Tema 5: El metabolismo humano

 

El sistema de aporte y utilización de energía. Eliminación de desechos: El metabolismo humano

1. El metabolismo humano

El metabolismo es el conjunto de procesos físicos y químicos que ocurren en el interior de las células que convierte a los nutrientes de los alimentos en la energía necesaria para que el cuerpo realice todas sus funciones vitales, como respirar, moverse, crecer, reproducirse, realizar la digestión, aumentar la temperatura corporal, eliminar los desechos y reaccionar ante distintos estímulos.

A partir de los procesos metabólicos el cuerpo humano intercambia materia y energía con el medio ambiente que lo rodea.

En las reacciones fisicoquímicas que se producen durante el metabolismo intervienen unas sustancias de naturaleza proteínica llamadas enzimas.

Las enzimas actúan regulando la velocidad de las reacciones que se producen dentro de las células: una enzima hace que una reacción química que transcurre a una velocidad muy baja transcurra a mayor velocidad que sin la presencia de ella.

La sustancia sobre la que actúa la enzima se denomina sustrato. Este sustrato sufre una transformación química que es reversible y se convierte en uno o más productos diferentes. En la reacción la enzima no se modifica.

Sustrato + enzima ↔ producto + enzima 

2. Anabolismo y catabolismo

• ANABOLISMO

Son las reacciones químicas de la célula cuyo objetivo fundamental es la síntesis (contucción) de substancias complejas a partir de sustancias más simples.

Se comporta como un metabolismo constructivo, ya que es básico para el mantenimiento de todos los tejidos y para el crecimiento de células nuevas.

Se obtiene energía de reserva para ser utilizada cuando sea necesario.

Las reacciones anabólicas transforman las moléculas simples y de bajo peso molecular en macromoléculas como los hidratos de carbono, los lípidos o grasas, las proteínas y los ácidos nucleicos.

Cumple una fase "biosintética" por lo que requiere de energía. 

Esta energía es proporcionada por el ATP (adenosin triosfato), sustancia de alto contenido energético.

• CATABOLISMO

Son los procesos donde las células descomponen las macromoléculas de carbohidratos, grasas y proteínas y las transforman en sustancia más simples.

En las reacciones catabólicas se libera la energía almacenada en las macromoléculas que se descomponen y se puede utilizar como combustible para realizar las distintas funciones orgánicas.

Las sustancias simples (CO2, urea) son eliminadas del organismo por los riñones, los intestinos, los pulmones y la piel.

Cumple así dos propósitos:

1. Liberar energía útil para las reacciones de síntesis de nuevas moléculas.
2. Aportar materia prima para las reacciones anabólicas.

 

3. Principales vías metabólicas de obtención de energía

El proceso para la incorporación de las sustancias necesarias para que se produzcan las reacciones metabólicas en los seres humanos comienza con la fotosíntesis de las plantas.

En la fotosíntesis, los vegetales transforman la energía solar en energía química a partir del dióxido de carbono atmosférico, del agua absorbida por las raíces  y de la clorofila, pigmento verde característico presente en los cloroplastos de las hojas. De esta forma, las plantas elaboran glucosa como fuente de energía para sus reacciones metabólicas.

Como los animales y los seres humanos no pueden realizar la fotosíntesis, deben incorporar la glucosa por ingestión de vegetales o de animales que se alimentan de plantas. Así, incorporan la glucosa y demás nutrientes como fuente de energía para realizar su metabolismo.

3.1. Alimentos y energía

Para cubrir las diversas necesidades energéticas, el organismo utiliza los diferentes nutrientes contenidos en los alimentos: glúcidos, lípidos y proteínas.  El agua, los minerales y las vitaminas también son nutrientes, pero no proporcionan energía al organismo.

• Glúcidos

Los glúcidos, también llamados carbohidratos o sacáridos están presentes en casi todos los alimentos que ingerimos y su principal función es proporcionar energía inmediata y estructural.

Los glúcidos complejos, polisacáridos, como el almidón de los vegetales y cereales y el glucógeno de la carne y otros tejidos animales, se rompen en glúcidos simples antes de ser absorbidos. La celulosa, el principal componente de casi todos los tejidos vegetales es una importante excepción a este principio, pues atraviesa nuestro sistema digestivo sin ser fragmentado.

La celulosa y otros polisacáridos no digeribles, también denominados fibra dietética, facilitan  el proceso digestivo. Está demostrado que una dieta rica en fibra reduce el riesgo de muchos tipos de cáncer, incluido el cáncer de colon.

El glúcido más usado por las células humanas como fuente de energía es el monosacárido glucosa (es un carbohidrato sencillo). Otros monosacáridos importantes son la fructosa y la galactosa, que son usados para convertirse en glucosa en las células del hígado.

El organismo metaboliza los glúcidos en procesos catabólicos y anabólicos. Dado que la mayoría de las células humanas usan los glúcidos (sobre todo la glucosa) como combustible fundamental, catabolizan la mayor parte de los mismos y sólo anabolizan una pequeña porción. 

Los siguientes alimentos son ricos en glúcidos: los cereales y las legumbres, las patatas, los derivados lácteos (excepto el queso), las frutas,  y los alimentos dulces (pasteles, bollería, chocolate, etc.) entre otros.

• Lípidos

Los lípidos son un tipo de compuestos orgánicos que incluyen grasas, aceites y otras sustancias similares.

El producto del metabolismo de los lípidos es el glicerol y los ácidos grasos, que más tarde se convierten en triglicéridos, fosfolípidos y colesterol.

Los triglicéridos están presentes en casi todos los alimentos que ingerimos y constituyen la principal reserva energética del cuerpo humano (son una fuente de energía a largo plazo más eficiente que los carbohidratos). 

Los fosfolípidos son los componentes principales de las membranas celulares de todos los seres vivos: todas las membranas plasmáticas activas de las células poseen una bicapa de fosfolípidos.

 

El colesterol sólo se da en alimentos de origen animal, y su concentración varía mucho, siendo muy elevada en el hígado o las yemas de huevo.

Las grasas, además de ser básicos en la constitución de las membranas celulares, también son importantes como fuente energética y en la absorción de las vitaminas como la A, D, E y K.  

Se almacenan en células especiales, los adipocitos, que forman parte del tejido adiposo. El catabolismo de los lípidos produce compuestos de carbono que al degradarse forman dióxido de carbono y agua, igual que los carbohidratos.

Los siguientes alimentos son ricos en lípidos: aceites, mantequilla, nata, margarina, mayonesa, el aguacate, las aceitunas, los frutos secos; la bollería, los chocolates, las patatas fritas, las carnes, pescados y derivados lácteos grasos (en particular, el queso), huevos y la mayor parte de los embutidos.

• Proteínas

Las proteínas son unas moléculas muy largas compuestas por aminoácidos. Las proteínas se ensamblan a partir de una agrupación de 22 tipos diferentes de aminoácidos, de los que 10 se denominan esenciales ya que el organismo no puede producirlos y deben ser captados como parte de los alimentos. La carencia de estos aminoácidos en la dieta limita el desarrollo del organismo, ya que no es posible reponer las células de los tejidos que mueren o crear tejidos nuevos, en el caso del crecimiento.

En el metabolismo proteico, el anabolismo es lo principal y el catabolismo es secundario, al contrario que en el metabolismo de los lípidos y glúcidos. Las proteínas son los principales alimentos constructores de tejido y, por otra parte, gobiernan el funcionamiento correcto del organismo (en forma de hormonas, enzimas, anticuerpos, neurotransmisores, inmunoglobulinas, etc.).

4. Metabolismo energético y actividad física

La energía que se consigue a través de los diferentes procesos metabólicos se dedica a mantener los procesos fisiológicos básicos del cuerpo y, también, a responder a las demandas generadas por actividades cotidianas del organismo.

En el ejercicio físico, el órgano encargado de realizar el movimiento es el músculo, que recibe la energía del metabolismo de los glúcidos, lípidos y proteínas que nos proporcionan los alimentos, como se vio en el apartado anterior.

El organismo no usa la energía procedente de los alimentos directamente para la contracción muscular, sino que la acumula primero en forma de ATP (adenosín trifosfato), compuesto formado por tres grupos fosfato y que representa en el cuerpo humano la unidad básica de obtención de energía.

La descomposición de ATP para producir energía se denomina hidrólisis, ya que requiere agua, y se obtiene ADP (adenosín difosfato) más un grupo fosfato libre, liberando la energía que le mantenía unida esta molécula, energía química que es transformada en energía mecánica la cual produce la contracción muscular y el movimiento.

Esta reacción es reversible, de tal forma que a partir de ADP y un grupo fosfato, aportando energía, se pude obtener ATP que pude ser almacenado en las células para utilizarlo cuando se precise.

4.1. Metabolismos anaeróbico y aeróbico

Como se ha visto, en toda actividad física interviene siempre la molécula fundamental en la producción de energía: el ATP. El ATP es generado a partir de dos rutas diferentes:

• Las rutas anaeróbicas, donde la síntesis de los alimentos no precisa de la intervención del oxígeno. Encontramos dos rutas:

1. 1. Sistema de los fosfágenos.
   2. Glucólisis.

• Las rutas aeróbicas, también llamadas oxidativas, en las que interviene el oxígeno.

Rutas anaeróbicas para la obtención de ATP

• El uso de la vía anaeróbica para obtener ATP supone la ausencia de oxígeno en las reacciones metabólicas. El ATP se consigue rápidamente, pero son vías que también se agotan con rapidez. 

  Encontramos dos rutas anaeróbicas:

  1. El sistema de fosfágenos

  En este proceso, también llamado sistema anaeróbico aláctico, intervienen el ATP y la fosfocreatina o PCr que es una sustancia que también es capaz de almacenar energía. La fosfocreatina está presente en el músculo donde puede almacenarse hasta tres veces más que el ATP. Cuando se cataliza la fosfocreatina se genera creatina, un grupo fosfato y energía que se utiliza para unir el fosfato liberado con una molécula de ADP y producir de esta manera ATP.

  El organismo utiliza el sistema de fosfágenos cuando precisa realizar movimientos donde es más importante la rapidez en la disposición de la energía que la cantidad de la misma que se genera.

  Este sistema anaeróbico tiene dos grandes ventajas:

  1. No genera acumulación de ácido láctico en los músculos, por lo que también se le conoce como sistema anaeróbico aláctico. El ácido láctico en exceso es en gran parte responsable de la aparición de la fatiga.
  2. Produce un gran aporte de energía permitiendo realizar ejercicios a una intensidad máxima, pero durante un tiempo corto (no más de 8-10 segundos).

  2. Catabolismo anaeróbico de la glucosa: glucólisis anaeróbica

  Cuando las reservas de ATP y PCr se agotan, el músculo sintetiza ATP a partir de la glucosa en un proceso químico en ausencia de O₂ : la glucólisis anaeróbica.

  La glucosa procede del torrente sanguíneo o de los almacenes de glucógeno que hay en la fibra muscular. Su metabolismo se realiza en el citoplasma y consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas que convierten a la molécula de glucosa en ácido pirúvico y se producen 2 moléculas de ATP. El ácido pirúvico es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo. En ausencia de oxígeno, el ácido pirúvico se transforma en ácido láctico denominándose este proceso fermentación láctica.

OculRutas aeróbicas para la obtención de ATP

La producción anaeróbica de ATP es ineficaz para esfuerzos musculares en ejercicios de duración superior a unos minutos. En consecuencia el metabolismo aeróbico, que es aquel en el que interviene el oxígeno,  es la principal vía de producción de energía durante cualquier actividad física.

El aporte de O₂ al músculo es esencial para mantener un alto índice de producción de energía y a medida que la intensidad de la actividad aumenta la producción oxidativa de ATP también lo hace. Se puede decir que conociendo el oxígeno que se consume se conoce el valor del metabolismo aeróbico.

La ruta aeróbica ofrece la posibilidad de metabolizar completamente en presencia de oxígeno, glucosa, ácidos grasos y algunos aminoácidos para obtener ATP. Veamos el catabolismo de cada uno de ellos. 

 

1. Catabolismo aeróbico de la glucosa: glucólisis aerobia 

Con esta vía se obtiene un rendimiento muy superior al obtenido por las vías anaeróbicas. Es un proceso idéntico a la vía anaerobia con la salvedad de que la presencia de oxígeno impide la trasformación de piruvato en lactato e iniciándose a continuación una serie de reacciones que forman el llamado ciclo de Krebs. Los productos finales de la metabolización de la glucosa en presencia de O₂ son el agua, que el organismo puede reutilizar o eliminar mediante el sudor o la orina y el CO₂ que es expulsado por los pulmones.

Este proceso se realiza en las mitocondrias de las células y se le conoce también como respiración celular. 

 

2. Catabolismo aeróbico de los lípidos 

Los lípidos representan el almacén principal de energía del cuerpo. La cantidad disponible para obtener energía es mucho mayor en los lípidos que en glúcidos y proteínas.

Aunque una parte de la grasa está depositada en todas las células, el elemento que más moléculas de ácidos grasos suministra es el tejido adiposo, cuyos adipocitos están especializados en la síntesis y almacén de los triglicéridos.

El catabolismo de los triglicéridos produce una molécula de glicerol y tres de ácidos grasos (para ello se encarga la enzima lipasa). Ambos compuestos se catabolizan por diferentes procesos químicos generando ATP.

Comparando la producción de ATP de los lípidos frente a los glúcidos, mientras que el catabolismo de una molécula de glucosa genera 36 moléculas de ATP, el catabolismo de una molécula de grasa genera un total de 463 moléculas de ATP, es decir unas 13 veces mayor.

3. Catabolismo aeróbico de las proteínas

La contribución de las proteínas en la obtención de energía durante el reposo es nulo y durante el ejercicio es mínima.

No obstante, en algunos ejercicios, el papel que juegan las proteínas adquiere importancia, pudiendo llegar a suponer hasta el 15% de la energía utilizada.

4.2 La fatiga y su recuperación

La fatiga

Al realizar una actividad física, la fatiga puede aparecer en diferentes situaciones. Por ejemplo, podemos hablar de fatiga cuando nos referimos a un corredor de velocidad que no puede mantener un determinado ritmo de carrera, o cuando, después de varias sesiones de entrenamiento el deportista no puede mantener una intensidad de trabajo. Puede tratarse de la fatiga respecto a un grupo concreto y localizado de músculos, o bien a una situación de cansancio generalizada.

Desde el punto de vista fisiológico, en el estado de fatiga disminuye la velocidad del catabolismo de ATP y en las fibras musculares disminuye automáticamente la potencia del trabajo que se realiza.

El organismo, para mantener el nivel necesario de ATP, intensifica la glucólisis e interviene el catabolismo de los compuestos proteicos. Al fatigarse los músculos, se agotan las reservas de sustratos energéticos y se acumulan los productos de la descomposición (como el ácido láctico) y se observan bruscos cambios del medio intracelular. En este caso, se altera la regulación de los procesos vinculados al abastecimiento energético de los músculos manifestándose estos desajustes en la actividad de los sistemas de respiración pulmonar y de circulación sanguínea.

Causas y síntomas de la fatiga

Se pueden enumerar varias causas por las que aparece la fatiga:

Cuando estamos fatigados podemos encontrarnos con alguno de los siguientes síntomas:

Tipos de fatiga:

Fatiga aguda

La aparición de la fatiga aguda ocurre durante y/o después de una sesión intensa de ejercicios, entrenamiento o competición que excede el nivel de tolerancia al esfuerzo de un músculo. En este tipo de fatiga los mecanismos de producción serán diferentes dependiendo de si es un ejercicio de corta duración, velocidad o fuerza, o si es un ejercicio con predominancia aeróbica. 

Esta fatiga suele estar acompañada de lesión del tejido muscular, afectando solamente a los músculos involucrados en el ejercicio. Dependiendo de la intensidad, puede manifestarse entre las 8 y 72 horas siguientes, un cuadro de inflamación muscular, comúnmente llamado "agujetas", con aumento de enzimas musculares en sangre y dolencia muscular. Todo ello es debido a microlesiones en el tejido muscular.

Fatiga subaguda

También llamada de sobrecarga. Ocurre cuando el esfuerzo se ha producido cuando el individuo realiza niveles de actividad física ligeramente más altos a los que estaba previamente adaptado. En realidad este tipo de fatiga es necesaria para estimular la adaptación del organismo ante un ejercicio físico.

Fatiga crónica o síndrome de sobreentrenamiento

Aparece como resultado de un largo e intenso proceso de actividad física que ocasiona un estado permanente de fatiga que lleva al sobreentrenamiento. En los deportistas, aparece transcurridos varios ciclos en los que la relación entrenamiento-competición y recuperación se va desequilibrando, ocasionando un cuadro de fatiga que siempre conlleva la caída del rendimiento.

La fatiga como mecanismo de defensa

Es importante concebir la fatiga como un mecanismo de defensa que se activa ante el deterioro de determinadas funciones orgánicas y celulares previniendo la aparición de lesiones celulares irreversibles y numerosas lesiones deportivas.
Oculta

Recuperación de la fatiga 

 

Para recuperarse de un proceso de fatiga es aconsejable tomar una serie de medidas como las que se citan a continuación:

• Descanso y descender el ritmo e intensidad de los entrenamientos durante unos días.
• Tomar complejos vitamínicos compensatorios.
• Alimentación rica en proteínas y glúcidos.
• Reponer sales minerales.
• Sueño suficientemente reparador de 8 a 10 horas diarias.
• Masaje recuperador para ayudar a eliminar del cuerpo el exceso de toxinas.