Homeostasis Energética

Descripción General

Términos importantes

• Consumo de energía:
  • Medido por la cantidad de calorías consumidas de alimentos y líquidos
  • Modulada por el hambre, que está regulada principalmente por el hipotálamo
• Gasto de energía: suma del calor interno producido y el trabajo externo
  • El calor interno producido es la suma de la tasa metabólica basal y el efecto térmico de los alimentos.
  • El trabajo externo se estima midiendo el nivel de actividad física.
• Teoría del punto de ajuste:
  • Postula que el cuerpo de todas las personas tiene un peso fijo programado, con mecanismos reguladores para compensar
  • Se ha descartado, ya que se ha demostrado que múltiples factores juegan un papel en el cambio de peso
  • El cuerpo no puede compensar con precisión los errores en la ingesta de energía/calorías, contrariamente a la hipótesis de la teoría del punto de ajuste.
• Balance energético positivo:
  • Resultado obtenido cuando la ingesta de energía es superior a la consumida en trabajo externo y otros medios de gasto de energía
  • Un balance positivo da como resultado que la energía se almacene en forma de grasa y/o músculo, lo que provoca un aumento de peso; con el tiempo, esto puede resultar en obesidad.
  • Causas prevenibles de la obesidad: comer en exceso y un estilo de vida sedentario
• Balance de energía negativo:
  • Resultado obtenido cuando la ingesta de energía es menor que la que se consume en trabajo externo y otros medios corporales de gasto de energía
  • Causas principales:
    • Disminución de la ingesta debido a afecciones médicas como anorexia nerviosa, hipertiroidismo y disminución del apetito debido a afecciones subyacentes
    • Mayor requerimiento metabólico debido a procesos patológicos como cáncer, infección o anormalidades metabólicas
• Requerimiento normal de energía:
  • Depende de la edad, el sexo y el nivel de actividad física
  • Un método bastante preciso utilizado para el cálculo de los requisitos de energía es la ecuación de Harris-Benedict:
    • Hombres: tasa metabólica basal = (10 × peso en kg) + (6,25 × altura en cm) – (5 × edad en años) + 5
    • Mujeres: tasa metabólica basal = (10 × peso en kg) + (6,25 × altura en cm) – (5 × edad en años) – 161

Teorías y modelos

• Modelo de entrada–salida:
  • Establece que un estado interno estable se logra cuando la entrada de energía es igual a la salida de energía
  • No considera otros factores que afectan la homeostasis, como la actividad física
• Teoría del punto de ajuste:
  • Un valor fisiológico alrededor del cual fluctúa el rango normal
  • Asume que cada cuerpo tiene un cierto punto de ajuste y que los mecanismos biológicos dentro del tallo encefálico y el hipotálamo están involucrados en la defensa del cuerpo
  • Propone que la masa de tejido adiposo está regulada por el hipotálamo
  • Estos mecanismos están involucrados en el control de 3 factores importantes (un equilibrio en estos conduce a un balance general de energía):
    • Ingesta de energía
    • Reservas de energía
    • Gasto de energía.
• Modelo de bucle glucoadipostático:
  • Vincula la energía almacenada en el tejido adiposo con la homeostasis energética a través de cambios en el comportamiento alimentario a través de la leptina y la actividad del sistema nervioso simpático
  • Concepto relativamente nuevo; tiene en cuenta una participación general no solo de la ingesta y la producción de energía, sino que también considera el almacenamiento y la participación de la estimulación en los estados de hambre
• Modelos alternativos:
  • Alostasis: proceso de mantenimiento de la homeostasis a través del cambio adaptativo del entorno interno del organismo para satisfacer las demandas percibidas y anticipadas (i.e., estabilidad a través del cambio)

Fuentes de Energía

General

• 3 biomoléculas se utilizan comúnmente como fuentes de energía:
  • Carbohidratos
  • Proteínas
  • Grasa
• Estos nutrientes se digieren y se absorben en el torrente sanguíneo, que los distribuye a los tejidos de todo el cuerpo, donde finalmente son absorbidos por las células.
• Los carbohidratos se transportan a través de la sangre como glucosa, las proteínas como aminoácidos y los lípidos como lipoproteínas.
• Dentro de las células, las biomoléculas sufren 1 de 3 destinos posibles:
  • Se pueden descomponer en moléculas más pequeñas para liberar energía que se utiliza inmediatamente.
  • Se pueden usar como sustratos para sintetizar otras moléculas que las células y los tejidos necesitan para su funcionamiento, crecimiento y reparación normales.
  • Se pueden convertir en moléculas de almacenamiento de energía que proporcionan energía durante el período entre comidas (moléculas de almacenamiento primario: glucógeno y triglicéridos).

Carbohidratos

• Absorción:
  • Consumidos en una variedad de formas
  • Los monosacáridos, especialmente la glucosa, son la forma más común que se encuentra en el torrente sanguíneo.
• Utilización:
  • Las moléculas de glucosa son transportadas a las células por transportadores de glucosa.
  • Dentro de las células, la glucosa se oxida generando energía, produciendo CO₂ como producto de desecho.
• Almacenamiento:
  • La glucosa se convierte en glucógeno para su almacenamiento.
  • El glucógeno puede descomponerse en glucosa por glucogenólisis en presencia de glucógeno fosforilasa.

Proteínas

• Absorción: Las proteínas se transportan en el torrente sanguíneo en forma de aminoácidos.
• Utilización:
  • Después de la absorción por las células, los aminoácidos se utilizan para la síntesis de proteínas o se catabolizan para obtener energía mediante proteólisis.
  • Las células utilizan el catabolismo de proteínas para obtener energía con menos frecuencia que los carbohidratos y los lípidos.
  • Las proteínas son
    • Menos disponibles para el consumo de energía
    • Importantes como bloques de construcción para las moléculas
• Almacenamiento:
  • Las proteínas de almacenamiento sirven como reservas biológicas de iones metálicos y aminoácidos y son utilizadas principalmente por el músculo esquelético.
  • Hasta el 15% de la proteína se utiliza para tejidos estructurales como la piel y los huesos.
  • Las proteínas restantes se encuentran en tejidos y órganos, incluidos los riñones y el hígado.

Grasas

• Absorción:
  • Los triglicéridos se transportan y absorben como lipoproteínas en el torrente sanguíneo.
  • Una variedad de lipoproteínas de densidades variables transportan lípidos a varias células diana.
• Utilización:
  • Para facilitar la entrada en las células, la enzima lipoproteína lipasa descompone los triglicéridos en la superficie externa de las lipoproteínas.
  • La lipoproteína lipasa descompone los triglicéridos en ácidos grasos y monoglicéridos:
    • Los monoglicéridos finalmente se metabolizan en el hígado.
    • Después de entrar en las células, los ácidos grasos pueden oxidarse para obtener energía o combinarse con glicerol para formar nuevos triglicéridos.
• Almacenamiento:
  • La grasa se almacena en los adipocitos.
  • Los triglicéridos almacenados se pueden descomponer posteriormente en glicerol y ácidos grasos.
  • La descomposición de los triglicéridos en ácidos grasos y glicerol produce CO₂ como producto de desecho.

Metabolismo

Metabolismo en estado de absorción

• Los carbohidratos consumidos se descomponen en azúcares simples mediante enzimas hidrolasas en el borde en cepillo del intestino.
• Los azúcares simples se importan hacia los enterocitos intestinales utilizando un simportador de sodio.
• Las proteínas se descomponen en aminoácidos → se importan a los enterocitos intestinales mediante un simportador de sodio
• Luego, los aminoácidos y la glucosa ingresan al torrente sanguíneo → llegan al hígado a través de la vena porta hepática
• ↑ Nivel de glucosa y aminoácidos después de una comida → las células beta de las células de los islotes pancreáticos liberan insulina:
  • Insulina: hormona principal que dirige a los órganos, tejidos y células a utilizar los nutrientes durante el estado de absorción
  • Todos los tejidos aumentan su captación y utilización de glucosa y aminoácidos en presencia de insulina.
• El hígado monitoriza y regula los niveles de glucosa y aminoácidos en la sangre que llegan a través de la vena porta hepática.
• Los hepatocitos convierten la glucosa en glucógeno mediante la glucogénesis hasta que se llenan las reservas hepáticas y también utilizan la glucosa para la producción de energía mediante la glucólisis.
• Los hepatocitos forman triglicéridos y los exportan como lipoproteína de muy baja densidad (VLDL, por sus siglas en inglés), para ser captados por los tejidos adiposos.
• Los hepatocitos usan los aminoácidos para la síntesis de proteínas y los exportan para que circulen a otros tejidos para ser utilizados en la síntesis de proteínas.
• En el tejido adiposo, la insulina dirige a los adipocitos para que absorban ácidos grasos y glicerol para la síntesis de triglicéridos (lipogénesis).

Metabolismo en el estado posabsorción

• Fin del estado de absorción: los enterocitos dejan de importar glucosa a la circulación portal hepática.
• Los tejidos periféricos continúan con la captación de glucosa para mantener un estado normoglucémico.
• Los niveles de glucosa disminuyen, estimulando el aumento de los niveles de glucagón y epinefrina.
• En este punto, los hepatocitos comienzan la glucogenólisis (conversión del glucógeno almacenado en glucosa fácilmente utilizable).
• La glucogenólisis agota las reservas del hígado y provoca hipoglucemia → el hígado inicia el proceso de gluconeogénesis estimulado por los glucocorticoides liberados por la corteza suprarrenal
• Los ácidos grasos circulantes y el glicerol se utilizan en el proceso de gluconeogénesis.
• A medida que se prolonga la duración del estado posterior a la absorción, el hígado comienza a importar aminoácidos para la gluconeogénesis y la síntesis de cetonas (también conocida como cetogénesis) como fuente alternativa de energía.
• Un aumento en los niveles de cetonas y lípidos circulantes en el tejido periférico disminuye su dependencia de la glucosa y aumenta su dependencia a estos compuestos.
• Las neuronas continúan dependiendo exclusivamente de la glucosa hasta que los niveles de glucosa son insuficientes para satisfacer sus demandas energéticas → luego dependen de las cetonas circulantes

Regulación del metabolismo

• Estado de absorción:
  • Insulina: principal regulador en el estado de absorción
  • Se dirige al hígado, músculos y tejido adiposo para estimular la síntesis de glucógeno y la formación de triglicéridos
  • El cerebro y los eritrocitos son insensibles a la insulina.
• Estado posabsorción:
  • Niveles de glucagón y epinefrina:
    • Aumentan en ayunas
    • Se dirigen al músculo esquelético, tejido adiposo e hígado para degradar el glucógeno
  • La liberación de ácidos grasos y aminoácidos es estimulada por:
    • Disminución de los niveles de insulina
    • Aumento de los niveles de epinefrina.
• Ayuno prolongado:
  • Niveles de glucagón y epinefrina ↑↑ en estados de ayuno prolongado
  • La lipólisis forma un exceso de acetil-coenzima A → se utiliza para la síntesis de cetonas → niveles elevados de lípidos y cetonas
  • Los músculos utilizan los ácidos grasos como combustible.
  • El cerebro utiliza las cetonas como combustible.
  • Las proteínas se salvan, ya que las cetonas se utilizan en lugar de la glucosa.
  • Los eritrocitos siguen dependiendo de la glucosa como principal fuente de energía.

Metabolismo en Tejidos Individuales

Hígado

• Biomoléculas utilizadas en estado de alimentación: glucosa y aminoácidos
• Biomolécula utilizada en ayunas: ácidos grasos
• El hígado mantiene en gran medida un nivel de glucosa constante en ayunas y en estado de alimentación y participa en la síntesis de cetonas en caso de utilización excesiva de ácidos grasos.

Tejido adiposo

• Biomolécula utilizada en estado de alimentación: glucosa
• Biomolécula utilizada en ayunas: ácidos grasos

Músculo esquelético

• Biomolécula utilizada en estado de alimentación: glucosa
• Biomoléculas utilizadas en ayunas: ácidos grasos y cetonas
• La utilización de energía difiere significativamente entre los estados de reposo y activo.

Músculo en reposo:

• Estado de alimentación: los niveles de insulina aumentan y estimulan el músculo para almacenar glucosa como glucógeno.
• Estado de ayuno: Los ácidos grasos se recogen del torrente sanguíneo y se utilizan como combustible. Durante el ayuno prolongado, se utilizan cetonas.

Músculo activo:

• El músculo se vuelve activo durante el ejercicio, y las biomoléculas utilizadas como fuentes de energía se basan en 3 factores:
  • Magnitud del ejercicio
  • Duración del ejercicio
  • Fibras musculares involucradas
• Fibras musculares de contracción rápida (fibras musculares tipo 1):
  • Fatiga rápida
  • Tienen una alta capacidad para la glucólisis anaeróbica
  • Activas en ejercicio de alta intensidad a corto plazo
  • Apoyadas por el glucógeno muscular
• Fibras musculares de contracción lenta (fibras musculares tipo 2):
  • Fatiga lenta
  • Activas durante un período prolongado de ejercicio de intensidad baja a moderada
  • La oxidación de la glucosa y los ácidos grasos son la principal fuente de energía después de que se agotan las reservas de glucógeno.

Músculo cardíaco

• Biomolécula utilizada en estado de alimentación: ácidos grasos
• Biomoléculas utilizadas en ayunas: ácidos grasos y cetonas
• Condiciones específicas en las que la utilización de la energía se desplaza hacia diferentes fuentes:
  • Durante el desarrollo fetal, la glucosa es la principal fuente de energía.
  • En el período posnatal, la oxidación β de los ácidos grasos es la principal fuente de energía.
  • En la hipertrofia cardíaca, hay un aumento en la oxidación de glucosa y una disminución en la oxidación β de ácidos grasos.

Cerebro

• Biomolécula utilizada en estado de alimentación: glucosa
• Biomolécula utilizada en ayunas: glucosa con captación de cetonas en ayunas prolongadas
• El transportador de glucosa 1 y transportador de glucosa 3 participan en la captación de glucosa y regulan los niveles de concentración.
• Las reservas de glucógeno en el cerebro son mínimas → la glucosa del torrente sanguíneo es la principal fuente de energía
• El hipotálamo estimula la liberación de glucagón y epinefrina en condiciones de hipoglucemia.
• La barrera hematoencefálica no permite el paso de los ácidos grasos, por lo que no se utilizan como combustible.
• Principal fuente de energía en ayunas: glucosa procedente de la glucogenólisis hepática o gluconeogénesis
• El estado de ayuno prolongado conduce a la utilización de cetonas para obtener energía

Eritrocitos

• Biomolécula utilizada en estado de alimentación: glucosa
• Biomolécula utilizada en ayunas: glucosa

Relevancia Clínica

• Anorexia: trastorno caracterizado por una reducción en la ingesta de energía y pérdida de peso. Las personas con anorexia tienen una visión distorsionada de su peso y, a menudo, se ven con sobrepeso a pesar de tener un peso inferior al normal. Estas personas pueden obligarse a sí mismas a hacer ejercicio en exceso para mantener un peso bajo. Muchos cuentan las calorías y se limitan a comidas pequeñas. El tratamiento es desafiante y se enfoca en abordar los problemas psicosociales mientras se lleva al individuo a un peso normal.
• Resistencia a la leptina: la leptina es una hormona que inhibe el hambre y reduce el almacenamiento de grasa en los adipocitos. La resistencia a la leptina es un estado en el que el cuerpo ya no responde al efecto anoréxico de la leptina exógena. Esto puede deberse a mutaciones en la vía JAK–STAT. Los triglicéridos que cruzan la barrera hematoencefálica pueden contribuir a la resistencia a la leptina.
• Caquexia: afección caracterizada por anorexia, pérdida de peso y desgaste desproporcionado de músculo y tejido adiposo. La caquexia generalmente es causada por una enfermedad subyacente que contribuye a la pérdida de masa muscular. La caquexia es diferente de la pérdida de peso por una nutrición inadecuada, ya que la caquexia se debe principalmente a la pérdida de masa muscular, mientras que una nutrición inadecuada conduce a la pérdida de grasa. Esta afección se asocia más comúnmente con cáncer.
• Obesidad: acumulación anormal de grasa debido a una homeostasis energética defectuosa. La acumulación de grasa es consecuencia de desequilibrios energéticos relacionados con factores complejos (genética, medio ambiente, etc.) y resulta de una ingesta energética superior al gasto energético. La obesidad está relacionada con una serie de afecciones médicas. La obesidad representa un factor de riesgo para diabetes, enfermedades cardiovasculares, cáncer y otras enfermedades crónicas.