Lo esencial en Metabolismo y nutrición

Transcripción

1 CURSOS CRASH Tercera edición Lo esencial en Metabolismo y nutrición

2 Autores de las ediciones primera y segunda: Sarah Benyon Jason O Neale Roach

3 CURSOS CRASH Tercera edición Lo esencial en Metabolismo y nutrición Editor de la colección Daniel Horton-Szar BSc (Hons), MBBS (Hons), MRCGP Northgate Medical Practice Canterbury Kent, UK Asesor académico Marek Dominiczak MD, FRCPath, FRCP(Glas) Consultant Biochemist Clinical Biochemistry Service NHS Greater Glasgow and Clyde, UK Professor in the Medical Faculty, University of Glasgow, UK Gartnavel General Hospital Glasgow, UK Docent in Laboratory Medicine University of Turku Turku, Finland Ming Yeong Lim BA (Hons) MB BChir Addenbrooke s Hospital, Cambridge University, Cambridge, UK Edinburgh London New York Oxford Philadelphia St Louis Sydney Toronto 2010

4 Prefacio Metabolismo y nutrición son palabras que suelen asustar a los estudiantes de primero de medicina, ya que las vías metabólicas son complicadas y es necesario mucho esfuerzo para memorizarlas. Además, a veces es difícil apreciar la importancia del estudio de las vías metabólicas si no se destacan los aspectos clínicos para ayudar a entenderlas. El objetivo de Cursos Crash: Lo esencial en metabolismo y nutrición es relacionar los conceptos principales de las vías metabólicas con escenarios clínicos relevantes, un abordaje que está en consonancia con los cursos de medicina integrados actuales. Cuando ha sido posible, la información más importante se ha presentado de la forma más accesible y cómoda para estudiar, utilizando figuras y tablas para facilitar su comprensión. La tercera edición de este libro se ha centrado en mejorar la claridad de las vías metabólicas y en actualizar los conceptos claves para ir de la mano con el currículo médico principal actual. Mi objetivo ha sido mejorar el libro para hacerlo más dinámico para los estudiantes de medicina teniendo en cuenta el contexto clínico. Espero que te resulte útil, no sólo para aprobar los exámenes, sino para comprender la importancia de las vías metabólicas desde un punto de vista clínico, ya que seguramente te encontrarás con ellas a lo largo de tu carrera profesional. Ming Yeong Lim Ha pasado más de una década desde que empezamos a trabajar en las primeras edicion es de la serie Cursos Crash, y unos 4 años desde que se publicaron las segundas ediciones. La medicina nunca se detiene, y el trabajo de mantener esta serie, importante para los estudiantes de hoy en día, es un proceso constante. En estas terceras ediciones se aprovecha el éxito de los libros anteriores y se incorpora una gran cantidad de material nuevo y revisado, manteniendo la serie actualizada con las últimas investigaciones y tendencias médicas en farmacología y en la mejor práctica actual. Como es habitual, escuchamos las opiniones de los miles de estudiantes que utilizan los Cursos Crash y también hemos mejorado el diseño y la estructura de los libros. Al principio de cada capítulo se incluyen los objetivos de aprendizaje, y las secciones de autoevaluación se han mejorado y actualizado con los formatos modernos de los exámenes. También hemos trabajado para integrar puntos de importancia clínica en el material médico básico, que además de hacer más interesante el texto refuerzan los principios que se describen. Aunque hemos revisado completamente los libros, hemos mantenido la base sobre la que se desarrolló esta serie: los Cursos Crash siempre te aportarán toda la información que necesitas en unos volúmenes de tamaño reducido, manejables, que integran las ciencias médicas básicas y la práctica clínica. Los libros siguen manteniendo el equilibrio entre claridad y concisión, y proporcionan suficiente información para los que aspiran a la excelencia. Los autores son estudiantes de medicina y médicos noveles que han realizado hace poco los exámenes a los que tú te estás enfrentando ahora, y la exactitud del material ha sido comprobada por profesores titulares universitarios del Reino Unido. Te deseo todo lo mejor en tu futura carrera profesional! Dr. Dan Horton-Szar Editor de la serie v

5 Agradecimientos Quisiera dar las gracias al Dr. Dominiczak por ayudarme con sus comentarios cuando yo me quedaba bloqueado, así como a mi editora de desarrollo, Lulu Stader, por sus amables consejos y su apoyo durante este último año. Gracias también a mis padres y a mi hermana, que siempre han creído en mí y me han animado a lo largo de mi carrera profesional como médico. Créditos de las figuras La figura 1.2 se ha rediseñado con autorización de R. Bronk. Human Metabolism. Addison Wesley Longman, vi

6 Índice de contenidos Glosario ix Parte I: Medicina básica Visión de conjunto del metabolismo Definiciones útiles Principios básicos de bioenergética Metabolismo energético y de los hidratos de carbono Glucólisis y su regulación Acetil CoA El ciclo del ácido tricarboxílico Generación del ATP Metabolismo del glucógeno Función del 2,3-difosfoglicerato Fructosa, galactosa, etanol y sorbitol Producción de NADPH La vía de las pentosas fosfato y el ciclo piruvato-malato Funciones del NADPH Metabolismo de los ácidos grasos y transporte de los lípidos Biosíntesis de los lípidos Degradación de los lípidos Metabolismo del colesterol Transporte de lípidos Cuerpos cetónicos y cetogénesis Metabolismo de las proteínas Biosíntesis de aminoácidos no esenciales Degradación de proteínas y eliminación de nitrógeno Formación de glucosa a partir de fuentes distintas a los hidratos de carbono Alteraciones del metabolismo de los aminoácidos Metabolismo de los aminoácidos a nivel tisular Purinas, pirimidinas y hemo Reserva monocarbonada Metabolismo de las purinas Metabolismo de las pirimidinas Metabolismo del hemo Homeostasis de la glucosa Estados de la homeostasis de la glucosa Diabetes mellitus Nutrición Principios básicos de la nutrición humana Equilibrio energético Proteínas y nutrición Vitaminas Minerales Parte II: Valoración clínica de las enfermedades metabólicas Presentaciones frecuentes de los trastornos metabólicos Síntomas frecuentes de presentación Anamnesis y exploración Qué se debe recordar al realizar la anamnesis Capacidad de comunicación Exploración Pruebas complementarias Pruebas de rutina Valoración del estado nutricional Índice vii

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8 Glosario Ácido graso esencial Ácido graso que no puede sintetizarse en el organismo y debe obtenerse de la dieta. Ácido ribonucleico (ARN) Polímero que consta de residuos de ribonucleótidos unidos mediante enlaces 3-5. La mitad del azúcar es ribosa. Ácidos grasos insaturados Ácidos grasos que tienen al menos un enlace doble carbonocarbono. Ácidos grasos saturados Ácidos grasos que no contienen enlaces dobles carbono-carbono. Adenosina difosfato (ADP) Un ribonucleótido difosfato en el que dos grupos fosforilo forman enlaces sucesivamente con el átomo de oxígeno 5 de la adenosina. Adenosina monofosfato (AMP) Un ribonucleótido monofosfato en el que un grupo fosforilo forma un enlace con el átomo de oxígeno 5 de la adenosina. Adenosina trifosfato (ATP) Un nucleótido que contiene una base de purina (adenina), un azúcar de cinco carbonos, ribosa y tres grupos fosfato. Aerobio Que se produce en presencia de oxígeno. Agente reductor Sustancia que proporciona (cuando él mismo los pierde) electrones en una reacción de oxidación-reducción, por lo que se oxida. Aminoácido Ácido orgánico que consta de un átomo de carbono al se unen un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de hidrógeno y una cadena lateral específica (grupo R). Aminoácido esencial Aminoácido que no puede sintetizarse en el organismo y debe obtenerse de la dieta. Aminoácido no esencial Aminoácido que puede producirse en cantidades suficientes para cubrir las necesidades metabólicas. Anabolismo Síntesis de moléculas complejas a partir de otras más simples. El anabolismo se asocia al atrapamiento y el almacenamiento de energía. Anaerobio Que se produce en ausencia de oxígeno. Anemia Nivel de hemoglobina en sangre inferior al rango normal teniendo en cuenta la edad y el sexo del paciente. El rango normal en los varones es de 13,5-18,0 g/dl y en las mujeres es de 11,5-16,0 g/dl. Aterogénico Capacidad para iniciar o acelerar el proceso de la aterogénesis, que es la formación dirigida por la inflamación de depósitos de lípidos en las arterias que producen engrosamiento y endurecimiento de la pared arterial. ATPasa Enzima que cataliza la hidrólisis del ATP a ADP + Pi. Autofosforilación Fosforilación de una proteína cinasa catalizada por la misma cinasa. Beta ( β )-oxidación Secuencia cíclica de reacciones que degrada los ácidos grasos a acetil CoA. Consta de cuatro pasos: oxidación, hidratación, otra oxidación y tiólisis. Bioenergética Estudio de los cambios energéticos que acompañan a las reacciones bioquímicas. Cadena transportadora de electrones Una serie de complejos enzimáticos y cofactores asociados que son portadores de electrones, pasando los electrones desde las coenzimas reducidas o los sustratos al oxígeno molecular (O 2 ), el aceptor del electrón terminal del metabolismo aerobio. Cambio de energía libre Estado termodinámico que define el equilibrio en términos de cambio de la entalpía y la entropía de un sistema a presión constante, G = H T S. Cambio de entalpía ( D H) Medida del calor liberado o absorbido durante una reacción. Cambio de entropía ( S) Medida del cambio en desorden o de carácter aleatorio en una reacción. Caperona Una proteína que forma complejos con las cadenas polipeptídicas sintetizadas de novo y colabora para que se plieguen correctamente en estructuras biológicamente funcionales. ix

9 Glosario Catabolismo Degradación de moléculas complejas ricas en energía (p. ej., hidratos de carbono) en otras más simples (p. ej., CO 2, H 2 O). El catabolismo se asocia a la liberación de energía. Cetogénesis Vía de cinco pasos que sintetiza cuerpos cetónicos a partir del acetil CoA en la matriz mitocondrial. Ciclo de Cori Bucle metabólico entre órganos que distribuye la carga metabólica entre el músculo y el hígado. El lactato, que se forma en el músculo durante el ejercicio intenso, es captado por el hígado para convertirse otra vez en glucosa a través de la gluconeogénesis. Así se repone el combustible del músculo y se previene la acidosis láctica. La glucosa producida vuelve al músculo para ser una fuente de energía, completándose el ciclo. Ciclo de la glucosa-alanina Bucle metabólico entre órganos que transporta el nitrógeno (como alanina) al hígado y transporta energía (como glucosa) desde el hígado a los tejidos periféricos. Ciclo de la urea Ciclo metabólico que consta de cinco reacciones que sintetizan el compuesto orgánico urea a partir de dos compuestos inorgánicos: CO 22 and NH 4 +. Ciclo del ácido tricarboxílico (ATC) Secuencia cíclica de ocho reacciones que oxida completamente una molécula de acetil CoA para formar dos moléculas de CO 2, generando energía ya sea directamente como ATP o en forma de equivalentes reductores (NADH o FADH 22 ). Cinasa Enzima que cataliza la transferencia de un grupo fosforilo a una molécula aceptora. Citocromo Proteína que contiene hemo y que es un trasportador de electrones en procesos como la respiración o la fotosíntesis. Condensación Reacción que supone la adhesión de dos o más moléculas con eliminación de agua. C-terminal Residuo de aminoácido que contiene un grupo carboxilo ( COOH) libre en un extremo de una cadena peptídica. Cuerpos cetónicos Moléculas pequeñas que se sintetizan a partir del acetil CoA en el hígado (ácido acetoacético, acetona, ácido 3-hidroxibutírico). Degradación de ácidos grasos Proceso en el que se descompone una molécula de un ácido graso por la eliminación secuencial de dos unidades de carbono, produciéndose acetil CoA, que se oxida para formar CO 2 y H 2 O en el ciclo del ATC. Desaminación oxidativa Eliminación de un grupo amino de un aminoácido, dejando atrás el esqueleto de carbono. Desaminasa Enzima que cataliza la eliminación de un grupo amino de un sustrato, liberándose amoníaco. Deshidrogenasa Enzima que cataliza las reacciones de oxidación-reducción que suponen la adición o extracción de átomos de hidrógeno. Diabetes mellitus Síndrome causado por la ausencia, o la disminución de la eficacia, de la insulina, y que da lugar al aumento de la glucemia (hiperglucemia) y a la presencia de complicaciones vasculares crónicas. Dislipemias Un grupo de trastornos causados por un defecto en la formación, el transporte o la degradación de lipoproteínas. Endocitosis Proceso por el que la materia es absorbida por una membrana plasmática y entra en la célula dentro de una vesícula lipídica derivada de la membrana. Enlace peptídico Enlace covalente amida secundario que une el átomo de oxígeno del carboxilo, el átomo de hidrógeno de la amida y los dos átomos de carbono adyacentes. Enzima Catalizador biológico, que casi siempre es una proteína. Esteroide Lípido que se caracteriza por un esqueleto de carbono con cuatro anillos fusionados. Todos los esteroides derivan del acetil CoA. Esterol Esteroide que contiene un grupo hidroxilo. Fosfatasa Enzima que cataliza la eliminación hidrolítica de un grupo fosforilo. Fosforilación Reacción que supone la adición de un grupo fosforilo a una molécula. Fosforilación a nivel de sustrato Formación de ATP mediante la fosforilación directa del ADP, sin que intervenga la cadena respiratoria mitocondrial. Fosforilación oxidativa Proceso en el que se forma ATP cuando se transfieren electrones del NADH x

10 Glosario o el FADH 2 al oxígeno molecular a través de una serie de portadores de electrones que constituyen la cadena transportadora de electrones. Fosforilasa Enzima que cataliza la división de su sustrato a través del ataque nucleofílico por fosfato inorgánico. Glucación Reacción no enzimática cuyo resultado es la unión de una molécula de azúcar a una proteína. Glucógeno Polímero grande, muy ramificado, formado por moléculas de glucosa unidas mediante enlaces -1,4 con enlaces -1,6 en los puntos de ramificación. Glucólisis Vía catabólica que consta de 10 reacciones catalizadas por enzimas mediante la cual una molécula de glucosa se degrada para formar dos moléculas de piruvato. Gluconeogénesis Producción de glucosa a partir de fuentes distintas a los hidratos de carbono (p. ej., aminoácidos, ácido láctico, glicerol). Glucoproteína Molécula de proteína compleja que contiene residuos de hidratos de carbono: se forman mediante la glucosilación de las proteínas en el retículo endoplásmico o en el aparato de Golgi. Glucosaminoglucanos Polisacáridos largos, no ramificados, formados por unidades de disacáridos que se repiten. La unidad disacárido consta de una N-acetil-hexosamina y una hexosa o ácido hexurónico, y una de ellas o ambas pueden estar sulfatadas. Glucósidos Grupo de compuestos orgánicos que se encuentran en abundancia en las plantas y que producen un azúcar y una o más sustancias no azucaradas cuando se hidrolizan. Glucosilación Adición de grupos glucosilo a una proteína para formar una glucoproteína. Glucosilación de las proteínas Adición covalente de hidratos de carbono a las proteínas. Hemoglobina Proteína globular, tetramérica, que contiene hemo y se encuentra en los eritrocitos que transportan oxígeno a las células y los tejidos. Hidratos de carbono Molécula compleja en la que proporción molar de C:H:O es 1:2:1. Hidrófilo «Amante del agua». Molécula que interactúa con disolventes polares, en especial el agua, o con otros grupos polares. Hidrófobo «Que tiene miedo del agua». Compuesto no polar que no se disuelve en agua, como el aceite. Hidrolasa Enzima que cataliza la división hidrolítica de su sustrato. Inhibición por retroalimentación Inhibición de una enzima que cataliza uno de los primeros pasos de una vía metabólica por un producto final de la misma vía. Isomerasa Enzima que cataliza un cambio de la geometría o la estructura dentro de una molécula. Isozimas Diferentes proteínas procedentes de una única especie biológica y que catalizan la misma reacción. Lanzadera de la carnitina Vía que lanza la acetil CoA desde el citosol a la mitocondria a través de la formación de acilo carnitina. Lanzadera del citrato Vía que lanza la acetil CoA desde la mitocondria hasta el citosol proporcionando un sustrato para la síntesis de ácidos grasos. Lipasa Enzima que cataliza la hidrólisis de los triacilgliceroles. Lípido Compuesto orgánico insoluble en agua que se encuentra en los sistemas biológicos. Lipólisis Hidrólisis de los triacilgliceroles por la lipasa. (Obsérvese que la lipólisis es diferente de la descomposición de los ácidos grasos.) Lipoproteína Unidad macromolecular formada por moléculas de lípidos y proteínas con un núcleo hidrófobo y una superficie hidrófila, que se encuentra en el plasma. Las lipoproteínas transportan los triglicéridos y el colesterol entre los tejidos. Lipoproteína de densidad intermedia (IDL) Un tipo de lipoproteína plasmática que se forma durante la descomposición de las VLDL. Las IDL también se denominan proteínas remanentes y son aterogénicas. Lipoproteínas de alta densidad (HDL) Un tipo de lipoproteínas plasmáticas ricas en proteínas y que transportan el colesterol y los ésteres del colesterol desde los tejidos al hígado (lo que se conoce como el transporte inverso del colesterol). Lipoproteínas de baja densidad (LDL) Un tipo de lipoproteínas plasmáticas que se forman xi

11 Glosario durante la descomposición de las IDL y están enriquecidas con colesterol y ésteres colesterilo. Son aterogénicas. Las medidas del colesterol en el plasma reflejan principalmente la concentración de LDL. Lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL) Un tipo de proteínas plasmáticas que transportan principalmente triacilgliceroles endógenos, y también colesterol y ésteres de colesterilo, desde el hígado a los tejidos. Lisosoma Organela digestiva especializada de las células eucariotas. Metabolismo Conjunto integrado de reacciones químicas que se producen en el organismo. La suma de las reacciones químicas del organismo. Micelio Agregación de moléculas anfipáticas (tanto hidrófilas como hidrófobas) en las que las partes hidrófilas de las moléculas se proyectan hacia el entorno acuoso y las partes hidrófobas se dirigen hacia el interior de la estructura. Mitocondrión Organela que es el sitio principal del metabolismo energético oxidativo en las células eucariotas. N-terminal Residuo de un aminoácido que tiene un grupo -amino libre ( NH 2 ) en un extremo de la cadena peptídica. Nucleofílico Compuesto o grupo químico que es atraído hacia el núcleo y tiende a donar o compartir electrones. Nucleósido Compuesto que contiene una purina o pirimidina y un azúcar: purina o pirimidina N-glucósido de ribosa o desoxirribosa. Nucleótido El éster fosfato de un nucleósido; consta de una base nitrogenada unida a una pentosa fosfato. Oxidación Pérdida de electrones por una molécula, átomo o ion. Ganancia de oxígeno o pérdida de hidrógeno por una molécula. Oxidasa Enzima que cataliza una reacción de oxidación-reducción en la que el O 2 es el aceptor de electrones. Péptido Dos o más aminoácidos unidos de forma covalente en una secuencia lineal mediante enlaces peptídicos. Peroxidasa Enzima que cataliza una reacción en la que el agente oxidante es el peróxido de hidrógeno. Pirimidina Base nitrogenada que tiene un anillo heterocíclico que consta de cuatro átomos de carbono y dos átomos de nitrógeno (p. ej., timina, citosina). Polipéptido Polímero de muchos residuos de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Polisacárido Polímero de muchos residuos monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos. Potencial redox estándar (E o ) Medida de la tendencia de un par redox determinado (p. ej., NAD + y NADH) a perder electrones. Proporción P:O Proporción entre las moléculas de ADP fosforiladas y los átomos de oxígenos reducidos durante la fosforilación oxidativa. Proteasa Una enzima que cataliza la hidrólisis de enlaces peptídicos. Proteína Biopolímero que consta de una o más cadenas peptídicas. Proteína portadora de acilo Una proteína o un dominio de una proteína que contiene grupos tiol que proporcionan sitios de unión para la malonil CoA y cadenas para el crecimiento de los ácidos grasos. Proteoglicanos Una clase especial de glucoproteínas que están muy glucosiladas. Constan de una proteína central con una o más cadenas de glucosaminoglicanos unidas de forma covalente. Purina Base nitrogenada con una estructura de dos anillos en la que la pirimidina se une al imidazol (p. ej., adenina, guanina). Quilomicrón Lipoproteína plasmática que transporta los lípidos de la dieta absorbidos desde el intestino hasta los tejidos. Radical libre Especie atómica o molecular muy reactiva con electrones no apareados. Reacción endergónica Reacción durante la cual se produce una ganancia neta de energía G > 0. Estas reacciones no son espontáneas. Reacción endotérmica Reacción en la que se absorbe calor; un cambio de entalpía positivo (+ H). Reacción exergónica Reacción en la que se produce una pérdida neta de energía, G < 0. Estas reacciones se producen de forma espontánea. xii

12 Glosario Reacción exotérmica Se libera calor durante la reacción; un cambio de entalpía negativo (- H). Reducción Ganancia de electrones por una molécula, átomo o ion. Pérdida de oxígeno o ganancia de hidrógeno por una molécula. Ribosa Monosacárido de cinco carbonos que es el hidrato de carbono que forma parte del ARN. Síntesis de ácidos grasos Reacción cíclica en la que se forma una molécula de un ácido graso por la adición secuencial de dos unidades de carbono derivadas del acetil CoA. Tejido adiposo También conocido como tejido graso. Tejido animal formado por células especializadas en almacenar triacilglicerol conocidas como adipocitos. Cada vez hay más datos que confirman que los adipocitos son activos hormonalmente y secretan varias adipocinas (p. ej., la leptina es una adipocina). Transaminasa Enzima que cataliza la transferencia de un grupo -amino (NH 3 +) de un aminoácido a un -cetoácido. Triacilglicerol Lípido que contiene tres residuos acilo grasos esterificados hasta formar una columna vertebral de glicerol. Ubiquitina Es una proteína básica pequeña que se une a una proteína y la marca para que sea degradada. Vía de la pentosa fosfato Vía por la que se metaliza la glucosa-6-fosfato para generar NADPH y ribosa-5-fosfato. Vía de novo Vía metabólica en la que se forma una biomolécula «por raspado» a partir de moléculas precursoras más simples. Vía de recuperación Vía en la que un metabolito principal, como el nucleótido pirimidina o la purina, puede sintetizarse a partir de una entidad molecular preformada, como una purina o pirimidina, en vez de sintetizarse de novo. Vitaminas Micronutrientes orgánicos que no pueden sintetizarse por el organismo y deben obtenerse de la dieta. Vitaminas hidrosolubles Micronutrientes orgánicos solubles en agua. xiii

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