Interrelación del metabolismo

Integración y especialización de los órganos

Hasta ahora hemos estudiado las principales vías metabólicas del metabolismo energético. Ahora nos encontramos en la posición de considerar cómo los organismos, en particular los mamíferos, orquestan la sinfonía metabólica para cubrir sus necesidades energéticas.

Cerebro

El cerebro humano constituye solo un aproximadamente 2% de la masa del cuerpo adulto, pero es responsable del 20% de su consumo basal de O₂. Además este consumo es independiente del estado de la actividad mental y varia poco con el sueño. La mayor parte de la producción energética del cerebro sirve para impulsar la Na⁺-K⁺-ATPasa de la membrana plasmática, la cual mantiene el potencial de membrana requerido para la transmisión del impulso nervioso.

En condiciones normales la glucosa es el único combustible utilizado por el cerebro, aunque en ayuno prolongado gradualmente se empiezan a utilizar también los cuerpos cetónicos. En efecto dado que las células cerebrales almacenan muy poco glucógeno, requieren un suministro constante de glucosa desde la sangre. Una concentración sanguínea de glucosa de menos de la mitad del calor normal de ≈ 5 mM causa una disfunción cerebral. Niveles muy inferiores a éste producen coma, daño irreversible y finalmente la muerte.

Músculo

Los principales combustibles del músculo son la glucosa, a partir del glucógeno, los ácidos grasos y los cuerpos cetónicos. El músculo bien alimentado en estado de reposo, a diferencia del cerebro, sintetiza un almacén de glucógeno que comprende entre el 1 y 2% de su masa. Este glucógeno sirve al músculo como un depósito de combustible fácilmente disponible, ya que puede convertirse rápidamente a Glucosa 6 fosfato para su entrada en la glucólisis. Cabe destacar que el musculo no puede exportar glucosa ya que carece de glucosa-6-fosfatasa. Aun así este órgano sirve como almacén de energía ya que durante el estado de ayuno sus proteínas son degradadas a aminoácidos, muchos de los cuales son convertidos a piruvato que es precursor de la glucosa.

El músculo no tiene receptores para el glucagón que tienen la función de incrementar los niveles de glucosa sanguínea. No obstante, el musculo posee receptores de adrenalina, los cuales, por mediación del AMPc, controlan el sistema de cascada de fosforilación/desfosforilación que regula la degradación y la síntesis del glucógeno.

El incremento en AMPc hepático estimula la degradación del glucógeno y la gluconeogénesis, lo que resulta en la exportación de glucosa, un incremento en AMPc muscular activa la degradación del glucógeno y la glucolisis, lo que resulta en el consumo de glucosa. Por consiguiente, la adrenalina, que prepara el organismo para la acción (lucha o huida), actúa independientemente del glucagón que, en concierto con la insulina, regula el nivel general de glucosa en sangre.

Tejido adiposo

El tejido adiposo esta ampliamente distribuido en el organismo, aunque se presenta en mayor abundancia bajo la piel, en la cavidad abdominal, en el músculo esquelético, alrededor de los vasos sanguíneos y en las glándulas mamarias. El tejido adiposo no es únicamente un depósito pasivo de almacenaje. De hecho, después del hígado, es el tejido más importante en el mantenimiento de la homeóstasis metabólica.

Este órgano obtiene la mayor parte de sus ácidos grasos  partir del hígado o de la dieta. Los ácidos grasos son activados mediante la formación del correspondiente acil graso-CoA y, a continuación, son esterificados con glicerol-3-fosfato para formar los triacilgliceroles almacenados.

Los adipocitos hidrolizan triacilgliceroles a ácidos grasos y glicerol en respuesta a los niveles de glucagón, adrenalina e insulina a través de una reacción catalizada por una lipasa sensible a hormonas. Cuando el glicerol-3-fosfato se encuentra en abundancia, muchos de los ácidos grasos así formados son esterificados de nuevo a triacilgliceroles.

Hígado

El hígado es el cetro de distribución metabólica del organismo. Su función es mantener los niveles adecuados de nutrientes en la sangre para su uso por el cerebro, músculo y otros tejidos. El órgano se encuentra excepcionalmente situado para llevar a cabo esta misión, dado que todos los nutrientes absorbidos por el intestino, excepto los ácidos grasos, son liberados en la vena porta, que desemboca directamente en el hígado.

Una de la funciones más importante del hígado es actuar regulando la concentración de glucosa sanguínea en márgenes estrechos. Esto lo hace capturando o liberando glucosa en respuesta a los niveles de glucagón, adrenalina e insulina, así como a la misma concentración de glucosa. Las células hepáticas, a diferencia e las células del musculo y del tejido adiposo, son permeables a la glucosa y, así, la insulina no tiene efecto directo en su captura de glucosa.

Integración de todos los órganos con las principales vías después de una comida, entre comidas y en inanición 

A continuación hablaremos en general de la interrelación metabólica en el estado pospadrial y en el ayuno.

La complejidad de los mecanismos que regulan el metabolismo energético en los mamíferos permite al organismo responder con eficiencia a los cambios en sus demandas energéticas, integrando el metabolismo especializado de los distintos órganos y tejidos en el conjunto del organismo.

Como la ingesta en el ser humano no es continua, la utilización de los nutrientes de la dieta y la movilización de sus reservas endógenas se desplazan claramente durante las pocas horas entre comidas cerrando un ciclo que podríamos denominar ciclo alimentación-ayuno

Estado posprandial

La situación postprandial constituye el estado metabólico habitual en el que se encuentra el ser humano a lo largo del día, al producirse una superposición de los productos absorbidos en las distintas comidas diarias.

Los glúcidos, los lípidos y las proteínas que se ingieren, sufren la digestión a través de hidrólisis enzimáticas, en el conducto gastrointestinal. En el enterocito, se resintetizan los triglicéridos que se transportan, incluidos en los quilomicrones, a través de la vía linfática, a la sangre desde donde se distribuyen a los tejidos extrahepáticos.

La mayor parte de los azúcares y los aminoácidos acceden al hígado a través de la vena porta; los hepatocitos captan estos nutrientes, en mayor o menor cantidad, según factores como el tipo de dieta e intervalo de tiempo entre cada ingesta. Estas células transforman dichos nutrientes en los combustibles y precursores biosintéticos necesarios para otros tejidos, cuyas necesidades varían con la actividad del organismo. En este sentido, el hígado, tiene gran flexibilidad metabólica para adaptarse a las distintas circunstancias y mantener la homeostasia de la glucosa.

La glucosa que no es captada por los hepatocitos, se distribuye a otros tejidos u órganos como el cerebro que utilizan este azúcar como fuente de energía y al tejido adiposo y al muscular, donde se almacena en forma de triacilgliceroles y de glucógeno, respectivamente.

Los tejidos extrahepáticos captan la mayor parte de los aminoácidos y el excedente se utiliza en el hígado para la síntesis de proteínas o se degrada en este órgano.

La elevación de la concentración de glucosa en el plasma y la consiguiente liberación de insulina por el páncreas motiva, en el hígado, la activación de: la síntesis de glucógeno, la glucólisis y la transformación del piruvato, procedente de esta última vía, en acetilCoA. Molécula, esta última, que se utiliza como sustrato para la síntesis de ácidos grasos, cuyo destino inmediato es su oxidación mitocondrial y consiguiente generación de energía. Los ácidos grasos excedentes se esterifican y en forma de triacilgliceroles se incluyen en las VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad) que hacen posible su distribución desde el hígado a los tejidos extrahepáticos.

En definitiva, la insulina favorece la captación de la glucosa por las células y el almacenamiento de su exceso en forma de glucógeno. Así mismo, estimula los procesos que hacen posible la transformación del azúcar en lípidos de reserva (triacilgliceroles).

Estado de ayuno

La glucosa es el metabolito preferido tanto por el cerebro como por el músculo activo. Sin embargo, el organismo almacena un a provisión de glucosa para menos de un día. Así  la baja concentración de azúcar en sangre que se produce incluso con el ayuno nocturno, produce, a través de un incremento en la secreción de glucagón y una disminución en la secreción de insulina, la movilización de ácidos grasos del tejido adiposo. El reducido nivel de insulina también inhibe la incorporación de glucosa por el tejido muscular. Los músculos, por tanto, cambian el metabolismo de la glucosa por el de los ácidos grasos para la producción de energía. El cerebro, no obstante, todavía permanece fuertemente dependiente de glucosa.

En los animales, la glucosa no puede ser sintetizada a partir de ácidos grasos. Esto es debido a que ni el piruvato ni el oxalacetato, los precursores de glucosa en la gluconeogénesis, pueden ser sintetizados a partir de acetil-CoA. Durante el ayuno, la glucosa debe ser sintetizada a partir de glicerol producido por la degradación del triacilglicerol y de los aminoácidos derivados de la degradación de las proteínas, cuya principal procedencia es el músculo. Sin embargo, la degradación continuada del músculo durante un ayuno prolongado provocaría que este proceso llegase a ser irreversible, ya que una gran masa muscular es esencial para que un animal pueda desplazarse en busca de comida. De manera que se deben establecer medidas metabólicas alternativas.

Después de varios días de ayuno, la gluconeogénesis ha consumido tanto oxalacetato del hígado que la capacidad de este órgano para metabolizar acetil-CoA mediante el ciclo del ácido cítrico se encuetra muy disminuida. En su lugar el acetil-CoA es convertido  cuerpos cetónicos por el hígado. El cerebro se adapta gradualmente a la utilización de cuerpos cetónicos como combustible, mediante la síntesis de los enzimas apropiados.

Se ha visto que los individuos obesos pueden sobrevivir durante más de un año sin comer.