TABLA PERIODICA

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LAS MATEMÁTICAS NOS INVADEN

lunes, 21 de noviembre de 2011

Adaptaciones metabólicas

Cerebro

Este órgano es uno de los más exigentes de nuestro cuerpo en cuanto a utilización de la glucosa sanguínea, la cual utiliza para que sus células generen grandes cantidades de ATP en el mantenimiento de los potenciales de membrana, imprescindibles para la transmisión de los impulsos nerviosos, así como en la síntesis de neurotransmisores y de otras sustancias. En condiciones normales el cerebro utiliza 60 % de toda la glucosa de un ser humano en reposo. Al día requiere unos 120 g de glucosa equivalente a 1760 KJ y es curioso que con mayor o menor actividad mental prácticamente esta cifra no varía. Para la entrada de la glucosa a las células del cerebro se requiere de la presencia en la membrana plasmática de estas células del transportador GLUT3 que tiene una Km muy baja de 1,6 mM, lo que significa que está saturado completamente a las concentraciones normales de glucosa en sangre de 5 mM. Es un órgano con un metabolismo aerobio predominante y requiere alrededor de 20 % de todo el oxígeno consumido por el ser humano. El cerebro no tiene reservas de combustibles importantes y por tanto el aporte de oxígeno y de glucosa por la sangre no puede interrumpirse. Sin embargo en un periodo de ayuno prolongado este órgano puede adaptarse a consumir cuerpos cetónicos como combustible principal en lugar de glucosa.

Los ácidos grasos no son combustibles para el cerebro porque normalmente circulan en el plasma unidos a la albúmina, y este complejo albúmina-ácidos grasos no puede atravesar la barrera hematoencefálica.

Músculo esquelético

El músculo esquelético puede utilizar diferentes combustibles como glucosa, ácidos grasos y cuerpos cetónicos. Este órgano puede presentar grandes diferencias en la demanda energética en dependencia a la actividad que realiza. En el músculo en reposo el principal combustible son los ácidos grasos, mientras que durante el ejercicio intenso y de corta duración la glucosa es la principal molécula combustible, que la puede obtener a partir de la degradación del propio glucógeno muscular. El glucógeno muscular, que constituye las tres cuartas partes de todo el glucógeno del ser humano, no puede suministrar glucosa a otros tejidos por el déficit en las células musculares de la enzima glucosa-6-fosfatasa.

Durante el ejercicio intenso el producto de la glucólisis anaerobia, el lactato, sí puede salir de las células musculares hacia la sangre, llegar al hígado, para convertirse en glucosa mediante la gluconeogénesis y regresar al músculo en forma de glucosa (ciclo de Cori, Fig. 12.1).

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Fig. 12.1. Ciclo de Cori.

También otro producto del metabolismo muscular es el aminoácido alanina, que se obtiene por transaminación del ácido pirúvico formado en la glucólisis. Este aminoácido puede llegar al hígado y convertirse allí en pirúvico de nuevo por transaminación, formar glucosa por la vía de la gluconeogénesis y regresar esta biomolécula al músculo por la sangre (Fig.12.2 ciclo de la alanina o de Cahill). Otro aminoácido que también exporta el músculo en gran cantidad es la glutamina, que pasa al intestino como combustible y preferentemente al riñón donde por acción de la enzima glutaminasa forma ácido glutámico y NH3, combinándose este último con los H+ excretados por el riñón para formar NH4+.

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Fig. 12.2. Ciclo de CahilL.

El músculo contiene también otra fuente de energía capaz de movilizarse en determinadas condiciones, que son sus propias proteínas. Sin embargo esto puede resultar peligroso para la salud humana, y normalmente, esa degradación se regula de manera tal que se reduzca al mínimo, excepto en etapas avanzadas del ayuno prolongado.

También el músculo contiene una reserva de energía importante en las moléculas que posee de fosfocreatina. Sin embargo esta reserva se agota muy rápido al cabo de algunos minutos de contracción muscular y debe reponerse, al igual que ocurre con el glucógeno muscular.

Corazón

A diferencia del músculo esquelético que puede tener un metabolismo aerobio y bajo ciertas condiciones anaerobio, el músculo cardíaco tiene un metabolismo predominantemente aerobio y prueba de ello es el número elevado de mitocondrias que se observan en sus células o fibras musculares. Otra diferencia importante es que el corazón prácticamente no tiene reservas de moléculas combustibles, ni de glucógeno ni de triacilgliceroles y solo una pequeña cantidad de fosfocreatina, por lo que debe recibir los combustibles de otros tejidos a través de la sangre. Este órgano utiliza como combustibles los ácidos grasos, la glucosa, el ácido láctico y los cuerpos cetónicos.

Tejido adiposo

El tejido adiposo es el principal depósito de triacilgliceroles, un depósito de combustible muy importante en el ser humano, pues los ácidos grasos que junto al glicerol forman esta molécula, cuando son liberados, transportados junto a la albúmina y degradados por el mecanismo de la b-oxidación en las células de muchos otros tejidos, rinden gran cantidad de energía metabólica útil en forma de ATP. Los triacilgliceroles almacenados en un adulto normal pueden dar al organismo una energía total equivalente a 565,000 KJ (565 MJ). Esta energía puede ser suficiente, si se considera que se requieren 10 MJ diarios, para mantener la vida un par de meses si no se presentan complicaciones metabólicas.

En los adipocitos se sintetizan y se degradan de forma continua triacilgliceroles, (Fig.12.3) procesos que son controlados, la síntesis por la hormona insulina, y la adrenalina y glucagón principalmente controlan la degradación por la estimulación de la lipasa hormona sensible mediante modificación covalente de esta enzima; también en el proceso de lipólisis, para la separación del tercer ácido graso interviene una monoacilglicerol lipasa que tiene gran actividad dentro de los adipocitos.

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Fig.12.3. Resumen de los procesos de lipógénesis y lipólisis en el adipocito.

Dos tipos de tejido adiposo pueden ser distinguidos por sus características macroscópicas, el tejido adiposo blanco y el pardo. Al microscopio la principal diferencia entre los dos es que, en el pardo, se observa en las células un contenido mayor de mitocondrias, las gotas de grasa almacenadas son múltiples y se aprecia una mayor vascularización, a lo que se debe su coloración característica. Ambos tienen la misma función de almacenar triacilgliceroles que pueden en otras condiciones metabólicas, ser degradados para suministrar ácidos grasos a otros tejidos y glicerol particularmente al hígado, para la síntesis de glucosa por medio de la gluconeogénesis. Además, el tejido adiposo pardo tiene una capacidad oxidativa mucho mayor y existe la posibilidad de que en las mitocondrias de estas células ocurra el desacoplamiento del transporte de electrones y la fosforilación oxidativa, lo cual da lugar a una gran liberación de energía en forma de calor. Este tejido tiene gran importancia en mamíferos que hibernan durante largos períodos en climas fríos pero no existen pruebas que demuestren para este tejido adiposo pardo una gran importancia en el ser humano, a no ser durante la etapa neonatal.

Para el almacenamiento de triacilgliceroles en el tejido adiposo se utilizan como fuentes, en primer lugar la glucosa sanguínea, que penetra en los adipocitos por acción de la hormona insulina, y una vez dentro de estas células da origen a la acetil-CoA , y a partir de este metabolito se sintetizan ácidos grasos, que conjuntamente con el glicerol-3-fosfato derivado de la fosfohidroxiacetona, reaccionan entre sí para formar los triacilgliceroles; aunque la fuente principal de ácidos grasos para la síntesis de tracilgliceroles en este tejido la constituyen los triacilgliceroles que viajan por la sangre con los quilomicrones y las VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad). Al llegar a los capilares del tejido adiposo los triacilgliceroles que son transportados por esas dos lipoproteínas, son hidrolizados por la lipasa lipoproteínica estimulada por la insulina y los ácidos grasos liberados ingresan al tejido adiposo.

Hígado

Una de las funciones importantes del hígado es la síntesis de moléculas combustibles para su utilización por otros órganos. El hígado es una localización importante para la síntesis de ácidos grasos y también sintetiza glucosa por la vía de la gluconeogénesis a partir del ácido láctico, el glicerol, la alanina y otros aminoácidos; capta la glucosa de la sangre cuando sus niveles son elevados, como ocurre después de la ingestión de glúcidos. En el citoplasma de los hepatocitos (Fig. 12.4), se almacena esta glucosa como glucógeno. La acción de captar la glucosa de la sangre se ve favorecida por la acción de una enzima propia del hígado, la glucoquinasa (hexoquinasa IV) que tiene una Km elevada y fosforila a la glucosa una vez que entra a la célula hepática. La acumulación de la glucosa-6-fosfato dentro de la célula activa a la forma b (forma fosforilada y menos activa) de la glucogéno sintetasa y por otro lado favorece la conversión de la glucógeno fosforilasa a (forma fosforilada y más activa) en la forma b (no fosforilada y menos activa) estimulándose de tal manera la síntesis de glucógeno por estas acciones.

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Fig.12.4. Microfotografía de células hepáticas.

El hígado es además un órgano formador de cuerpos cetónicos; también de urea y de otros compuestos nitrogenados de bajo peso molecular.

Para satisfacer sus necesidades energéticas, el hígado puede utilizar diversos combustibles como la glucosa, los ácidos grasos y los aminoácidos.

Riñón

Su función principal es la producción de orina, en la que se excretan los productos de desecho del metabolismo. Además el riñón contribuye de manera muy importante al mantenimiento del equilibrio hidromineral y ácido-básico del organismo del ser humano. Aproximadamente 160 a 200 L se filtran desde el plasma hacia el glomérulo cada día, pero solo entre 1 y 2 L de orina se producen, lo que indica que hay un mecanismo de reabsorción de las sustancias filtradas muy importante y para este trabajo los riñones requieren una gran cantidad de energía. Los riñones consumen (por ejemplo) aproximadamente 10 % de todo el oxígeno que diariamente requiere una persona, a pesar de representar solo 0,5 % del peso corporal. Los riñones tienen una parte más externa, donde se encuentran la mayor parte de los glomérulos y donde existe un predominio de metabolismo aerobio; en esta región se lleva a cabo la glucólisis aerobia, el catabolismo de ácidos grasos y de cuerpos cetónicos para el suministro de energía metabólica; la región más central denominada la médula renal obtiene su energía del metabolismo anaerobio de la glucosa. Durante el ayuno los riñones también pueden ser un sitio importante de gluconeogénesis y pueden contribuir al suministro de glucosa sanguínea.

Adaptaciones metabólicas en el ayuno

El ayuno durante algunas horas es una situación fisiológica en el ser humano, porque como otros mamíferos el ser humano ingiere alimentos, y se encuentra bien adaptado a eso, cada cierto periodo de tiempo. La respuesta al ayuno más prolongado de días o semanas ocasiona un grupo de cambios metabólicos de adaptación, que pueden culminar con la muerte si la no ingestión de sustratos combustibles llega a producir cambios metabólicos muy drásticos.

Primero analizaremos la situación cíclica fisiológica que se presenta en el metabolismo después de una comida nocturna-ayuno durante la noche-desayuno en la mañana

1.

El estado metabólico posabsortivo o posprandial (después de una comida nocturna por ejemplo).

Después de una comida balanceada la glucosa y los aminoácidos se transportan desde la luz intestinal hasta la sangre; los triacilgliceroles de la dieta se digieren, se absorben los ácidos grasos y el glicerol, y dentro de las células intestinales se forman los quilomicrones que posteriormente mediante los vasos linfáticos llegan también a la sangre, y por medio de esta hasta el tejido adiposo, donde los triacilgliceroles son hidrolizados por la lipasa lipoproteínica, y los ácidos grasos entran al adipocito para la resintesis de triacilgliceroles (Fig.12.3).

La secreción de insulina por las células beta del páncreas se estimula por las cantidades elevadas de glucosa sanguínea y estímulos parasimpáticos, a la vez que paralelamente se frena la secreción del glucagón. En estas condiciones se favorece la captación de glucosa por el hígado, se estimula la síntesis de glucógeno y se disminuye la degradación de este polisacárido; además se frena la gluconeogénesis. Por otro lado la insulina incrementa la actividad de la acetil-CoA carboxilasa en el hígado con lo cual se acelera la síntesis de ácidos grasos en este órgano, así como la síntesis de VLDL y el transporte de estas lipoproteínas hacia el tejido adiposo. En el tejido adiposo la insulina estimula la entrada de la glucosa, la síntesis de acetil-CoA y ácidos grasos, y las concentraciones elevadas de intermediarios de la vía glucolítica y de ácidos grasos favorecen a su vez la síntesis de triacilgliceroles, es decir la lipogénesis. En el músculo la insulina permite la entrada de la glucosa, estimula la síntesis de glucógeno, y la entrada de aminoácidos ramificados como la valina, leucina e isoleucina, a la vez que incrementa la síntesis de proteínas. Como se puede apreciar en este estado posprandial se favorece el depósito de moléculas combustibles y la síntesis de proteínas.

2.

Ayuno nocturno de algunas horas de duración.

Varias horas después de la ingestión de alimentos, las concentraciones de glucosa en sangre empiezan a disminuir y los procesos metabólicos descritos arriba se invierten. La secreción de insulina disminuye y la de glucagón aumenta. Esta última hormona promueve la degradación del glucógeno hepático (glucogenólisis) a través de mecanismos donde se activa la glucógeno fosforilasa y se inactiva la glucógeno sintasa.

También se activa la degradación de los triacilgliceroles almacenados en el tejido adiposo por acción de la lipasa hormona sensible y son transportados a la sangre los ácidos grasos y el glicerol; los ácidos grasos alcanzan muchos tejidos para ser utilizados como combustibles y el glicerol pasa al hígado como alimentador de la vía de la gluconeogénesis. A la vez la disminución de insulina reduce el consumo de glucosa por el músculo, el hígado y el tejido adiposo. Se activa la gluconeogénesis en el hígado a partir del glicerol derivado del tejido adiposo, y de ácido láctico y aminoácidos como la alanina provenientes del músculo. Disminuye la glucólisis por disminución de la fructosa 2,6-bisfosfato, y la glucosa finalmente tiende a aumentar en sangre para utilizarse por el cerebro. Un dibujo esquemático de estos cambios se muestra en la figura 12.5.

El glucagón elevado promueve que la acetil-CoA carboxilasa pase a su forma inactiva fosforilada y por eso la síntesis de ácidos grasos en el hígado disminuye. El hígado y el músculo utilizan preferentemente como combustibles a los ácidos grasos cuando las concentraciones de glucosa sanguínea descienden durante estas horas de ayuno.



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Fig. 12.5. Patrón metabólico después de un ayuno nocturno.

3.

Ingestión de alimentos en el desayuno.

La relación insulina/glucagón se incrementa. Las grasas son procesadas como en la primera etapa. La glucosa ingerida se utiliza entonces para reabastecer al hígado de glucógeno y otra parte, después de cierto tiempo se utiliza como combustible del propio hígado y sobre todo para la síntesis de ácidos grasos. La glucosa entra en el músculo y en el tejido adiposo por acción de la insulina.

Pero supongamos que una persona no puede ingerir ningún alimento durante varios días, o sea se encuentra en un estado de inanición. En esa situación ¿qué cambios metabólicos ocurren?

Teniendo en cuenta que una persona requiere una cantidad de energía diariamente equivalente a 10 MJ, y analizando los datos de la tabla 12.1 se puede deducir que las reservas de glucógeno solo alcanzan para unas cuantas horas, pero las reservas de grasas y proteínas pueden alcanzar para varias semanas. Sin embargo una de las prioridades del metabolismo en esas condiciones es mantener las concentraciones de glucosa sanguínea por encima de 3 mmol/L, para el funcionamiento del cerebro y también de otras células como los eritrocitos y las células de la médula suprarrenal que dependen únicamente de este combustible. ¿Cómo se realiza esta adaptación metabólica?

En los primeros días de ayuno la lipólisis se incrementa y la gluconeogénesis hepática es el proceso que tiende a mantener las cantidades de glucosa sanguínea , pero como los intermediarios del ciclo de Krebs como el oxalacético empiezan a escasear, y el glicerol proveniente de la lipólisis no es suficiente tampoco para mantener esta vía muy activa, entonces la única fuente importante para la gluconeogénesis son los aminoácidos derivados del catabolismo de proteínas de recambio alto como las del epitelio intestinal, secreciones, y las proteínas musculares. De esta manera en particular la proteolisis muscular se acelera durante los primeros días de inanición. Durante este período el hígado y el músculo pasan a utilizar ácidos grasos como principales moléculas combustibles.

Debido a que se ha activado la degradación de las grasas por una elevada relación glucagón/insulina y la cantidad de ácido oxalacético disponible para el ciclo de Krebs es escasa, se acumula acetil-CoA y empiezan a formarse cuerpos cetónicos en el hígado (Fig. 12.6 y 12.7) que pasan posteriormente a la sangre y empiezan a ser utilizados por otros tejidos y órganos como el cerebro. De esta manera el cerebro se adapta a las concentraciones algo reducidas de glucosa sanguínea mediante la utilización progresiva de mayor cantidad de cuerpos cetónicos como moléculas combustibles alternativas. Al final de la tercera semana de ayuno total las cifras de cuerpos cetónicos por ejemplo alcanzan la cifra de 6 a 7 mmol/L en comparación con las cifras que normalmente se pueden encontrar en sangre de 0,2 mmol/L.

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Fig. 12.6. Esquema de la formación de los cuerpos cetónicos. Cuando en el ayuno la gluconeogénesis está aumentada, la glucolisis deprimida, y la lipólisis aumentada se acumula la acetil-CoA y una parte importante de estas moléculas se derivan hacia la formación de cuerpos cetónicos en el hígado.

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Fig.12.7. Variación de las concentraciones de glucosa, cuerpos cetónicos y ácidos grasos en plasma sanguíneo durante los primeros días de ayuno.

Esta tendencia se mantiene durante todo el período de ayuno prolongado y así al tercer día el cerebro obtiene una tercera parte de su energía a partir de los cuerpos cetónicos, pero al llegar al día 40 ese uso se incrementa hasta las dos terceras partes. Esta adaptación reduce la necesidad de la gluconeogénesis y evita la movilización de las proteínas musculares. Al tercer día de ayuno se catabolizan aproximadamente 75g de proteínas musculares y sin embargo en el día 40 unos 20g diarios. Un cambio hormonal importante que se produce en el ayuno prolongado es la disminución en la secreción de hormonas tiroideas, particularmente de T3, con lo cual disminuye el metabolismo basal y el consumo de O2 del organismo.

Estas alteraciones metabólicas que se producen durante el ayuno muy prolongado comprometen la capacidad del organismo de responder a otras situaciones de estrés, el frío extremo o las infecciones, además de que la gran formación de cuerpos cetónicos y su presencia en sangre (hipercetonemia) pueden dar lugar a un estado de acidosis metabólica severa, y todo lo anterior ocasionar daños que pueden conducir a la muerte de la persona. También se debe tener en cuenta que en la etapa final de agotamiento de las reservas de grasas, se produce entonces una nueva utilización muy marcada en este caso de proteínas musculares, y de otros órganos como el hígado, los riñones y el corazón con graves afectaciones funcionales de estos.

Tabla 12.2. Estado relativo de los procesos metabólicos en las distintas etapas de un ayuno total de varias semanas de duración.

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Adaptaciones metabólicas en el ejercicio físico

La inanición o ayuno total es una situación de estrés metabólico donde se produce una adaptación gradual del organismo, sin embargo el ejercicio físico se diferencia de la anterior en que los cambios metabólicos deben producirse en un corto tiempo para permitir una rápida adaptación del organismo. Por ejemplo en una carrera de 100 metros planos la vía glucolítica de estos corredores incrementa su velocidad unas 1000 veces en menos de 1 s; y en otras carreras (Fig. 12.8) se produce un incremento menor, pero aún así de varias veces la velocidad que tiene esta vía en condiciones de reposo.

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Fig12.8. Alberto Juantorena, doble campeón olímpico cubano en Montreal 1976.

El ejercicio se inicia por una decisión de nuestro cerebro. Nosotros decidimos cuando contraer nuestros músculos en una forma particular y con una intensidad determinada. Se activan los nervios somáticos y viajan así impulsos nerviosos hasta el músculo para iniciar la contracción. En la terminal nerviosa se libera acetilcolina la cual se une a receptores de la placa neuromuscular y se inicia así la despolarización de toda la membrana plasmática o sarcolema de la fibra muscular; esto da lugar a la liberación de Ca2+ del retículo sarcoplásmico y estos iones se unen a la troponina C, con lo que se da inicio al deslizamiento de los filamentos de actina y miosina con consumo de ATP para llevar a cabo el acortamiento de las fibras musculares. El Ca2+ liberado es también un activador de la glucogenofosforilasa b, para convertirla en la forma activa o glucógenofosforilasa a, iniciándose así la degradación del glucógeno muscular. Paralelamente durante el ejercicio se incrementan en sangre las concentraciones de la hormona adrenalina, liberada en sangre por la médula suprarrenal y también liberada en las terminales de nervios simpáticos como los que inervan el corazón (Fig. 12.9); al unirse la adrenalina a receptores adrenérgicos de las fibras musculares, activan la enzima adenilciclasa, se forma AMP cíclico y se activa la proteina quinasa A, la cual inicia la modificación covalente de una cascada enzimática que termina convirtiendo la glucogenofosforilasa b, en glucogenofosforilasa a, y la degradación del glucógeno. También se ha reportado que en un ejercicio de más de 30 min los niveles de hormona del crecimiento y cortisol también se incrementan. Estas hormonas, además de la adrenalina, estimulan también la lipólisis. Con respecto a la insulina, sus concentraciones disminuyen ligeramente por la inervación simpática.

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Fig. 12.9. Regulación coordinada de la contracción muscular y la glucogenólisis.
AC: Adenilciclasa
R: Receptor adrenérgico

Para medir la intensidad del ejercicio se utiliza el joule, abreviado J (fuerza por espacio recorrido) como expresión de cantidad de trabajo realizado y el watt, abreviado W como índice de la potencia (trabajo/unidad de tiempo). Así por ejemplo un ejercicio de 65 W se considera un ejercicio ligero; uno de 130 W moderado y de 200 W intenso. Alternativamente se puede medir el gasto energético total del organismo teniendo en cuenta que además de la energía gastada en el ejercicio, otra parte de la energía se disipa en forma de calor, ya que el cuerpo humano tiene una eficiencia de solo 25 % al convertir la energía en trabajo, aunque esta eficiencia es más alta que la de las máquinas creadas por el hombre. De esta manera se utiliza para medir el gasto energético total la unidad de tasa metabólica basal (TMB) que equivale aproximadamente en un hombre adulto normal a 4,8 KJ/min y en una mujer a 3,8 KJ/min. En la siguiente tabla se muestran los valores en TMB de diferentes actividades y ejercicios. El trabajo externo realizado en estas actividades será 25 % aproximadamente de los valores que se muestran en la tabla 12. 3. Si un hombre adulto duerme 8 horas por ejemplo, la cantidad de energía gastada en esa actividad será igual a:

8 h x 60 min x 4.8 KJ/min x 0,9 = 2073

es decir, 6 KJ (o 496 Kcal ya que 1 Kcal = 4,18 KJ)

Así sumando las distintas actividades por el tiempo que se realizan es posible estimar el gasto energético total de una persona al día.

Tabla 12.3. Gasto energético relativo de varias actividades.

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Es importante considerar que existen 2 tipos de ejercicios físicos, anaeróbico y aeróbico, debido a esto, se describen los cambios metabólicos que tienen lugar en dependencia del tipo de ejercicio que se realice a continuación.

Cambios metabólicos en el ejercicio anaeróbico

El ejercicio anaeróbico como el de un sprinter o corredor de 100 m planos (Fig. 12.10), o de un levantador de pesas, es de corta duración pero demanda una gran fuerza y depende de la actividad de las fibras musculares rápidas, blancas, o tipo II. Estas fibras tienen poco contenido de mitocondrias y de mioglobina y una gran actividad de las enzimas que participan en la glucogenólisis.

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Fig. 12.10. Dibujo de unos corredores en un ánfora griega del siglo VI a.n.e.

Hay que tener en cuenta que la concentración de ATP en el músculo disminuye rápidamente con las primeras contracciones musculares, y que la fosfocreatina puede formar una cantidad de ATP adicional, pero aún así cuando se inicia una carrera rápida esas biomóleculas duran para mantener una máxima velocidad solo 5 o 6 s. Se ha determinado que en los primeros segundos las cantidades de ATP caen de 5,2 a 3,7 mmol/L en las células o fibras musculares y el de fosfocreatina de 9,1 a 2,6 mmol/L. El músculo debe utilizar entonces otra fuente energética: la glucogenólisis muscular que forma glucosa 6-fosfato, la cual se degrada por la glucólisis anaerobia con producción rápida de 2 moles de ATP por cada mol de glucosa, y también de ácido láctico. La glucólisis se acelera porque se activa la enzima fosfofructoquinasa que es la enzima alostérica principal que controla esta vía y que se estimula cuando la relación ATP/ AMP disminuye, condición que ocurre rápidamente al iniciarse un ejercicio de gran intensidad.

El ácido láctico formado en la glucólisis se eleva en la sangre de 1,6 hasta 8,3 mM con lo que el pH de la sangre puede descender. El ácido láctico es utilizado por el hígado para convertirlo en glucosa y esta glucosa regresa al músculo como combustible (ciclo de Cori Fig.12.1).

Cambios metabólicos en el ejercicio aeróbico

Una característica del ejercicio aeróbico es que se puede mantener por largos periodos de tiempo, debido a la utilización de combustibles no solo del músculo, y que ocurre con utilización del oxígeno para completar la oxidación total en la célula de las moléculas combustibles (Fig. 12.11). En este tipo de ejercicio están implicadas las fibras musculares tipo I o fibras rojas de velocidad de contracción lenta, con alto contenido de mioglobina, con mayor número de mitocondrias, mayor riego de vasos capilares y más actividad de la lipasa lipoproteínica en estos capilares, todo lo cual refleja las posibilidades de un mayor metabolismo aeróbico y consumo de ácidos grasos como combustibles.

Un corredor por ejemplo de 1000 m planos obtiene una gran cantidad de ATP de la fosforilación oxidativa y como la velocidad de este proceso es menor que el de la glucólisis anaerobia por eso también el paso durante la carrera es necesariamente más lento. Un corredor de mayores distancias como el de maratón (42,2 Km) además del glucógeno muscular utiliza el del hígado y los ácidos grasos del tejido adiposo. En esta carrera la relación glucagón/insulina se eleva por disminución de la glucosa sanguínea y esto tiende a producir un incremento de la lipólisis que permite entonces utilizar los ácidos grasos del tejido adiposo como combustible. Cuando estos corredores comienzan a utilizar en mayor medida los ácidos grasos como moléculas combustibles, disminuye entonces la utilización de la glucosa como principal combustible. Sin duda la simultánea oxidación de glucosa y ácidos grasos permite un ejercicio de mayor intensidad y de más larga duración. Una fuente también de energía pero solo en ejercicios de muy larga duración e intensos son los aminoácidos, cuyas cadenas carbonadas también pueden aportar energía en el músculo. Por transaminación el músculo libera alanina a la sangre, que puede ser reconvertida en ácido pirúvico en el hígado y de ahí por la gluconeogénesis en glucosa que regresa al músculo como combustible (ciclo de la alanina o de Cahill, Fig. 12.2).

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Fig. 12.11. Principales fuentes energéticas en el ejercicio, en dependencia de su duración.

En general, cualquier tipo de ejercicio, realizado con regularidad y con un entrenamiento progresivo se ha demostrado que puede beneficiar la salud de las personas. En la tabla 12.4 se muestran algunos cambios favorables que se producen. Debe recordarse que el ejercicio aunque beneficioso, debe realizarse en las edades avanzadas con moderación y siempre considerando la presencia o no de determinadas enfermedades, que puedan limitar la realización de algunos tipos de ejercicios de fuerza o intensidad más allá de las posibilidades reales del sujeto.

Tabla 12.4. Cambios favorables que ocurren con el ejercicio sistemático en el ser humano

Cardiovasculares y del organismo completo

Aumento del gasto cardíaco
Mejoría de la función respiratoria
Incremento de la masa muscular
Disminución de la grasa corporal
Incremento de la fortaleza ósea

Cambios estructurales en el músculo

Aumento de la densidad de capilares
Incremento del número de mitocondrias
Incremento del tamaño de las mitocondrias
Aumento de la concentración de mioglobina

Cambios metabólicos en el músculo

Aumento en la traslocación del GLUT4
Aumento de la sensibilidad a la insulina
Incremento de la actividad de la lipasa lipoproteínica
Aumento de actividad de enzimas oxidativas en mitocondrias
Incremento de actividad de la glucógeno sintetasa

Adaptaciones metabólicas en la diabetes mellitus

La diabetes mellitus es una enfermedad metabólica crónica, o como algunos autores consideran, una familia de enfermedades que se caracterizan por una hiperglucemia que es consecuencia de un defecto en la secreción de insulina, o en el efecto sobre las células diana de esta hormona o de ambos defectos. Las primeras descripciones de la diabetes mellitus en unos papiros egipcios datan del año 1500 a.n.e.

Diabetes es una palabra derivada del idioma griego que significa sifón y mellitus significa "dulce como la miel". Se distinguen 2 tipos principales de esta enfermedad, la diabetes tipo 1 (anteriormente conocida como diabetes dependiente de la insulina o también diabetes juvenil) que se inicia en edades tempranas de la vida. La diabetes tipo 1 puede ser causada por fenómenos de autoinmunidad que destruyen las células beta, localizadas hacia el centro de los islotes de Langerhans del páncreas (Fig. 12.12) y se debe a defectos genéticos que conllevan a la síntesis de una hormona defectuosa, afectación en el proceso de síntesis o en la secreción de insulina o defectos en los receptores de esta hormona . Como es usual en las proteínas de secreción la insulina se sintetiza en estas células en forma de un precursor, la preproinsulina, el cual en el interior del retículo endoplasmático se convierte en proinsulina después de la separación del péptido señal y la formación de puentes disulfuro. La proinsulina llega al aparato de Golgi y ahí es empaquetada en vesículas secretorias; tras el rompimiento del péptido C se forma la insulina madura, que se almacena en forma de hexámeros hasta su liberación.

Las células alfa que también se encuentran en estos islotes o unidades endocrinas del páncreas, pero localizadas hacia la periferia, secretan la hormona glucagón.

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Fig. 12.12. Vista microscópica de un islote pancreático, rodeado de tejido exocrino.

Otro tipo de diabetes mellitus, la más común con una prevalencia cercana a 2 % de la población mundial, y conocida como diabetes tipo 2 (anteriormente diabetes del adulto o diabetes no insulina dependiente) aparece en edades más avanzadas, generalmente por encima de los 40 años y el defecto consiste en una resistencia a la insulina en los tejidos periféricos, con defecto casi siempre posterior a la secreción de la hormona. La obesidad se menciona cada vez más en la actualidad como una causa muy importante que predispone a este tipo de diabetes. Como en muchos de estos enfermos existe una secreción parcial de insulina, puede no ser necesario la administración de esta hormona y solo con un control dietético, con ejercicios físicos y con una corrección del peso corporal se logran resultados muy satisfactorios; en algunos otros individuos puede ser necesaria la administración de drogas que estimulan la secreción y liberación de insulina por el páncreas o pueden tener necesidad de insulina después de algunos años de evolución.

Los síntomas más frecuentes de la diabetes mellitus son la sed, poliuria (micciones frecuentes y abundantes) y la pérdida de peso.

El diagnóstico de diabetes mellitus se realiza cuando al menos se comprueba una de estas alteraciones:

  1. Sintomatología del paciente y glucemia mayor que 11,0 mmol /L en cualquier momento del día.
  2. Glucemia en ayunas mayor que 7,0 mmol/L .
  3. Glucemia mayor que 11,1 mmol/L después de 2 h en una prueba de tolerancia oral de la glucosa (PTG) con la ingestión en ayunas de 75 g de glucosa.

En realidad la diabetes mellitus no es solo una enfermedad del metabolismo de los glúcidos, ya que también se producen alteraciones metabólicas muy importantes del metabolismo de los lípidos y las proteínas como se demuestra a continuación.

Cambios metabólicos en la diabetes mellitus

En el ayuno prolongado, la utilización de la glucosa es muy baja debido a que los suministros de glucosa a las células tienden a ser menores. Por otro lado en la diabetes mellitus también la utilización de la glucosa se encuentra disminuida aunque la causa sea otra, el déficit de acción de la insulina, y la glucosa por lo tanto en sangre se encuentra elevada. Por esta razón el ayuno prolongado y la diabetes mellitus se parecen en los cambios metabólicos que se producen, y algunos autores han calificado este estado metabólico "como el hambre en medio de la abundancia". La no utilización de la glucosa por las células adiposa y muscular, ya que estos tejidos presentan GLUT 4 que precisan de la insulina para permitir la entrada de glucosa a los mismos, con la elevación del glucagón se determina una mayor actividad de la glucogenólisis hepática y también de la lipólisis tal como ocurre también en el ayuno.

Las concentraciones excesivas de glucosa en la sangre y todos los líquidos corporales, que a veces rebasan la cifra de 20 mmol/L, generan sin embargo otros problemas metabólicos muy diferentes a los de la inanición. A concentraciones de glucosa superiores a 10 mmol/L el riñón no es capaz de reabsorber toda la glucosa filtrada y una parte importante de este metabolito se pierde por la orina (por eso el nombre de mellitus), con un exceso de agua por fenómenos osmóticos. De hecho uno de los primeros síntomas de la diabetes mellitus son la micción excesiva y el exceso de sed.

Las células hepáticas en los pacientes diabéticos intentan generar más glucosa y liberarla hacia la sangre, lo cual por supuesto agrava más la hiperglucemia, mediante la activación de la gluconeogénesis por el glucagón, y utilizando como sustratos alimentadores principales de esta vía el glicerol que llega al hígado desde el tejido adiposo y los aminoácidos procedentes del catabolismo de las proteínas musculares. Por la razón de que la glucosa no puede utilizarse para volver a sintetizar algunos aminoácidos no esenciales y ácidos grasos los diabéticos pierden peso. También pueden perder peso los diabéticos por, la lipólisis incrementada. Una mayor producción hepática de VLDL y la deficiente activación de la lipasa lipoproteínica por carencia de insulina determina que no se puedan metabolizar adecuadamente los triacilgliceroles de los quilomicrones y las VLDL, con lo cual se incrementan además de estas lipoproteínas, las LDL y los quilomicrones remanentes, todo lo cual puede favorecer los procesos de aterosclerosis en estos pacientes.

La beta-oxidación de los ácidos grasos se incrementa en muchas células con la consiguiente generación y acumulación de acetil-CoA, pero en el hígado en particular la oxidación de este metabolito en el ciclo de Krebs disminuye porque escasea el ácido oxalacético y se acumulan cofactores reducidos, lo que determina que una gran parte de la acetil-CoA se derive hacia la formación de cuerpos cetónicos (Fig. 12.6), que de una concentración en sangre menor que 0,2 mmol/L pueden elevarse hasta 20 mmol/L.

Se produce de esta manera un desequilibrio entre los procesos de cetogénesis hepática y cetolisis de los tejidos periféricos y estos ácidos orgánicos, que se acumulan en sangre (hipercetonemia) mucho más que en el ayuno, pueden reducir el pH de la sangre que pasa de un valor normal de 7,35 a 7,45 hasta un valor de 6,8 o inferior, e instalarse en estos enfermos todo el cuadro clínico de la acidosis metabólica. La descarboxilación del ácido acetoacético que se estimula a pH bajo, produce acetona, cuyo olor puede detectarse en el aliento de estas personas en situaciones de descontrol grave. El peligro es que muchos de estos pacientes por el cuadro de acidosis metabólica y en general de descompensación metabólica pierden el conocimiento y llegan a los servicios de urgencia en coma, que puede ser confundido con un estado de embriaguez por el aliento y cometerse entonces errores graves en la terapeútica. Los cuerpos cetónicos también se excretan en grandes cantidades por la orina (cetonuria). A la tríada de hipercetonemia, aliento cetónico y cetonuria se le denomina estado de cetosis, complicación temprana frecuente en el paciente diabético.

Complicaciones de la diabetes mellitus

Las complicaciones a largo plazo de la diabetes mellitus se producen en la microcirculación y en la macrocirculación. En el primer caso estos cambios producen daños a nivel de muchos órganos como en el glomérulo renal , la retina y el cristalino del ojo, el cerebro y el corazón entre otros. Los cambios en la microcirculación se producen por dos razones, una por la glicosilación no enzimática de proteínas , que consiste en una reacción química inicial entre la glucosa o alguno de sus metabolitos con grupos aminos de las cadenas laterales de muchas proteínas (Fig. 12.13); posteriormente se forman cetoaminas y otros productos que terminan en definitiva dañando la estructura y función de muchas proteínas y particularmente proteínas de la matriz extracelular, afectándose así las membranas basales de los capilares en todo el organismo.

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Fig. 12.13. Glicosilación de las proteínas.

Otros cambios se producen porque se incrementa la velocidad de una vía metabólica particular, la vía del sorbitol, debido a la glucosa aumentada en todos los fluidos corporales (Fig. 12.14). A la acumulación de sorbitol se le ha atribuído la aparición de las cataratas en el paciente diabético.

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Fig. 12.14. La vía del sorbitol aumentada favorece la glicosilación de proteínas en el diabético por la relación NADH/NAD+ aumentada que inhibe a la gliceraldehido 3P deshidrogenasa.


La complicación macrovascular más importante, producida por los trastornos en el metabolismo lipídico, es la aterosclerosis generalizada que determina una mayor incidencia de enfermedades cardiovasculares en estos pacientes, como infartos del miocardio, trombosis de miembros inferiores, accidentes vasculares encefálicos y otros.

Otras complicaciones que se presentan en el diabético son las infecciones, por bacterias y hongos fundamentalmente, en la piel y otros órganos posiblemente por el incremento de la glucosa y la afectación de los sistemas de defensa del organismo.

Muchas de estas complicaciones mencionadas se pueden evitar o dilatar su aparición cuando el paciente mantiene un adecuado tratamiento y control de su enfermedad.

Lo que el personal de enfermería debe conocer sobre la atención a los pacientes con diabetes mellitus

En todo paciente diabético es muy importante monitorear diariamente los niveles de glucemia, lo cual se puede realizar por la prueba de Benedict en muestras de orina, aunque también en la actualidad se utilizan tiras reactivas para orina y otros medios diagnósticos para conocer las concentraciones de glucosa en sangre.

En la diabetes tipo 1, el único tratamiento satisfactorio es la administración de insulina, mientras que en la tipo 2 en muchas ocasiones no es necesaria la administración de esta hormona, y como se señaló con anterioridad la dieta, el ejercicio y la corrección del peso corporal pueden controlar el defecto metabólico. Existen en el mercado varias formas de insulina, una conocida como simple o regular donde la hormona no modificada se encuentra disuelta en una solución acuosa y otras formas donde la hormona se encuentra combinada con zinc u otras sustancias , que tiene un efecto de mayor duración y para uso subcutáneo de forma exclusiva. Es importante en la administración subcutánea rotar los sitios de inyección para evitar la lipohipertrofia de este tejido. La insulina que más se ha utilizado en los pacientes diabéticos es de origen porcino, y con el tiempo algunos de estos pacientes desarrollan anticuerpos contra esta hormona. Recientemente se ha introducido en el mercado la insulina humana obtenida por vía recombinante.

Se muestran a continuación algunos tipos de insulina, el inicio de su acción y su duración:

Acción

Tipo de Insulina

Inicio de la acción

Duración

Acción rápida

Simple o regular

30 min

6 h

Semilenta

1 h

14 h

Acción Intermedia

NPH

2 h

24 h

Lenta

2 h

24 h

Acción Prolongada

PZI

7 h

36 h

Ultralenta

8 h

40 h

Tanto en la diabetes tipo 1 como en la tipo 2 es muy importante para el paciente mantener una dieta adecuada a su peso y actividad física , con aproximadamente 55 % de glúcidos, 10 a 15 % de proteínas y menos de 30 % de grasas (no más de 10 % de grasas saturadas). La distribución de la energía total a lo largo del día debe realizarse de la manera siguiente :

Desayuno

20 %

Merienda

10 %

Almuerzo

30 %

Merienda

10 %

Comida

25 %

Cena

5 %

Como una forma de prevenir o conocer precozmente la aparición de la diabetes mellitus es importante estudiar a los familiares del paciente y recomendarle a cualquier persona adulta mantener un estilo de vida saludable con la realización de ejercicios físicos regulares como: caminar, correr, nadar o montar bicicleta, eliminar el hábito de fumar, ingerir bebidas alcohólicas solo de manera ocasional y de manera moderada, mantener una dieta balanceada, además de mantener un peso ideal para la talla.

En un paciente diabético se debe considerar la cetoacidosis diabética como una emergencia médica. La insulina que se utiliza en este cuadro de descompensación aguda es la insulina simple, que es la única que puede ser administrada por vía intramuscular o endovenosa hasta que los niveles de glucemia se acerquen a lo normal y teniendo siempre el cuidado de no administrar una dosis excesiva que pueda producir una peligrosa hipoglucemia.

Algunos autores han expresado que si no fuera por el riesgo de hipoglucemia el tratamiento de la diabetes sería "como un juego de muchachos" .

En un cuadro agudo también es muy importante hidratar al paciente y corregir el estado de acidosis metabólica.

Para el tratamiento de la diabetes tipo 2 se utilizan también dos tipos de drogas por vía oral:

  1. las sulfonilureas que actúan directamente sobre las células beta del páncreas estimulando la liberación de la insulina
  2. las guanidinas como la metformina que al parecer actúan disminuyendo la resistencia periférica a la insulina.

En el mercado internacional han aparecido algunas drogas que según se reporta evitan la glicosilación de proteínas y otras que actuán como inhibidores de la aldosa reductasa que participa en la vía del sorbitol.

Es un error considerar que un diabético en tratamiento está exento de problemas, pues se ha comprobado que en muchos pacientes, aun con un buen control de su enfermedad pueden presentar complicaciones, sobre todo a largo plazo.

En todo paciente diabético es importante: evitar el estrés, largos periodos sin ingerir alimentos, las infecciones deben ser tratadas oportunamente, se deben usar prendas de vestir y calzado cómodo, y debe existir un programa de medicina comunitaria para atender periódicamente a estos enfermos y explicarles distintos aspectos de su enfermedad y la manera de evitar las complicaciones.

Resumen


El metabolismo es el conjunto de reacciones enzimáticas que tienen lugar en la célula de todos los organismos vivos, y, se caracteriza, por ser un proceso finamente controlado y con un nivel alto de integración entre todas las vías metabólicas. En los organismos pluricelulares existe además una cooperación entre los diferentes órganos para lograr un nivel de integración en el organismo en su conjunto y poder responder así a los cambios del medio interno y del ambiente. De esta manera en el ser humano cada órgano y tejido se ha especializado a lo largo del proceso evolutivo en llevar a cabo procesos metabólicos y funciones que son útiles para otros órganos y en circunstancias cuando se requiere una adaptación bastante rápida para mantener las funciones vitales. Así el tejido adiposo se ha especializado en el almacenamiento de triacilgliceroles para utilizar posteriormente esta reserva en las condiciones de ayuno, de corta o larga duración, y en el ejercicio físico ; en el hígado existe una reserva de glucógeno muy importante, capaz de movilizarse en las condiciones de ayuno por ejemplo y aportar glucosa a la sangre para ser utilizada por muchos órganos, entre estos de manera especial el cerebro; el músculo almacena también glucógeno que en condiciones de ejercicio se degrada y genera finalmente gran cantidad de glucosa 6-P para ser utilizada como combustible por la vía de la glucólisis , pero solo en este órgano; la vía de la gluconeogénesis es muy activa en el hígado a partir del glicerol que recibe del tejido adiposo y de aminoácidos procedentes del músculo, sustratos de la vía a partir de los cuales se sintetiza glucosa para su utilización por otros tejidos. El cerebro por otro lado es un órgano que depende del suministro de glucosa por la sangre aunque en condiciones de ayuno puede utilizar también cuerpos cetónicos.

En otras condiciones específicas, en este caso de una enfermedad como la diabetes mellitus, también se producen adaptaciones metabólicas importantes. Un ejemplo es la mayor producción de cuerpos cetónicos por el hígado, biomeléculas que pueden ser utilizadas como combustibles por otros órganos como el cerebro. Sin embargo la acumulación excesiva de cuerpos cetónicos en sangre y la elevación en los líquidos corporales de la glucosa por la deficiencia o falta de acción de la insulina, pueden provocar en estos pacientes trastornos metabólicos muy severos que incluso provoca su muerte. Es muy importante que todo el personal de salud que atiende a los pacientes diabéticos conozca las características de esta enfermedad, los aspectos de su tratamiento y la manera de evitar las complicaciones.