Ud6 Metabolismo y energía by Patricia González

IES ILLA DE TAMBO DEP. DE BIOXEO ANATOMÍA APLICADA

1º BACHARELATO

UNIDAD DIDÁCTICA 6. METABOLISMO Y ENERGÍA El metabolismo es un conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en las células del cuerpo. El metabolismo transforma la energía que contienen los alimentos que ingerimos en el combustible que necesitamos para todo lo que hacemos, desde movernos hasta pensar o crecer. Proteínas específicas del cuerpo controlan las reacciones químicas del metabolismo, y todas esas reacciones químicas están coordinadas con otras funciones corporales. De hecho, en nuestros cuerpos tienen lugar miles de reacciones metabólicas simultáneamente, todas ellas reguladas por el organismo, que hacen posible que nuestras células estén sanas y funcionen correctamente. El metabolismo es un proceso constante. Si se detiene el metabolismo en un ser vivo, este muere. Después de ingerir un alimento, unas moléculas presentes en el sistema digestivo denominadas enzimas descomponen las proteínas en aminoácidos, las grasas en ácidos grasos y los hidratos de carbono en azúcares simples (como la glucosa). Aparte del azúcar, el cuerpo puede utilizar tanto los aminoácidos como los ácidos grasos como fuentes de energía cuando los necesita. Estos compuestos son absorbidos por la sangre, que es la encargada de transportarlos a las células. Una vez en el interior de las células, intervienen otras enzimas para acelerar o regular las reacciones químicas necesarias pata "metabolizar" esos compuestos. Durante este proceso, la energía procedente de los compuestos se puede liberar para que la utilice el cuerpo o bien almacenar en los tejidos corporales, sobre todo en el hígado, los músculos y la grasa corporal. De este modo, en el metabolismo intervienen simultáneamente dos tipos de actividades: la fabricación de tejidos corporales y la creación de reservas de energía, por un lado, y la descomposición de tejidos corporales y de reservas de energía para generar el combustible necesario para las funciones corporales, por el otro: 

El anabolismo, o metabolismo constructivo, consiste en fabricar y almacenar: es la base del crecimiento de nuevas células, el mantenimiento de los tejidos corporales y la creación de reservas de energía para uso futuro. Durante el anabolismo, moléculas simples y de tamaño reducido se modifican para 1

construir moléculas de hidratos de carbono, proteínas y grasas más complejas y de mayor tamaño.



El catabolismo, o metabolismo destructivo, es el proceso mediante el cual se produce la energía necesaria para todas las actividades. En este proceso, las células descomponen moléculas de gran tamaño (mayoritariamente de hidratos de carbono y grasas) para obtener energía. La energía producida, aparte de ser el combustible necesario para los procesos anabólicos, permite calentar el cuerpo, moverlo y contraer los músculos. Cuando descomponen compuestos químicos en sustancias más simples, los productos de desecho liberados en el proceso son eliminados al exterior a través de la piel, los riñones, los pulmones y los intestinos.

Varias hormonas fabricadas por el sistema endocrino se encargan de controlar la velocidad y el sentido (“ana” o “cata”) del metabolismo. La tiroxina, una hormona producida y segregada por la glándula tiroidea,

desempeña un papel fundamental en la determinación de la velocidad a la que se producen las reacciones químicas del metabolismo en el cuerpo de una persona. Otra glándula, el páncreas, secreta o segrega hormonas que ayudan a determinar si la principal actividad metabólica del cuerpo en un momento dado será anabólica o catabólica. Por ejemplo, después de una comida principal generalmente predomina el anabolismo sobre el catabolismo porque el hecho de comer aumenta la concentración de glucosa –el principal combustible del cuerpo- en sangre. El páncreas capta la mayor concentración de glucosa y libera la hormona insulina, que indica a las células que aumenten sus actividades anabólicas. Existen dos tipos de metabolismo, el aeróbico, que emplea el oxígeno para quemar la materia orgánica y obtener la energía, y el anaeróbico, que no usa el oxígeno y se emplea en ocasiones puntuales.

1. METABOLISMO CELULAR Nuestras células han de tomar sustancias químicas para: -

Fabricar sus propios componentes celulares. Sobre todo proteínas y lípidos de membrana. Obtener energía para el anabolismo, trasporte y movimiento.

Muchas veces la misma sustancia química puede servir para energía o como elemento estructural. Muchas moléculas pueden ser transformadas en otras moléculas útiles. En el medio intercelular siempre están los compuestos que necesitan las células. Esencialmente agua, sales, glucosa, ácidos grasos, oxígeno, y aminoácidos. Una célula no puede utilizar la energía de cualquier forma. La energía desprendida en la descomposición de las moléculas energéticas (glúcidos y lípidos) es almacenada en forma de un intermediario energético. Esta molécula se llama ATP (adenosín trifosfato). El ATP es un nucleótido de gran importancia en el

metabolismo, ya que actúa como molécula energética en las células de todos los seres vivos, por ser capaz de almacenar o ceder energía gracias a sus dos enlaces éster-fosfóricos. Es un nucleótido formado por adenina, ribosa y tres grupos fosfato unidos entre sí. La energía se encuentra almacenada en los enlaces entre los grupos fosfato de tal manera que cuando estos se rompen se libera energía que se utiliza en las reacciones químicas. Cuando el grupo fosfato del ATP se separa por hidrólisis (añadiendo agua y en presencia del enzima adecuado) se forma ADP (adenosín difosfato) y se libera energía: ATP + H2O →ADP + Pi + energía Puede ocurrir también que se liberen dos grupos fosfato, produciéndose AMP (adenosín monofosfato) y libera igual cantidad de energía: ATP + H2O →AMP + 2Pi + energía (Escribimos Pi para indicar grupo fosfato y no confundirlo con el elemento Fósforo, P) El proceso de síntesis del ATP está ligado al catabolismo y el de su utilización al anabolismo.

1.1

Respiración celular

Es el proceso anaeróbico más importante, y tiene lugar en las mitocondrias. Mediante la respiración la mayor parte de los seres vivos obtienen la energía de los nutrientes. La respiración celular utiliza como fuente de energía glucosa, procedente principalmente de la degradación del glucógeno, que se oxida a CO2 y H2O según la siguiente reacción:

El proceso de oxidación de la glucosa se realiza mediante una secuencia de reacciones que comienzan en el citoplasma y que acaban en la mitocondria produciendo una gran cantidad de ATP. 1.2

Fermentación

Proceso de obtención de energía de los nutrientes sin intervención del oxígeno. Es pues un proceso anaeróbico. Es un proceso más sencillo que la respiración, pero menos eficiente. Consiste en una degradación parcial de los nutrientes orgánicos obteniendo energía en forma de ATP y dando como productos finales compuestos orgánicos más simples que los iniciales. Un nutriente muy utilizado en la fermentación es la glucosa. Consta de varias reacciones, cada una catalizada por un enzima, que tienen lugar en el citoplasma celular. Existen dos tipos principales de fermentación: -

Fermentación alcohólica: característica de las levaduras (hongos unicelulares). Degradan la glucosa obteniendo ATP y dando como productos finales etanol y CO2. C6H12O6 →

2- CH3-CH2OH + 2CO2 + 2 ATP

Por cada molécula de glucosa degradada se obtienen sólo dos de ATP, en lugar de las 38 de la respiración. Esto es debido a que el etanol es un compuesto orgánico que todavía contiene gran cantidad de energía, que la levadura es incapaz de utilizar. El producto importante para la levadura es el ATP, cuya energía utilizan para su crecimiento y actividades vitales; el alcohol y el CO2 son productos de desecho, pero a los humanos nos resultan

muy útiles, y por eso llevamos miles de años utilizando levaduras y bacterias fermentadoras. -

Fermentación láctica : la realizan bacterias del género Lactobacillus y Streptococcus. Para ello descomponen lactosa (azúcar de la leche) en ácido láctico y se obtienen en el proceso dos moléculas de ATP. Los lactobacilos se encuentran en los productos lácteos e intervienen en la elaboración de derivados de la leche, como queso, yogur o cuajada. La fermentación también se produce en las células de nuestros músculos esqueléticos. El ATP se encuentra en el músculo en muy pequeñas cantidades y sólo proporciona energía suficiente para pequeñas contracciones. Si estas son de máxima intensidad, el ATP durará como máximo unos 5 segundos. Cuando este se agota, el músculo obtiene energía de un compuesto llamado fosfocreatina, que se encuentra también almacenado en el músculo, pero en cantidad cuatro o cinco veces superior a la del ATP. Por esta vía se obtiene ATP durante más tiempo, durante unos 20 segundos. Pero permite menor intensidad de trabajo. Ambos procesos se llevan a cabo en anaerobiosis (ausencia de oxígeno). Pero, ¿de dónde se obtiene el ATP a partir de los 20 segundos? En primer lugar, se utiliza la glucosa procedente del plasma sanguíneo, pero un vez que se agota, se usa la glucosa procedente de la hidrólisis del glucógeno. Así, durante una actividad física intensa no llega suficiente oxígeno a las células musculares, y éstas obtendrán su energía mediante fermentación, degradando la glucosa a ácido láctico en la siguiente reacción global: C6H12O6 + 2ADP + 2PO4

→ 2C3H6O3 (ácido láctico) + 2H2O + 2ATP

Hasta hace poco creíamos que la acumulación de ácido láctico en estas células era la causa de la fatiga muscular y también de las agujetas. Pero tras comprobar que personas que no producen ácido láctico también sufren fatiga y agujetas, se han planteado otras teorías, como que son causadas por microrroturas en el músculo, pero no se han comprobado.

METABOLISMO A NIVEL DE ORGANISMO

Requerimientos materiales y energéticos: Los requerimientos de materiales y energía varían en diferentes tejidos y órganos. Algunos órganos tienen un consumo importante y aproximadamente constante: sistema nervioso, tegumento, digestivo (renovación y absorción de sustancias), excretor. Otros tienen un consumo variable: músculos esqueléticos, corazón, glándulas (mamarias, sudoríparas ...)

Reservas: los tejidos pueden obtener materiales para su funcionamiento a partir de reservas. Algunas se acumulan en el propio tejido, otras lo hacen en órganos o tejidos especializados. Las células musculares tienen un alto y discontinuo consumo de energía. Almacenan glucógeno y gotas de lípidos. La grasa es la mayor reserva de energía del organismo. Se almacena principalmente en grasa subcutánea del tejido adiposo. El azúcar sobrante de la digestión se almacena en forma de glucógeno en hígado. El oxígeno es imprescindible para el metabolismo aerobio pero es difícil de acumular. Lo hace algo el músculo en forma de mioglobina.

Intercambio de sustancias entre órganos: determinados órganos exportan sustancias a otros que las acumulan, trasforman o consumen. El órgano más importante del cuerpo en el mantenimiento de los niveles de nutrientes es el hígado. La glucosa obtenida por el sistema digestivo se acumula en forma de glucógeno en hígado o músculo. Los lípidos obtenidos por el sistema digestivo se acumulan en tejido adiposo. El hígado exporta glucosa de sus reservas de glucógeno en caso de bajos niveles sanguíneos. El hígado puede trasformar el exceso de glucosa en ácidos grasos.

El músculo en metabolismo anaerobio produce ácido láctico que es trasportado al hígado donde se obtiene glucosa a partir de él. Los niveles de metabolitos en el medio interno se mantienen aproximadamente constantes gracias a diversas hormonas como la insulina y el glucagón que intervienen en los niveles de glucosa. Otras hormonas como la adrenalina aumentan los niveles de nutrientes energéticos para prepararnos en situaciones de estrés. El metabolismo normal de los nutrientes se modifica en casos de falta de alimentos. Primero se consumen las reservas de glucógeno en hígado. Posteriormente se consumen los triglicéridos del tejido adiposo (la mayor reserva energética del organismo). Por último se consumen las proteínas.

3. NECESIDADES ENERGÉTICAS DEL ORGANISMO -

Metabolismo basal: energía empleada en el mantenimiento de las funciones vitales básicas. Habitualmente 60-75% del consumo energético. Funcionamiento del sistema nervioso, mantenimiento del sistema circulatorio, renovación de tejidos: epidermis, epitelio digestivo, células sanguíneas ..., y mantenimiento de la temperatura corporal.

Efecto termógeno de la dieta: energía empleada para la digestión, absorción y metabolismo de los nutrientes. 6 - 10% del consumo energético total. Se produce desde minutos a horas tras la ingestión de alimento. Se encarga sistema digestivo e hígado.

Actividad física: los músculos en actividad consumen gran cantidad de energía y fuerzan a otros órganos a trabajar más y consumir a su vez energía. 15-30 % del consumo energético total habitual. Puede suponer más en actividades muy exigentes energéticamente. Consumo de musculatura esquelética y consumo de músculo cardiaco.

Tipo de metabolismo energético según la intensidad de la demanda: los tejidos y órganos con demanda constante de energía recurren al metabolismo aerobio de glucosa y ácidos grasos. Determinados órganos prefieren la glucosa (cerebro) mientras que otros metabolizan preferentemente ácidos grasos (músculo cardiaco). La mayoría puede variar el tipo de consumo dependiendo de la abundancia de glucosa o ácidos grasos. Los tejidos con demanda fluctuante, especialmente el músculo esquelético y en menor medida cerebro y otros órganos, pueden tener diferentes tipos de metabolismo energético según las necesidades. Con un funcionamiento habitual tienen un metabolismo aerobio con consumo de glucosa o ácidos grasos. En fuertes demandas utilizan otros tipos de metabolismo basados en reservas energéticas de rápida movilización aunque el rendimiento sea menor, como ya hemos explicado. La secuencia general es como sigue: 1) ATP celular. Se consume en pocos segundos. 2) Fosfocreatina. Es capaz de trasferir energía al ATP. Se consume en unos 2 a 7 segundos en ejercicio intenso y unos 15 segundos en moderado. Se recupera en unos 3 minutos de metabolismo aeróbico. 3) Metabolismo anaeróbico de la glucosa. Ruta metabólica rápida pero con poca obtención de energía. Se consume en 3-5 min en ejercicios moderados. Produce como residuo ácido láctico que ha de ser reconvertido en glucosa en hígado. Es habitual en los ejercicios musculares rápidos. 4) Metabolismo aeróbico. Es el que más energía produce pero es lento y requiere oxígeno además de glucosa, ácidos grasos o aminoácidos. En condiciones normales se metaboliza primero la glucosa del glucógeno de la célula y del medio extracelular con los aportes de oxígeno de mioglobina y medio intercelular. Posteriormente se consumen ácidos grasos del medio y reservas celulares. Sólo excepcionalmente se consumen aminoácidos de manera importante.

ADAPTACIONES METABÓLICAS AL EJERCICIO FÍSICO La actividad física supone un reto para el cuerpo humano, tanto a nivel orgánico como molecular, y ese reto es especialmente importante en relación con el suministro de energía a las células. Las reservas de energía acumuladas en forma de glucógeno de y grasas, y su liberación gradual en función de la demanda de energía, permiten la realización de ejercicios que no podrían llevarse a cabo sin ellas. El entrenamiento permite la adaptación del organismo para la obtención de un rendimiento máximo en las distintas modalidades deportivas. Algunas hormonas, como la adrenalina o la insulina, participan en la regulación del metabolismo celular, cuya complejidad exige la existencia de múltiples mecanismos de control y regulación. El conocimiento del metabolismo en relación con la práctica del deporte ha permitido mejorar el rendimiento de los deportistas.

4.1

METABOLISMO MUSCULAR Y DEPORTE Mediante el entrenamiento de fuerza se potencia el desarrollo de las fibras musculares rápidas o blancas, cuyo metabolismo es anaeróbico y depende en exclusiva de la fosfocreatina y de la degradación anaeróbica del glucógeno. El entrenamiento de resistencia favorece el desarrollo de las fibras musculares lentas o rojas, cuyo metabolismo fundamental es la respiración aerobia de la glucosa y de los ácidos grasos. En todas las fibras se llega a producir la fatiga, aunque aparece antes en las fibras rápidas, si bien esto depende del nivel de entrenamiento.

4.2

ENTRENAMIENTO AERÓBICO Y ANAERÓBICO

El entrenamiento mediante la práctica y repetición de un ejercicio físico, tiene como finalidad aumentar la resistencia y el rendimiento de la práctica deportiva a partir de procesos de adaptación. Durante un entrenamiento de intensidad creciente, la concentración de ácido láctico en sangre no es significativa hasta que comienza a aumentar rápidamente cuando se alcanza un determinado grado de intensidad, que se conoce como umbral de lactato, que depende de la capacidad de captación de oxígeno. Los deportistas que combinan el entrenamiento aeróbico, de resistencia, con el anaeróbico, de fuerza y potencia, tienen mayor capacidad para eliminar el lactato de la sangre en las horas posteriores al ejercicio. 4.3

HORMONAS Y METABOLISMO Destacan las siguientes hormonas:

Adrenalina: estimula la degradación del glucógeno y la glucolisis y activa la lipasa sensible a hormonas del tejido adiposo para liberar ácidos grasos.

Glucocorticoides: inducen la gluconeogénesis y la síntesis de glucógeno en el hígado.

Insulina: facilita el transporte de glucosa a los adipocitos para su transformación en triglicéridos.

Glucagón: inhibe la síntesis de glucógeno y favorece la movilización de triglicéridos en el tejido adiposo.

Tiroxina: provoca un aumento del metabolismo basal y de la liberación de calor.

4.4

AYUDAS ERGOGÉNICAS Y DOPAJE Las ayudas ergogénicas son suplementos que sirven para mejorar el rendimiento físico. Pueden ser nutricionales o farmacológicas. (Carnitina o vitamina E)

En el dopaje se consumen sustancias prohibidas que aumentan el rendimiento deportivo, con consecuencias generalmente graves para la salud. (Anabolizantes o EPO) 4.5

LA PÁJARA Se produce por el agotamiento del glucógeno muscular y hepático, acompañado en ocasiones de deshidratación, como consecuencia de una mala planificación de la nutrición antes y durante la prueba. El colapso se produce por un aporte deficiente de glucosa al cerebro.