¡ALIMENTO!, maravilloso alimento, ¿qué seríamos sin él?. Una dieta balanceada nos provee de una mezcla de grasas, proteínas y carbohidratos ricos en energía. Al masticar y digerir los alimentos los fraccionamos en moléculas menores de grasas, azúcares y aminoácidos.

Estas partículas se absorben en el intestino y pasan luego al torrente sanguíneo, y luego transportadas a las células, donde sufren una serie de reacciones químicas, proceso que se denomina "metabolismo". Este tiene dos aspectos diferentes: el "catabolismo", que consiste en la degradación de las moléculas grandes en subunidades más pequeñas, lo que libera energía, y el "anabolismo", que consiste en que pequeñas unidades se unen para formar moléculas más grandes, lo que a menudo requiere de energía.

La demanda constante de energía, es un requerimiento clave de todo ser vivo, sea este vegetal o animal. La fuente última de energía para que la vida sea posible en la Tierra, proviene del sol. Las plantas la obtienen directamente (a través del proceso denominado "fotosíntesis") y la usan para todos sus procesos anabólicos necesarios para construir sus estructuras y como también para mantener reservas para cuando llega la noche y el sol no está o, por último, para almacenarla como almidón, ya sea en las semillas o en los tubérculos (como por ejemplo en las papas). Esto último es lo que les permite a las nuevas plantas iniciar su crecimiento durante las primeras etapas, cuando aún no disponen del mecanismo de la fotosíntesis para producir su propia energía.


Corriendo por su cena

Perdiendo electrones

La forma de un organismo está determinada, desde un punto de vista muy general, por su necesidad de adquirir energía. Así, por ejemplo, las hojas proveen a las plantas de una gran área de superficie que necesitan para su fotosíntesis, en cambio, los herbívoros como las vacas tienen un gran estómago, o rumen, en el interior del cual pueden fermentar grandes cantidades de pasto. Por su parte, los carnívoros tienden a ser pequeños y veloces para así poder capturar sus presas también rápidas y escurridizas. Pero, en definitiva, todo proviene del sol, ya que en el caso de los herbívoros, al comer vegetales, están indirectamente haciendo uso de la energía solar que se a almacenado en las plantas. También los carnívoros indirectamente están aprovechando la energía solar, al consumir otros animales.

En un organismo, la mayoría de las reacciones químicas ocurren dentro de las células. Cada célula de nuestro cuerpo puede compararse a una compleja fábrica química equipada para desarrollar cientos de reacciones diversas. En una célula hepática típica, rutinariamente se suceden más de 600 reacciones separadas. Para que estas reacciones sean posibles, a la velocidad que se necesita para sostener la vida, ellas necesariamente deben ser catalizadas. Esta función la realizan catalizadores biológicos, denominados enzimas. Los procesos metabólicos se desarrollan en una secuencia de etapas individuales, donde el producto de una reacción, pasa ser el substrato (reactante) de la siguiente.

Para ello las enzimas necesitan estar agrupadas en sistemas organizados, lo que permite que las moléculas vayan siendo procesadas en etapa tras etapa, como sucede en una correa transportadora en una fábrica.

Las células contienen en su interior varios pequeños órganos, llamados organelos, que desarrollan diversas funciones específicas. Uno de estos organelos son las mitocondrias, que están presentes en casi todas las moléculas.

Se trata de pequeños paquetes que contienen las enzimas necesarias para obtener la energía de los alimentos. Las enzimas están tanto dentro del espacio central de la mitocondria (matriz), como también unidas firmemente a la membrana interna de ella. Es en este organelo donde la célula produce la mayor parte de su energía, mediante los procesos de oxidación, que los biólogos llaman "respiración celular".

La oxidación siempre representa la pérdida de electrones, ya sea de moléculas, átomos o iónes. Esto se logra de dos formas: ya sea agregando oxígeno o retirando hidrógeno. El proceso se puede resumir simplemente como:

X ® + 1 electrón

Aquellos nutrientes en cuyas moléculas existe una alta proporción de hidrógeno con respecto al oxígeno, son más apropiados para perder electrones y así liberar más energía. Si poseen esta estructura ellas son una excelente fuente de energía. Así, por ejemplo, una molécula de grasa, como es el caso del ácido esteárico (C₁₇H₃₅COOH), tiene, una relación de hidrógeno a oxígeno (H:O) de 18:1. Al oxidar un gramo de ácido esteárico, se liberan 38 kilojoules de energía. La glucosa en cambio (C₆H₁₂O₆), que tiene una relación de Hidrógeno Oxígeno de 2 a 1, es parcialmente oxidada y puede liberar 17 kilojoules por gramo.

La reducción es lo opuesto de la oxidación. Se dice que las moléculas han sido reducidas, cuando aumentan el número de electrones que contienen, generalmente por la adición de hidrógeno o pérdida de oxígeno:

X⁺ + electrón^- -> X

Mientras la oxidación significa liberación de energía, la reducción requiere de un ingreso de energía. Un ejemplo de reducción en un sistema biológico, es la formación de moléculas complejas y largas a partir de pequeñas, como sucede y es necesario en el proceso de crecimiento. Este proceso requiere de energía, que es suministrada por la oxidación de otras moléculas.

La glucosa es una de las fuentes primarias de energía. Ella constituye el bloque básico del almidón y también de muchos azúcares que provienen de nuestra dieta. Su oxidación en el proceso de respiración celular, puede subdividirse en tres fases: a.- la Glicólisis; b.- el ciclo de Krebs y c.- el sistema de transporte de electrones.


Camino del poder

Ciclos y cadenas

La primera etapa de la oxidación es la glicólisis. En esta, la glucosa que es una molécula compuesta por seis carbones, se degrada a dos moléculas de tres carbones, que se llama piruvato. Para comenzar a echar a rodar la pelota, hay que previamente agregarle energía a la glucosa, para lograr que de este modo sea mas reactiva. Esto se logra mediante el agregado de dos grupos fosfato de alta energía, que provienen del adenosín-trifosfato (ATP). El ATP es el transportador universal de la energía de todas las células vivas. Juega un rol fundamental en todas las actividades que requieren de energía (fig. 2). Cuando los fosfatos de alta energía se han agregado, se activa la molécula de glucosa y ahora es capaz de dividirse en dos compuestos más pequeños. De esto se generan una serie de reacciones de oxidación, perdiendo hidrógeno y liberando energía para la formación de cuatro moléculas de ATP. El resultado final, es un par de moléculas de piruvato y una ganancia neta de dos moléculas de ATP.

En la mayor parte de los organismos, el camino que tomará el piruvato dependerá de que esté o no presente el oxígeno. La producción de energía en ausencia de oxígeno se ha llamado "respiración anaeróbica". Si el oxígeno no está disponible, no se puede extraer más energía de la glucosa y sólo habrá una ganancia neta de dos ATPs y cuatro átomos de hidrógeno. Para que la glicólisis continúe produciendo energía, los hidrógenos tienen que removerse, ya que de lo contrario se detiene la reacción. Los organismos unicelulares, como las levaduras, logran esto combinando cada átomo de hidrógeno con una molécula de piruvato, formando así alcohol (etanol) y dióxido de carbono. Esta reacción se llama "fermentación" y es la que se utiliza en la industria cervecera. Otra reacción que también se produce en ausencia de oxígeno, es la formación de "lactato". Ello puede ocurrir en tejidos musculares de animales, acumulándose en este tejido el lactato. Sin embargo, cuando esta acumulación es demasiada elevada, se producen fuertes dolores musculares conocidos como
calambres.

Tanto la producción de etanol como la de lactato, es una forma muy ineficiente de utilizar la glucosa. Así, por ejemplo, si una molécula de glucosa es completamente oxidada, se liberan 2.880 kilojouls de energía. Cada molécula de ATP produce 30.6 kilojouls y en la glicólisis solamente se ganan dos ATP (se producen cuatro, pero se utilizan dos para la activación de la glucosa) de modo que, disponibles para el organismo, quedan solo 61.2 kilojouls. Esto significa que en la respiración anaeróbica tienen sólo una eficiencia de 2:1.

Extraer el exceso de iónes hidrógeno, formando lactato en lugar de etanol, tiene la ventaja que tan pronto como el oxígeno este disponible, el lactato puede otra vez entrar al camino metabólico correcto y, de esta forma, avanzar en su oxidación liberando la energía que aún contienen.

Si en el proceso está presente el oxígeno, se puede obtener mucha mayor energía. Esto es lo que se llama "respiración aeróbica". En este caso el piruvato entra en un camino de reacciones químicas más complejas y después de muchas etapas los iones hidrógenos eventualmente se combinan con el oxígeno y llegan a formar agua. Con todo, el oxígeno sólo se requiere muy al final del proceso, pero sin él no hay forma de remover el hidrógeno y necesariamente el proceso se detiene.

Si el oxígeno está presente, continua la respiración celular en que cada molécula de piruvato se va transportando en el interior de la mitocondria y allí se convierte en dos moléculas de carbón-acetil, liberando un par de átomos de hidrógeno y dióxido de carbono. La molécula acetil puede ahora entrar a un ciclo de reacciones químicas, que se ha llamado "Ciclo de krebs", en honor a su descubridor alemán Hans krebs. Este camino de reacciones circulares, también se conoce como el "Ciclo Tricarboxilico" (TCA) o el "Ciclo del Ácido Cítrico", que es un intermediario químico que se va produciendo a lo largo de este proceso (Fig. 3).

El ciclo de Krebs transforma cada grupo acetilo en dos moléculas de dióxido de carbono, más cuatro pares de átomos de hidrógeno y suficiente energía como para construir dos moléculas más de ATP. Tanto los hidratos de carbono, como las grasas y algunos aminoácidos, se oxidan en el ciclo de krebs. Según sea el caso, cada uno entra en algún punto preciso del ciclo. Todo esto sucede dentro de la mitocondria, en cuyo interior las enzimas están colocadas en una secuencia precisa.

Aún cuando la glucosa es oxidada completamente en este ciclo, se logran sólo cuatro moléculas de ATP. La mayor parte de la energía se genera cuando en "el sistema de transporte de electrones", se producen los 24 átomos de hidrógeno provenientes de la oxidación de la glucosa (fig. 3).

Esta es la secuencia final de las reacciones y compromete a una serie de transportadores de hidrógeno y electrones, denominadas co-enzimas. En la primera etapa, los átomos de hidrógeno pasan del co-enzimo llamado nicotín adenín dinucleótido (NAD), a un segundo llamado flavin adenín dinucleótido (FAD). En este punto, cada átomo de hidrógeno se divide en un electrón y un ion hidrógeno (un protón). Los electrones continúan a través del resto de la correa transportadora de co-enzimos. Los protones se vuelven a juntar con los electrones para formar agua, una vez que han pasado a través de la cadena. La transferencia de electrones por etapa a través del sistema, permite a los electrones el ser empujados en la dirección opuesta, fuera de la matriz interna y a través de la membrana mitocondrial. La gran concentración de protones genera entre el interior y exterior de la membrana un "potencial de membrana". El potencial liberado en la medida que los protones vuelven dentro de la matriz de la mitocondria y se produce energía en forma de ATP.

Mediante este proceso ahora se han formado 38 moléculas de ATP, proveniente de la oxidación de cada molécula de glucosa, lo que representa una liberación de 1162,8 kilojouls, es decir el 40% de la energía encerrada en la molécula. La energía que se deriva del metabolismo, permite al animal desarrollar todos los procesos anabólicos que se requiere para el crecimiento, para la reparación de daños, para eliminar substancias de desgaste y producir substancias de secreción. La energía también se necesita para transportar substancias. Las membranas celulares están provistas de bombas que mueven iones y moléculas como la glucosa, desde un lado al otro de la membrana, contra una gradiente de concentración. Este proceso se llama "transporte activo". Así, por ejemplo, las células nerviosas consumen energía manteniendo una gradiente de concentración de iones en sus axones.

El músculo también necesita energía para lograr su concentración. En condiciones de descanso, el músculo utiliza ácidos grasos proveniente de las grasas como fuente de energía. En cambio, durante el ejercicio, que necesita más energía, va quebrando las moléculas de glicógeno que previamente ha almacenado en su interior habiéndolas tomado del torrente circulatorio. Con el ejercicio, inicialmente la glucosa de la sangre puede elevarse, ya que las células hepáticas entran a utilizar grandes cantidades de glicógeno, pero después de unos pocos minutos este se agota y la glucosa cae en sangre.


La demanda metabólica

Mantención del "status quo"

Deliberadamente, cierta cantidad de energía se utiliza solamente para producir calor. En un tipo de tejido graso, llamado "grasa parda" (es de este color por la gran cantidad de mitocondrias en su interior), el sistema de transporte de electrones esta "desacoplado". Esto significa que mientras los electrones están en libertad para pasar a lo largo de la serie de transportadores, sin embargo no se forman moléculas de ATP, y como resultado solamente se produce calor.

Los animales en conjunto, son bastante ineficientes en el uso de la energía, de modo que como promedio el 55% de toda la energía que contienen los alimentos, se pierde como calor. La cantidad de calor producido se puede utilizar como una medida de las reacciones químicas que se producen en el interior del cuerpo. Esto es lo que se llama el ritmo metabólico de un organismo.

Muchos factores influyen en este ritmo metabólico. Así, por ejemplo, tiende a disminuir con la edad, y los machos tienden a tener ritmos más altos que las hembras. El ayuno y el sueño, lo disminuyen. En cambio después de las comidas, cuando el alimento tiene que degradarse en el intestino, absorberse y utilizarse en la célula, este se incrementa hasta en un 15%. El ejercicio, la ansiedad y el stress, aumentan el ritmo metabólico. Estas situaciones llevan a que se eleve la hormona adrenalina, lo que acelera el ritmo al cual las células desarrollan las reacciones. Por otra parte, durante el stress, los músculos tienden a estar permanentemente tensos. Esto requiere también de energía y de este modo aumenta la cantidad de calor producida por el cuerpo.

Los biólogos han desarrollado el concepto de "ritmo de metabolismo basal" (BMR), para poder comparar a los distintos individuos y las distintas circunstancias. Esto constituye una medición de todas las reacciones químicas que se producen en un sujeto en determinadas condiciones: en estado de reposo, a la temperatura de la pieza y, por lo menos, después de ocho horas de haber ingerido alimento (prácticamente en ayunas).

La hormona tiroidea, que es producida por la glándula tiroides ubicada en el cuello, juega un rol muy importante en el control del metabolismo basal. Esta glándula secreta dos moléculas diferentes: la tiroxina (90%), y la triiodotironina (10%). Ambas moléculas estimulan la producción de proteínas (lo que incluye las enzimas) y, de este modo, aumentan la actividad química celular. También se sabe que estas hormonas estimulan la producción de nuevas mitocondrias en el interior de las células.

Cuando la glándula tiroides secreta una máxima cantidad de hormona tiroidea, el ritmo metabólico se duplica con relación a un ritmo normal. Por otra parte, una pérdida total de la secreción de la hormona tiroidea, reduce el metabolismo a la mitad. También el metabolismo varía según la latitud en que vivan las personas, pudiendo ser entre un 10 y 20% más bajo en las regiones tropicales, comparado con los que viven en regiones árticas. Las diferencias son producidas principalmente por cambios adaptativos de la glándula tiroides, que aumenta su secreción en los climas fríos (generando más calor) y la disminuye en los climas cálidos.

Si bien es cierto que las hormonas juegan un rol importante en la regulación el metabolismo, este también se regula a nivel celular. Es así como a este nivel, las reacciones enzimáticas son influenciadas por las concentraciones relativas de los substratos y los productos. Si el suministro del substrato esta disminuido, entonces el ritmo baja. También el ritmo decrece si los productos de la reacción se elevan. Esto es un ejemplo de una "retroalimentación negativa". Funcionan dos mecanismos principales: en primer término, la mayor parte de las reacciones bioquímicas son reversibles y pueden desarrollarse en cualquiera de las dos direcciones, dependiendo de la concentración del substrato y del producto. Si el producto se acumula, cambia el equilibrio, lo que lleva a que la reacción baje su ritmo, o que aún se vaya en sentido inverso. En segundo término, algunas enzimas son inhibidas activamente por sus propios productos de la reacción o por los producidos más adelante en el camino metabólico. De esta forma, si la concentración del producto aumenta, esto puede prevenir a las enzimas que catalizan una etapa más temprana del proceso.


Balance energético

Alimentos para el pensamiento

Estos dos tipos de retroalimentación negativa, son los que activamente regulan el ritmo de producción de ATP. Como ya hemos visto, la disponibilidad de oxígeno también determina el ritmo metabólico. Una falta de oxígeno, interviene en la última etapa del transporte de electrones, dificultando que el sistema se complete, lo que causa una acumulación de productos hasta el punto de una retroalimentación negativa.

La única forma de remediar este obstáculo, es hacer un "corto circuito" convirtiendo el piruvato en lactato o metanol. Si por otra parte, hay un sobre abastecimiento de moléculas de ATP, y estas no se están utilizando muy rápidamente, el mismo ATP inhibe activamente tres enzimas (hexoquinasa, fosfofructoquinasa y piruvato quinasa) que catalizan diversas etapas de la glicólisis. Esto impide que la glicólisis siga formando más moléculas de ATP.

De acuerdo a la primera ley de la termodinámica, que establece que la energía se conserva, toda la energía que contienen los alimentos que consumimos, debe gastarse en el proceso del crecimiento, la actividad física, el calor y el almacenamiento y excreta. De este modo, es posible medir toda la energía consumida por un animal y también ver como se utiliza.

Los animales no almacenan calor sólo por unas pocas horas. Si se puede medir el calor liberado por un animal en un período de 24 horas o más, en general se puede asumir que la cantidad de calor perdido por el animal, es igual a la cantidad producida por todas las reacciones químicas durante el mismo período. En el organismo, el calor se pierde por radiación, conducción y convección por la superficie del cuerpo. También se pierde por la evaporación del agua en la piel y por los pulmones. La determinación de estas pérdidas de calor, entregan un índice de todo el ritmo metabólico.

Los animales tienen que balancear la pérdida de energía, con la energía que ingieren. Para mantener un peso estable durante la vida, la ingesta y el gasto deben diferir en menos de 0.01%. Cualquier exceso persistente en la ingesta va a llevar a una acumulación de grasas, llegando hasta la obesidad. Por el contrario, una deficiencia lleva a una desnutrición y emaciación.

Obviamente hay etapas en la vida, como el embarazo y la adolescencia, en que se gana peso. Para que esto ocurra, la ingesta calórica tiene que ser superior a las necesidades que normalmente se requieren para mantener el organismo vivo, en crecimiento y equilibrado. También las madres que están amamantando a sus niños, necesitan más energía para producir la leche que, a su vez, va a alimentar al niño.
La mayor parte de los requerimientos de energía diaria, están destinados a mantener la función de nuestro cerebro. Es así como, aún en ayunas, los requerimientos energéticos del cerebro, dan cuenta del 70 a 80% de toda la glucosa que se usa. Esto es, ciertamente, alimento para el pensamiento.


Este artículo ha sido traducido de una publicación de Peter Moor, new scientist, enero 13, 1996.

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I.- El portador universal de la energía libre


El adenosin trifosfato (ATP) es un nucleotido consistente en una base de adenina, un azúcar de cinco carbones llamada ribosa y una línea de tres uniones de fosfato (Fig. 1). La energía se libera cuando cada uno de los fosfatos extremos se remueve. La energía liberada se usa en reacciones que la requieren, como son las síntesis de proteínas o la contracción muscular.

Mientras que el ATP sirve como el principal donador inmediato de energía libre, el no se usa para almacenarla (reserva energética). Como promedio, el ATP dura sólo un minuto. Cuando se rompe en ADP y un grupo fosfato, queda listo para reensamblarse y suministrar de nuevo energía. El reciclaje eficiente es vital, ya que como promedio, cada día en reposo un hombre adulto utiliza un total de 40 kilos de ATP. Durante el ejercicio intenso, aumenta la cifra a una cantidad de 0.5 kilos por minuto.

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II.- Calorimetría.

La medida de la energía

El método llamado "calorimetría directa", nos permite medir la cantidad total de calor perdida desde el cuerpo. Para ello el sujeto tiene que sentarse en una cámara aislada y allí el calor liberado por su cuerpo calienta el aire. Para medir este calentamiento se usan varios métodos. La pérdida de calor debida a la evaporación, se calcula determinando las diferencias en la humedad del aire que entra y sale de la cámara.

La cámara es cara, difícil de construir y más aún de manejarla. Afortunadamente, existe un método alternativo, conocido como "calorimetría indirecta". Para esto se aprovecha que los principales nutrientes que nos proporcionan la energía, son hidratos de carbono, grasas y proteínas. Para liberar su energía ellos tienen que ser oxidados, lo que consume oxígeno. En una dieta promedio, cuando se usa 1 litro de oxígeno, se liberan 20 kilojouls de energía. De este modo el metabolismo se puede calcular si se puede medir acuciosamente la cantidad de oxígeno utilizada por el organismo.

Recientemente, se ha desarrollado otro método que requiere de la administración de pequeñas cantidades de agua que contiene los isotopos, hidrógeno-2 (deuterio) y oxígeno 18, y se determina la velocidad en que ellos se pierden desde el organismo. El hidrógeno-2 se pierde sólo en el agua, mientras que el oxígeno-18 se pierde en el agua y el CO₂. Sin necesidad que la persona quede confinada a una cámara se puede calcular su ritmo metabólico calculando cuánto del oxígeno 18 perdido puede atribuirse a la producción de C0₂, comparándolo con la pérdida de hidrógeno-2.

Para diseñar una dieta apropiada es importante saber exactamente cuanta energía esta contenida en cada alimento. Esto se puede medir fácilmente, colocando una muestra dentro de una "bomba calorimétrica", que luego se llena con oxígeno presurizado. Una corriente eléctrica calcina la muestra y, en este proceso, se determina la cantidad de energía liberada.

Este procedimiento mide la cantidad total de energía que contiene la muestra. En realidad en el organismo no todas las moléculas pueden digerirse y, por lo tanto, no están disponibles para el proceso de oxidación. Así, por ejemplo, a menudo se dice que hay más energía en una caja que contiene cereales, que en el cereal mismo. Esto puede ser verdad, pero la energía que contiene la caja de cereales de nada nos sirve, ya que nuestro sistema digestivo no puede digerir la celulosa.

Para tener un completo conocimiento de cuanta energía que contiene el alimento puede ser usada por el animal, es también necesario saber cuanto se pierde por la orina y las deposiciones. Esto sólo puede hacerse recolectando la orina y deposiciones, para luego sacar una muestra de cada una y nuevamente usar la bomba calorimétrica para saber cuánta energía aun contienen.

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