: 2 Piruvatos + 2 ADP + 4 ATP + 2 NADH + 2 H₂O

Regulación de la Glucólisis

• Hexoquinasa: Inhibida por glucosa-6-fosfato (excepto en hígado). Glucoquinasa (hígado) actúa con altos niveles de glucosa.
• Fosfofructoquinasa-1: Enzima limitante. Inhibida por ATP, pH ácido, citrato. Activada por AMP, fructosa-2,6-bifosfato.
• Piruvato quinasa: Inhibida por ATP, CoA. Controlada hormonalmente por glucagón (inhibe en hepatocito).

Destinos del Piruvato

• Condiciones aerobias (mitocondria): Fermentación oxidativa (→ Acetil-CoA y oxalacetato).
• Condiciones anaerobias (citosol):
  • Fermentación láctica (músculo).
  • Fermentación alcohólica (levaduras).

Sistema Lanzadera: Transporte de NADH del Citosol a la Mitocondria

Estrategia para transportar sustancias a través de membranas impermeables. El NADH citosólico se transporta a la mitocondria para obtener energía mediante fosforilación oxidativa.

• Lanzadera de glicerol-3-P: Irreversible. Neurona y músculo.
• Lanzadera de malato-oxalacetato: Reversible. Resto de tejidos. Más rentable energéticamente.

Ciclo de las Pentosas Fosfato

Ruta secundaria de degradación de glucosa. No genera ATP. Funciones:

• Obtener pentosas fosfato (ribosa 5-fosfato).
• Obtener NADPH.
• Degradar monosacáridos distintos de 6 carbonos.

Importante en tejidos con alta tasa biosintética (hígado, tejido adiposo, corteza suprarrenal, glándulas mamarias, testículos).

Ruta del Ácido Glucurónico

Síntesis de UDP-glucurónico, necesario para:

• Síntesis de heteropolisacáridos (heparina, ácido hialurónico).
• Conjugación con moléculas difíciles de metabolizar (bilirrubina, hormonas esteroideas, fármacos).

Ciclo de Krebs

Ocurre en la mitocondria de todas las células (excepto eritrocitos). Oxidación terminal de metabolitos (principalmente Acetil-CoA) a CO₂ y agua. Genera energía (1 GTP, 1 FADH₂, 3 NADH).

Ruta anfibólica (catabólica y anabólica) y anaplerótica (reacciones que reponen intermediarios del ciclo).

Radicales Libres

Átomo o molécula con uno o más electrones desapareados. Altamente reactivos y oxidativos.

• Derivados del oxígeno: Los más abundantes (H₂O₂, O₂^–, HO^·, etc.).
• Derivados del nitrógeno: NO, NO₂.
• Derivados del carbono: CH₃^·.

Repercusiones: Alteraciones cardiovasculares, daño a membranas, envejecimiento celular, malignización, muerte celular.

Antioxidantes

Moléculas que neutralizan radicales libres. Ejemplos: Superóxido dismutasa, catalasa, vitamina E, vitamina A, vitamina C, glutatión, bilirrubina, albúmina.

Gluconeogénesis

Síntesis de glucosa a partir de sustratos no glucídicos (piruvato, lactato, glicerol, aminoácidos). Fundamental para tejidos que solo usan glucosa como fuente de energía. Principalmente en hígado, también en riñón.

Balance de la Gluconeogénesis

• Entradas: 2 Piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
• Salidas: Glucosa + 4 ADP + 2 GDP + 2 NAD+ + 2 Pi

Regulación

• Isoenzimas.
• Regulación hormonal (insulina, glucagón, glucocorticoides).
• Regulación alostérica.

Ciclo de Cori

Relación entre gluconeogénesis en hígado y glucólisis en tejidos periféricos (músculo). El lactato producido en el músculo se transporta al hígado para convertirse en glucosa, que regresa al músculo.

Fuentes Energéticas Durante el Ejercicio

• Ciclo de Cori: Glucólisis en músculo (piruvato → lactato), lactato a hígado, gluconeogénesis (lactato → glucosa), glucosa a músculo.
• Gluconeogénesis: Obtención de glucosa a partir de compuestos no glucídicos.

Regulación Hormonal de la Lipólisis y la Lipogénesis

• Lipólisis: Movilización de depósitos grasos. Regulada por hormona del crecimiento, glucagón, adrenalina, ACTH. Bajas concentraciones de glucosa.
• Lipogénesis: Regulada por insulina. Altas concentraciones de glucosa.

Función de la Carnitina en el Catabolismo de Ácidos Grasos

Transporte de acil-CoA a la mitocondria para la β-oxidación.

β-Oxidación: Vueltas y Productos para un Ácido Graso de 18 Carbonos

Número de vueltas = (Número de carbonos / 2) – 1. Para un ácido graso de 18 carbonos: 8 vueltas.

Formación de Cuerpos Cetónicos

Acetoacetato, acetona, β-hidroxibutirato. Se sintetizan en el hígado con altas concentraciones de Acetil-CoA y falta de glucosa (ayuno, diabetes, dietas, fiebre). Combustible para tejidos periféricos. Acumulación: acidosis metabólica (cetoacidosis).

Biosíntesis de Ácidos Grasos: Comparación con la β-Oxidación

| Característica | Biosíntesis de Ácidos Grasos | β-Oxidación | | ———————– | —————————– | —————————- | | Localización | Citoplasma | Mitocondria (principalmente) | | Coenzimas | NADPH | NAD⁺, FAD | | Transporte de Acetil-CoA | Lanzadera del citrato | Acilcarnitina | | Enzimas | Complejo multienzimático | 4 enzimas | | Productos | Ácidos grasos | Acetil-CoA, energía, agua |

Catabolismo del Grupo Amino de los Aminoácidos

• Transaminación: Transferencia del grupo amino a un cetoácido (α-cetoglutarato, oxalacetato, piruvato). Citosol de todos los tejidos. Catalizada por transaminasas (GOT, GPT).
• Desaminación oxidativa: Separación del grupo amino del glutamato. Mitocondria (hígado).
• Transdesaminación: Eliminación del grupo amino en forma de amoniaco. Hígado.

Ciclo de la Urea

Eliminación de amoniaco en forma de urea (no tóxica). Hígado (mitocondria y citosol). Regulado a largo plazo (enzimas adaptativas) y corto plazo (regulación alostérica).

Catabolismo de Aminoácidos en Tejidos Periféricos: Papel de la Glutamina

La glutamina transporta el amoniaco (tóxico) desde los tejidos periféricos al hígado para su detoxificación (ciclo de la urea).

Combustibles Preferentes del Cerebro

Glucosa (principalmente). Cuerpos cetónicos (ayuno prolongado). No utiliza ácidos grasos.

Fuentes de Energía del Músculo Esquelético

Glucosa, ácidos grasos, cuerpos cetónicos. Almacena glucógeno. En reposo: ácidos grasos y cuerpos cetónicos.

Definiciones

• Complejo multienzimático: Asociación de enzimas y coenzimas que actúan de forma coordinada. Ejemplo: Piruvato deshidrogenasa.
• Isoenzima: Enzimas con diferente estructura pero misma función. Ejemplo: Lactato deshidrogenasa.
• Zimógeno: Precursor inactivo de una enzima. Ejemplo: Tripsinógeno.
• ATP: Nucleótido con función de intercambio energético.
• NADH: Coenzima con potencial energético (oxidoreducción).
• CoA: Análogo de nucleótido, importante en el metabolismo de lípidos.
• AMPc: Segundo mensajero, activa cascadas de enzimas.
• Inmunoglobulina A (IgA): Anticuerpo esencial en las mucosas.
• Ácido Linoleico: Ácido graso esencial, omega-6.
• Ácido Linolénico: Ácido graso esencial, omega-3.
• Colesterol: Alcohol voluminoso, función protectora (en forma de ésteres).
• HDL: Lipoproteína de alta densidad, «colesterol bueno».
• LDL: Lipoproteína de baja densidad, «colesterol malo».
• Ácido Fosfatídico: Precursor de fosfolípidos, componente de membranas celulares.
• Prostaglandinas: Moléculas reguladoras, median la inflamación.
• Mielina: Envuelve los axones, función protectora.
• Heparina: Anticoagulante natural.
• Sulfato de Condroitina: Componente de la matriz extracelular del cartílago.
• Cerebrósido: Glucoesfingolípido, componente de membranas celulares (músculo y neuronas).
• Insulina: Hormona reguladora de la glucosa.
• Proteasa: Enzima que degrada proteínas.
• Ferritina: Proteína de reserva de hierro y aminoácidos.
• Actina y Miosina: Proteínas involucradas en la contracción muscular.
• ARNm: Ácido ribonucleico mensajero, lleva información genética.
• ARNt: Ácido ribonucleico de transferencia, transporta aminoácidos.
• ARNhn: Ácido ribonucleico heterogéneo nuclear, precursor del ARNm.
• ARNsn: Ácido ribonucleico pequeño nuclear, procesamiento del ARN.
• Amilasa: Enzima que degrada almidón.
• α-Amilasa: Forma específica de amilasa, en saliva y páncreas.
• Vitamina A/Retinol: Liposoluble, esencial para la visión y el desarrollo.
• Vitamina D: Liposoluble, reguladora del calcio y el metabolismo óseo.
• Vitamina E: Liposoluble, antioxidante.
• Vitamina B3: Hidrosoluble, da origen a NAD⁺ y NADP⁺.
• Fructosa: Monosacárido, cetohexosa.
• Sacarosa: Disacárido (glucosa + fructosa).
• Almidón: Polisacárido de reserva (glucosa).
• Celulosa: Polisacárido estructural (glucosa), «fibra».
• Ácido Glucurónico: Azúcar ácido, transporte de moléculas voluminosas.
• Ácido Hialurónico: Polisacárido no sulfatado, protector de articulaciones.