METABOLISMO Los alimentos constituyen la única fuente de energía para realizar funciones biológicas tales como la síntesis de proteínas, la contracción muscular, la mitosis etc. A diferencia de las plantas, el ser humano no puede aprovechar la energía de la luz solar para obtener energía. NUTRIENTES Las moléculas de alimentos absorbidas en el tracto GI tienen tres destinos: 1.La mayoría se utilizan para proporcionar energía para el mantenimiento de los procesos vitales, replicación ADN, la síntesis de proteinas ,la contracción muscular 2.Algunas se utilizan para sintetizar moléculas estructurales o funcionales como proteínas musculares, hormonas y enzimas. 3. Algunas se almacenan para un uso futuro ( el glucógeno en los hepatocitos). Existen seis grupos principales de nutrientes: hidratos de carbono, lípidos, proteínas minerales, vitaminas y agua. METABOLISMO El metabolismo es el conjunto de las reacciones químicas del organismo. Todas las reacciones requieren o liberan energía. Las reacciones químicas que combinan sustancias simples en moléculas más complejas reciben el nombre de anabolismo y requieren energía. Las reacciones químicas que descomponen compuestos orgánicos complejos en compuestos simples reciben el nombre de catabolismo y liberan energía. La molécula que participa en la mayoría de los intercambios de energía de las células vivas es el ATP. El ATP es la “moneda de cambio de energía” METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO Durante la digestión, los polisacáridos y los disacáridos se transforman en monosacáridos (glucosa, fructosa y galactosa). Los tres monosacáridos son absorbidos hacia los capilares de las vellosidades del intestino delgado y posteriormente son transportados por la vena porta hasta el hígado. Destino de los hidratos de carbono Dado que la glucosa es la fuente preferida por el organismo para cumplir la función de sintetizar ATP, el destino de la glucosa absorbida depende de las necesidades de energía de las células del organismo. 1. Producción de ATP. Si las células requieren energía inmediatamente, oxidan glucosa. Cada gramo de hidratos de carbono produce aprox. 4 kilocalorías. 2. Síntesis de aminoácidos. Posteriormente se incorporaran en proteinas 3. Glucogénesis. El higado puede almacenar una pequeña cantidad del exceso de glucosa transformandola en glucógeno . Posteriormente cuando el nivel de glucosa en sangre comienza a disminuir , los hepatocitos pueden transformar de nuevo el glucógeno en glucosa (glucogenolisis) y liberarla de nuevo en la sangre. Las fibras musculares también pueden almacenar glucógeno y oxidarlo y proporcionar ATP. 4. Lipogénesis. Si las áreas de almacenamiento de glucógeno se llenan , los hepatocitos y los adipocitos pueden transformar la glucosa en glicerol y ácidos grasos que pueden ser utilizados para la síntesis de triglicéridos (lipogénesis ). Posteriormente los triglicéridos ( grasas neutras ) se almacenan en el tejido adiposo. 5. Excreción en orina. El exceso de glucosa a veces es excretado en la orina. Cuando los niveles de glucosa en la sangre son elevados, los riñones pueden no recuperar toda la glucosa filtrada, y parte de la glucosa puede eliminarse en la orina. Esto solo sucede cuando se ingiere una comida que contiene principalmente hidratos de carbono sin triglicéridos. En ausencia del efecto inhibidor de los triglicéridos, el estomago vacía su contenido rapidamente , y todos los hidratos son digeridos al mismo tiempo. Como consecuencia hay una entrada súbita en la sangre de gran cantidad de glucosa Entrada de glucosa en las células. El movimiento de glucosa desde la sangre a la mayoría de las células del organismo se produce por difusión .La insulina aumenta la velocidad de difusión. Justo en el momento de entrar en las células , la glucosa se fosforila ( se combina con un grupo fosfato, producido por la degradación del ATP, para formar glucosa 6-fosfato Catabolismo de la glucosa La oxidación de la glucosa recibe el nombre de respiración celular. Comprende la glucólisis, la formación de acetil coenzima A, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte electrónico. La glucólisis tiene lugar en la mayoría de las células del organismo. Libera dos moléculas de ATP por cada glucosa utilizada y no requiere oxigeno. Al sintetizar ATP sin oxigeno recibe el nombre de respiración celular anaeróbica. Sin embargo es el paso previo al ciclo de Krebs y a la cadena de transporte electrónico, procesos que requieren oxigeno y que proporcionan hasta 34 o 36 moléculas de ATP por molécula de glucosa. Estas reacciones de síntesis de ATP constituyen la respiración celular aeróbica. Glucólisis Es una serie de reacciones químicas que suceden en el citosol celular y que descomponen una molécula de glucosa de seis atomos de carbono en dos moléculas de ácido pirúvico de tres átomos de carbono El destino del acido pirúvico depende de la disponibilidad de oxigeno. Formación de acetil coenzima A Cada paso de la oxidación de la glucosa requiere una enzima diferente y, a menudo, tambien una coenzima. El acido pirúvico entra en la mitocondria y a partir de él se forma un grupo acetilo que se une a la coenzima A formando el complejo acetil coenzima A Ciclo de Krebs El ciclo de Krebs tambien recibe los nombres de ciclo del ácido cítrico y ciclo de los ácidos tricarboxilicos. Se trata de una serie de reacciones bioquímicas que tienen lugar en la matriz mitocondrial. La puerta de entrada a este ciclo va a ser el acetil coenzima A. Consultar los esquemas en las fotocopias dadas en clase. Sobrecarga de hidratos de carbonos Durante el ejercicio, el organismo utiliza preferentemente hidratos de carbono como fuente de energía. Los hidratos de carbono se almacenan en forma de glucógeno en el hígado y los músculos esqueléticos. Dado que los depósitos de glucógeno son limitados y que pueden deplecionarse después de correr más de 32 km., muchos corredores de maratón consumen grandes cantidades de hidratos de carbono antes de la competición . Esta práctica, denominada sobrecarga de hidratos de carbono, tiene por objetivo maximizar los depósitos corporales de hidratos de carbono para proporcionar la energía adicional para una competición deportiva. Anabolismo de la glucosa Almacenamiento de glucosa: glucogénesis Si la glucosa no es necesaria de forma inmediata para la síntesis de ATP , se combina con muchas otras moléculas de glucosa y forma una molécula de cadena larga, el glucógeno. Este proceso recibe el nombre de glucogénesis. El cuerpo puede almacenar aproximadamente 500 g de glucógeno, cerca del 25% en el hígado y el 75% en las fibras musculares esqueléticas. La glucogénesis es estimulada por la insulina . Liberación de glucosa: glucogenólisis Cuando el organismo necesita energía se degrada el glucógeno almacenado en el hígado en glucosa, y ésta es liberada a la sangre para su transporte a las células, donde será catabolizada. El proceso recibe el nombre de glucogenólisis. Formación de glucosa a partir de proteínas y lípidos: gluconeogénesis Cuando disminuye la cantidad de glucógeno presente en el hígado, es el momento de comer. Si no se come, el cuerpo comienza a catabolizar más triglicéridos y proteinas. Esta catabolización a gran escala no tiene lugar a menos que se esté en ayuno, se ingieran comidas con muy poco contenido de hidratos de carbono o se padezca un trastorno endocrino. El proceso por el que se forma nueva glucosa a partir de fuentes diferentes a los hidratos de carbono recibe el nombre de gluconeogénesis. En este proceso se forma glucosa a partir del ácido láctico, de ciertos aminoácidos y de la parte glicerol de los triglicéridos. La gluconeogénesis es estimulada por el cortisol, una de las hormonas glucocorticoides de la corteza suprarrenal, y por la hormona tiroidea. La adrenalina, el glucagón y la hormona del crecimiento (GH) también estimulan la gluconeogénesis. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS Cuando se ingieren triglicéridos, son digeridos en ácidos grasos y monoglicéridos. Los ácidos grasos de cadena corta difunden a las células epiteliales de las vellosidades intestinales y posteriormente a los capilares sanguíneos. Los ácidos grasos de cadena larga y los monoglicéridos son transportados en micelas a las células epiteliales de las vellosidades para su entrada en ellas. Una vez en su interior, son digeridos a glicerol y ácidos grasos y posteriormente recombinados para formar triglicéridos . Posteriormente llegan a la sangre. Dado que los lípidos no se disuelven bien en agua, son transportados por la sangre en varios tipos de lipoproteinas (VLDL, HDL ,LDL). Destino de los lípidos Los lípidos, al igual que los hidratos de carbono, pueden oxidarse para producir ATP . Cada gramo de triglicéridos produce aproximadamente 9 kilocalorias. Si el organismo no tiene una necesidad inmediata de utilizar lípidos de esta forma, se almacenan en el tejido adiposo por todo el cuerpo y en el hígado. Otros lípidos se utilizan como moléculas estructurales o para sintetizar otras sustancias fundamentales. Por ejemplo, las lipoproteínas se utilizan para transportar colesterol por el cuerpo, la tromboplastina es necesaria en la coagulación sanguínea . El colesterol , otro lípido, se utiliza en la síntesis de sales biliares y de las hormonas esteroides. Deposito de grasa La principal función del tejido adiposo es almacenar triglicéridos hasta que sean necesarios para la síntesis de ATP . También tiene funciones de aislamiento y protección . Cerca del 50% de los triglicéridos almacenados se depositan en el tejido subcutáneo: aproximadamente el 12% alrededor de los riñones, del 10 al 15% en los epiplones, el 20% en las áreas genitales y del 5 al 8% entre los músculos. Catabolismo de los lípidos: lipólisis Los triglicéridos almacenados en el tejido adiposo constituyen el 98% de todas las reservas de energía. Se pueden almacenar más triglicéridos que glucógeno. Además el rendimiento enegético de los triglicéridos es más del doble respecto al de los hidratos de carbono. No obstante, la mayoría de las células preferentemente oxida glucosa, si está disponible, en lugar de ácidos grasos para la síntesis de ATP. Sin embargo, el músculo cardiaco oxida preferentemente ácidos grasos. Además, en los momentos de escasez de glucosa, varias hormonas estimulan en otras células la degradación y utilización de triglicéridos para más síntesis de ATP . Para que los triglicéridos puedan ser metabolizados como fuente de energía deben descomponerse en glicerol y ácidos grasos, un proceso que recibe el nombre de lipólisis. Las hormonas que estimulan la degradación de triglicéridos en ácidos grasos y glicerol son la adrenalina, noradrenalina , los glucocorticoides, las hormonas tiroideas y la hormona del crecimiento. Anabolismo de los lípidos: lipogénesis Los hepatocitos y los adipocitos pueden sintetizar lípidos a partir de glucosa o de aminoácidos a través de un proceso que recibe el nombre de lipogénesis. La lipogénesis tiene lugar cuando se consumen más calorías de las necesarias para satisfacer los requerimientos de ATP. El exceso de hidratos de carbono, proteinas y grasas de la dieta tienen el mismo destino: transformarse en triglicéridos. Este proceso es estimulado por la insulina. METABOLISMO DE LAS PROTEINAS Durante la digestión , las proteinas se descomponen en sus aminoácidos constituyentes. A diferencia de los hidratos de carbono y los triglicéridos, que se almacena, las proteinas no se acumulan para uso futuro. El exceso de aminoácidos de la dieta no se excreta en orina o en heces, sino que se transforma en glucosa o triglicéridos. Destino de las proteinas Los aminoácidos entran en las células por transporte activo. Este proceso es estimulado por la hormona del crecimiento y la insulina. Casi inmediatamente después de su entrada se incorpora en proteinas. Muchas proteinas actuan como enzimas. Otras como transportadoras( hemoglobina) o son anticuerpos, elementos contráctiles de las fibras musculares (actina y miosina). Varias proteinas actúan como componentes estructurales del cuerpo (colágeno, elastina etc). Cuando las proteinas se oxidan, cada gramo produce aprox. 4 kcal. Catabolismo de las proteinas Si se agotan otras fuentes de energía o si otras fuentes de energía son insuficientes y la ingesta de proteinas es elevada, el hígado puede convertir proteinas en acidos grasos, cuerpos cetónicos o glucosa . Sin embargo, para que los aminoácidos puedan catabolizarse primero deben convertirse en diversas sustancias que puedan incorporarse al ciclo de Krebs. Anabolismo de las proteinas El anabolismo o síntesis de las proteinas tiene lugar en los ribosomas de casi todas las celulas del organismo, dirigido por el ADN o ARN celular. La hormona del crecimiento , las hormonas tiroideas y la insulina estimulan la síntesis proteica. De los 20 aminoácidos que existen en nuestro organismo, 10 reciben el nombre de aminoácidos esenciales. Son los que no pueden ser sintetizados a velocidad suficiente y deben obtenerse por la dieta. ESTADOS ABSORTIVO Y POSTABSORTIVO Nuestras reacciones metabólicas dependen de lo recientemente que hayamos comido. Durante el estado absortivo los nutrientes ingeridos están entrando en los sistemas cardiovascular y linfático desde el tracto GI, y la glucosa está rápidamente disponible para la síntesis de ATP . Durante el estado postabsortivo la absorción ya ha finalizado y las necesidades energéticas del organismo deben satisfacerse con los nutrientes presentes en el organismo. Las hormonas son los principales reguladores de las reacciones que tienen lugar en cada estado. Los efectos de la insulina predominan en el estado absortivo. Estado absortivo Una comida promedio requiere unas 4 horas para que la absorción sea completa, y dado que lo habitual son unas tres comidas al dia , nuestro organismo se encuentra 12 horas al dia en estado absortivo. Las otras 12 horas, al final de la mañana , al final de la tarde y durante la noche, transcurren en el estado postabsortivo. Reacciones del estado absortivo Durante el estado absortivo la mayoría de las celulas sintetiza ATP mediante la oxidación de glucosa a dióxido de carbono y agua. La glucosa que entra en los hepatocitos se transforma principalmente en triglicéridos o glucógeno; una pequeña parte se oxida para obtener energía . Algunos ácidos grasos y triglicéridos entran en la sangre transportados por VLDL hasta el tejido adiposo para su almacenamiento. Estado postabsortivo El principal objetivo metabólico durante el estado postabsortivo es mantener el nivel normal de glucosa en sangre, de 70 a 110 mg/ml de sangre. El mantenimiento de este nivel es especialmente importante para el sistema nervioso, dado que las neuronas no pueden utilizar otros nutrientes (excepto cuerpos cetonicos durante el ayuno ) para la síntesis de ATP Reacciones del estado postabsortivo La concentración de glucosa en sangre se mantiene de dos formas: sintetizando moléculas de glucosa y mediante reacciones de ahorro de glucosa, como la utilización de triglicéridos o posiblemente proteinas para sintetizar ATP. Una fuente principal de glucosa sanguínea durante el ayuno es el glucógeno hepático, que puede proporcionar glucosa durante unas cuatro horas. Otra fuente de glucosa sanguínea es el glicerol, producido por la hidrólisis de triglicéridos, principalmente en el tejido adiposo. Otra fuente de glucosa puede ser el glucógeno muscular durante los periodos de ejercicio intenso en los que se producen importantes cantidades de ácido láctico por glucólisis anaeróbica. El ácido láctico muscular es liberado a la sangre y transportado al hígado, donde vuelve a transformarse en glucosa y se libera a la sangre. Finalmente , las proteínas tisulares, principalmente de los músculos esqueléticos. Durante el ayuno prolongado se liberan grandes cantidades de aminoácidos procedentes de la degradación de proteínas en el músculo para la formación de glucosa en el hígado por gluconeogenesis . Durante el ayuno sólo se utilizan aminoácidos de los músculos para formar glucosa una vez agotados los depósitos de glucogeno hepático y de triglicéridos del tejido adiposo. Durante el estado postabsortivo debe realizarse un importante ajuste corporal. El sistema nervioso continua utilizando glucosa pero los otros tejidos reducen su oxidación de glucosa y la desvían a los ácidos grasos como principal fuente de ATP. Como resultado de este ahorro de glucosa y una persona puede ayunar varias semanas siempre que ingiera agua, y el nivel de glucosa no descenderá más del 25% de sus límites normales. Las hormonas que estimulan el metabolismo reciben el nombre de hormonas antiinsulínicas debido a que contrarrestan los efectos de la insulina predominante durante el estado absortivo. La más importante es el glucagón. METABOLISMO Y CALOR CORPORAL El calor es una forma de energía cinética que puede determinarse como temperatura y expresarse en unidades denominadas calorías. Una caloría es la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14ºC a 15ºC. Para expresar la energía que contienen los alimentos se utiliza la kilocaloría. Producción de calor corporal La mayor parte del calor producido por el cuerpo deriva de la oxidación de los alimentos que ingerimos. La velocidad a la que se produce calor (índice metabólico) también se mide en kilocalorías. Entre los factores que afectan al índice metabólico se encuentran los siguientes: 1.Ejercicio. Durante el ejercicio intenso, el índice metabólico puede aumentar hasta 15 veces el valor considerado normal. En los deportistas entrenados, el índice puede aumentar hasta 20 veces. 2.Sistema nervioso. En una situación de estrés se estimula el sistema nervioso simpático y los nervios liberan noradrenalina, que aumenta el índice metabólico de las células. 3. Hormonas. Además de la noradrenalina, otras hormonas afectan al índice metabólico. La adrenalina se secreta en situaciones de estrés. El aumento de la secreción de hormonas tiroideas eleva el índice metabólico. La testosterona y la hormona del crecimiento también aumentan el índice metabólico. 4. Temperatura corporal. Cuanto mayor es la temperatura corporal, mayor es el índice metabólico. Cada 1º C que se eleva la temperatura, la velocidad de las reacciones bioquímicas aumenta el 10%. El índice metabólico puede aumentar sustancialmente durante la fiebre. 5. Ingesta de alimentos. La ingestión de alimentos puede aumentar el índice metabólico desde un 10% a un 20%. Este efecto recibe el nombre de acción dinámica específica y es mayor con las proteínas y menor con los hidratos de carbono y los lípidos. 6. Edad. El índice metabólico de un niño, en relación con su tamaño, es casi el doble que el de un anciano, debido a las altas velocidades de las reacciones relacionadas con la disminución del crecimiento con la edad. 7. Otros. El sexo ( menor en mujeres, excepto durante el embarazo y la lactancia), el clima (menor en las regiones tropicales) y la malnutrición(menor). Índice metabólico basal. Debido a que existen muchos factores que afectan al índice metabólico, éste se determina en condiciones estándar. Estas condiciones reciben en conjunto el nombre de estado basal, y la determinación obtenida índice metabólico basal (IMB). El IMB es una medida de la velocidad a la que el cuerpo tranquilo, en reposo y en ayuno degrada nutrientes para liberar energía. Parte de esta energía se utiliza para sintetizar ATP y parte se libera en forma de calor. El índice metabólico basal se determina más a menudo indirectamente midiendo el consumo de oxígeno con un espirómetro. Pérdida de calor corporal. La mayor parte del calor corporal deriva de la oxidación de los alimentos que ingerimos. Este calor debe eliminarse continuamente para evitar que la temperatura corporal ascienda de forma constante. Las principales formas de pérdida de calor son la radiación, la conducción, la convección y la evaporación. Radiación. Es la transferencia de calor en forma de rayos infrarrojos desde un objeto más caliente a uno más frío sin contacto físico. En una habitación a 21ºC, cerca del 60% de la pérdida de calor de una persona en reposo se debe a la radiación. Conducción y convección. En la conducción , el calor corporal se transfiere a una sustancia u objeto en contacto con el cuerpo, como sillas, ropas, joyas, aire o agua. En reposo cerca del 3% del calor corporal se pierde por conducción a objetos sólidos. La conveccíón es la transferencia de calor por el movimiento de un líquido o gas entre áreas de diferente temperatura. Cerca del 15% del calor corporal se pierde en el aire por conducción y convección. Evaporación La evaporación es la conversión de un líquido en vapor. Cada gramo de agua que se evapora de la piel se lleva una gran cantidad de calor, aproximadamente 0,58 kcal .En condiciones de reposo normales, cerca del 22% de la pérdida de calor se produce por evaporación. En condiciones extremas se producen unos 4 litros de transpiración cada hora, y este volumen puede eliminar 2000 kcal de calor. La tasa de evaporación está inversamente relacionada con la humedad relativa. Mecanismos de producción de calor Vasoconstricción. Los impulsos nerviosos procedentes del centro de producción de calor estimulan los nervios simpáticos que causan la constricción de los vasos sanguíneos de la piel. El efecto neto de la vasoconstricción es la disminución del flujo de sangre caliente desde los órganos internos a la piel, disminuyendo así la transferencia de calor en esta dirección. Estimulación simpática. La estimulación simpática del metabolismo origina la secreción por parte de la médula suprarrenal de adrenalina y noradrenalina a la sangre. Estas hormonas producen un aumento del metabolismo celular, que eleva la producción de calor. Este efecto recibe el nombre de termogénesis química. Músculos esqueléticos. La estimulación del centro de producción de calor causa la estimulación de regiones del cerebro que aumentan el tono muscular y, por consiguiente , la producción de calor. Al aumentar el tono muscular, la distensión del músculo agonista inicia el reflejo de estiramiento y el músculo se contrae. Esta contracción causa la distensión del músculo antagonista, que desarrolla un reflejo de estiramiento. El ciclo repetitivo recibe el nombre de estremecimiento. Hormonas tiroideas. Otra respuesta corporal que aumenta la producción de calor es el aumento de la síntesis de hormonas tiroideas(T3 y T4). Debido a que el aumento de los niveles de hormonas tiroideas eleva la tasa metabólica, la temperatura corporal asciende. Mecanismos de pérdida de calor. El estrés o la mayor temperatura de la sangre estimula los termorreceptores que envían impulsos nerviosos que estimulan el centro de pérdida de calor. El centro de pérdida de calor descarga impulsos nerviosos a los vasos sanguíneos, causando su dilatación. Aumenta la temperatura de la piel, y el exceso de calor se pierde en el medio ambiente. Al mismo tiempo , la tasa metabólica y el estremecimiento disminuyen. La alta temperatura de la sangre estimula las glándulas sudoríparas de la piel para producir transpiración. Al evaporarse agua por transpiración en la superficie de la piel ésta se enfría . Alteraciones de la temperatura corporal Fiebre . La causa más frecuente de fiebre es la infección por virus y bacterias. Otras causas son los infartos de miocardio, los tumores, la destrucción tisular por rayos X, la cirugía, los traumatismos, y las reacciones a las vacunas . Hasta cierto punto la fiebre es beneficiosa. Inhibe el crecimiento de algunas bacterias. Aumenta la frecuencia cardíaca de forma que los leucocitos son transportados con mayor rapidez a los lugares de infección y sus secreciones aumentan. El calor acelera la velocidad de las reacciones químicas. Algunas complicaciones de la fiebre son la deshidratación, la acidosis y la lesión cerebral permanente. Como norma, se produce la muerte si la temperatura corporal se eleva por encima de 44º o 46ºC . También se produce la muerte por debajo de 21º a 24ºC . Calambres por calor Los calambres por calor se producen como resultado de una sudoración profusa que elimina agua y sal (NaCl) del cuerpo. La pérdida de sal causa contracciones dolorosas de los músculos. Los líquidos salinos producen una mejoría rápida. Agotamiento por calor En el agotamiento por calor la temperatura corporal suele ser normal y la piel está fría y mojada debido a una transpiración abundante. El agotamiento por calor se caracteriza por la pérdida de líquidos y electrólitos, especialmente sal. La pérdida de sal causa calambres, mareos, vómitos y desmayo. Se recomienda reposo absoluta y sal. Golpe de calor El golpe de calor se produce cuando la temperatura y la humedad relativa están elevadas, dificultando la pérdida e calor del cuerpo por radiación, conducción o evaporación. Existe una disminución del flujo de sangre a la piel, la transpiración está muy reducida y la temperatura corporal se eleva bruscamente. La piel está seca y caliente, y la temperatura puede llegar a 43ºC. El tratamiento consiste en el enfriamiento del cuerpo por inmersión en agua fría y administración de líquidos y electrólitos. Hipotermia La hipotermia es el descenso de la temperatura corporal hasta 35ºC o menos. Tiene los siguientes signos: sensación de frío, estremecimiento, confusión, vasoconstricción, rigidez muscular, bradicardia, acidosis, hipoventilación, hipotensión, ausencia de reflejos y muerte por arritmias cardíacas.