Dr. Juan Carlos Castillo Pineda

Medicina Interna y Nutrición Clínica

Mayo 2010

BIOENERGETICA

De lo inerte a la animación

¿De qué estamos hechos y porque vivimos?

Schrödinger

•“los átomos aparecen como pequeños porque quien formula la pregunta, está constituido por gran cantidad de ellos”.

Entonces,¿por qué son necesarios tantos átomos para componer un organismo vivo?

Erwin Schrödinger 1944

• Un organismo vivo está sorprendentemente

ordenado, a pesar de que la agitación térmica y

otros comportamientos estadísticos con ella

relacionados tienden a desordenar cualquier

estructura constituida por muchas partículas.

• Segunda pregunta: ¿cómo puede ser creado y

mantenido el orden (o la ordenación) de un ser

vivo?

¿Qué es o como es Vida?

• Fenómeno que se produce como consecuencia de un conjunto de reacciones químicas relacionadas en un sustrato anatómico capaz de adquirir propiedades de autonomía mayores gracias a esas reacciones como la existencia individual y la capacidad de reproducirse .

Origen de la vida

• Se origina en las masas de agua que formaban lagos y océanos en los TIEMPOS PRECÁMBRICOS. ( hace 4,500,000 años hasta 570,000 años)

– ETAPA ANAERÓBICA (carencia de oxígeno) va desde los 4.500 millones de años hasta los 2.500 millones de años.

– ETAPA AERÓBICA (presencia de oxígeno) abarca desde los 2.500 millones de años hasta los 560 millones de años.

Oxigeno, el antes y el después

• Primer etapa: la atmósfera estaba constituida

principalmente por Metano, Hidrógeno y Anhídrido

Carbónico.

• En ese entonces la luz ultravioleta del sol dividía las

moléculas ricas en hidrógeno de la atmósfera y, los

fragmentos volvían a combinarse formándose así

moléculas cada vez más complejas.

Oxigeno, el antes y el después

• En la segunda etapa, la aparición del

oxígeno en la atmósfera terrestre, (hace

5,500,000 de años), y origen de los

organismos verdes fotosintetizadores.

• La actividad fotosintética de estos

organismos generó cambios en la

atmósfera primitiva rica en hidrógeno; este

fué reemplazado por Nitrógeno y Oxígeno

¿Como empezó la Vida?

• DNA como primera molécula.

• RNA como primera molécula.

• Proteína como primera molécula

• Sin enzimas los procesos químicos serían muy lentos e inútiles para la vida.

La vida a partir de moléculas pequeñas

• La naturaleza inerte ofrece una gran cantidad de moléculas pequeñas.

• Sagan: Una región circunscrita que aumenta el orden (disminuye la entropía) mediante ciclos impulsados por un flujo de energía, podría considerarse algo VIVO.

Origen metabólico de la Vida.

1. Entre lo vivo y lo inerte debe de haber una barrera de separación.

2. Una fuente de energía debe impulsar el proceso de organización.

3. Un mecanismo de acoplamiento debe de conectar la liberación de energía con el proceso de organización que produce y sustenta la vida.

4. Debe establecerse un entramado de reacciones químicas que facilite la adaptación y la evolución.

5. El entramado de reacciones químicas debe crecer y reproducirse.

• El poder para vivir lo otorgan las reacciones

químicas.

• El poder que moviliza las reacciones químicas lo

aporta la energía del universo que opera bajos las

leyes de la termodinámica

Que es la energía

• La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza.

• Es la capacidad de realizar un trabajo.

• Estado dinámico relacionado con el cambio, por tanto la energía emerge solo cuando el cambio ha ocurrido

Tipos de energía

• Nuclear

• Eléctrica.

• Química.

• Mecánica.

• Luz.

• Calor

Primera ley de la termodinámica

• La energía del universo es constante.

• No se crea ni se destruye.

• Puede transformarse.

Segunda ley de la termodinámica

• Todas la reacciones espontáneas se caracterizan por un aumento en su nivel de entropia.

• Clausius (1850):

– “grado del desorden de un sistema”

– Los sistemas aislados tienden al desorden.

Segunda ley de la termodinámica

• Ecuación de Gibbs: crea el concepto de energía libre(ΔG) y puede predecir si una reacción química puede producirse de manera espontánea o nó.

• Si una reacción química es espontánea se debe a que sus reactantes contienen la energía necesaria para movilizar el proceso químico

Reactante A + Reactante B→ Producto + energía

ATP → ADP +PO3

• La energía liberada de una reacción favorable puede expresarse como CALORIAS.

Orden a partir del desorden Orden a partir del orden

¿Quien o que está vivo?

• Produce calor.

• Realiza un trabajo

Caracteristicas de un ser vivo

• Organización precisa.• Variedad de reacciones química (metabolismo)• Capacidad de mantener un medio interno apropiado

a pesar de los cambios en el medio externo (homeostásis).

• Movimiento.• Irritabilidad.• Crecimiento.• Reproducción.• Adaptación al medio ambiente.

Nutrición

Algunos utilizados como materia prima

SINTESIS

(Fabricación de materiay estructuras necesarias)

Contracción muscularConducción de impulsos nerviososDeplazamiento de materiales dentro y fuera de laCelulaOtras actividades celulares

Nutrimentos

Algunos utilizados Como combustible

RESPIRACION CELULAR

(Proceso biológico deDegradación de las moléculasDe combustible)

ENERGIA

Como se utiliza la energía

• Organismos quimiotróficos: La energía se deriva de la oxidación de los alimentos

Organismos fototróficos:La energía proviene de la luz solar

Trifosfato de Adenosina ATP

Enlace de alta energíaEnlace de alta energía

Enlace de alta energía

El ATP

• Se consume cerca de 40 Kg de ATP diarios.

• En ejercicio competitivo puede consumirse hasta ½ Kilogramo por minuto.

• La energía liberada se usa en:

– Formación de gradientes electroquímicos.

– Síntesis de macromoléculas.

– Actividad de “motores moleculares” como en la contracción muscular.

¿Cómo se extrae la energía?

Tranferencia de elecrones

Síntesis directa de ATPLiberación de Calor

De éste modo es más fácil realizar la

actividad física y deportiva

FOTOSINTESIS

6 oxigeno +↑

6 agua+

6 Bioxido deCarbono

ENERGIA

SOLAR

Les traia un regalo pero

se me rompio

MITOCONDRIA

• Fueron descritas por primera vez por Altmann en

1884.

• Contienen las enzimas del ciclo de Krebs, de la

fosforilación oxidativa y los componentes de la

cadena transportadora de electrones.

MITOCONDRIA

El interior de las mitocondrias está constituido por un

contenido fluido denominado MATRIZ MITOCONDRIAL

MITOCONDRIA

-COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS

MITOCONDRIALES:

*Proteínas forman el 70%

*Lípidos forman el 30%

*Hay notables diferencias entre la composición de la

membrana externa y la membrana interna.

*M.Externa tiene un 60% de proteínas y 40% de

lípidos.

MITOCONDRIA

*M.Externa posee pocas enzimas, es permeable al

agua, iones y sacarosa Presencia de una

proteína llamada PORINA.

*PORINA Forma canales que atriviesan la

membrana.

*M.Interna posee un 80% de proteínas y 20% de

lípidos.

*M.Interna es impermeable a iones y a sacarosa.

*Vida media de 12,6 días.

MITOCONDRIA

MATRIZ MITOCONDRIAL

*Compartimento interno de la mitocondria donde

pueden observarse ribosomas, ADN, pequeñas

moléculas y macromoléculas.

*ADN y ARN están hibridizados.

*Los ribosomas mitocondriales son más pequeños

que los citoplásmicos Sintetizan proteínas

integrales de la membrana interna.

MITOCONDRIA

*ADN Filamento circular de 2,5 nm de

espesor y 5 - 6 um de longitud

*Doble hélice, no unido a proteínas.

*Los genes mitocondriales se heredan de

exclusivamente de la madre.

MITOCONDRIA

FUNCIÓN

Oxidación mitocondrial

-Glucolisis 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.

-Mitocondria El metabolismo de los azúcares y ácidos grasos se completa mediante la oxidación total a CO2 y H2O, liberándose 36 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa

RESPIRACION

La respiración se desarrolla en dos etapas: el ciclo

de Krebs y el transporte terminal de

electrones.

En la oxidación de cada grupo acetilo se reducen

cuatro aceptores de electrones (tres NAD+ y un FAD)

y se forma otra molécula de ATP.

RESPIRACION

•La etapa final de la respiración es el transporte terminal

de electrones, involucra a una cadena de transportadores

de electrones y enzimas de la membrana interna de la

mitocondria.

•En esta representación de la cadena respiratoria, las

moléculas: flavina mononucleótido (FMN), coenzima Q

(CoQ) y los citocromos b, c, a y a3, son los principales

transportadores de electrones de la cadena.

METABOLISMO ENERGÉTICO

• METABOLISMO(DEFINICIÓN GENERAL)

Sumatoria de TODAS las reacciones

químicas que ocurren dentro

del organismo

ANABOLISMO CATABOLISMO

SIMPLE COMPLEJO COMPLEJO SIMPLE

METABOLISMO ENERGÉTICO Primera

Ley de la Termodinámica:

“la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”

ENERGÍA QUÍMICA (ALIMENTOS)

DIGESTIÓN

ABSORCIÓNEXCRECIÓN

BIOSINTESISALAMCENAMIENTO DE ENERGIA

TRABAJO

Contracción Muscular

CALOR

GlicógenoProteínas

TASA METABOLICA BASAL

• TASA METABOLICA

BASAL (TMB)

Tasa metabólica de un organismo en reposo en ayuno y que se encuentra realizando SOLO funciones vitales para la vida (Ej. respiración, circulación, tono muscular, etc.).

TASA METABOLICA (TM)

• TASA METABOLICA

(TM)

• Calorimetría

energía metabólica liberada por unidad de tiempo

método para determinar TM en base a la cantidad de energía metabólica liberada

TASA METABOLICA:MEDICIÓN

Puede medirse:

• CALORIMETRIA INDIRECTA

• CALORIMETRIA DIRECTA

• TASA

METABOLICA

Determinando al diferencia entre la energía de los alimentos ingeridos y la de los alimentos excretados (Kcal)

Determinando la cantidad total de calor producida por el organismo

Determinando el consumo de O2 = VO2

CALORIMETRIA INDIRECTA:1) Determinado por al diferencia entre la energía

de los alimentos ingeridos y excretados (Kcal)

• La diferencia indica el gasto de energía.

• Este método:• requiere medir las Kcal muy laborioso

• asume que no hay cambios en la composición del

organismo como ó en el almacén de grasas

Energía de alimentos ingeridos

Energía de alimentos excretados

TM =

NOTA:

• La energía de los alimentos que no es absorbida se encuentra

en heces y orina.

• La energía excretada no se pierde, sino mas bien NO se

encuentra disponible para ser procesada por el metabolismo

de ese organismo (1era Ley de la Termodinámica).

COCIENTE RESPIRATORIO (CR o RQ):Es la relacón del volumen de CO2 producido entre el volumen de

O2 consumido por unidad de tiempo

• Este método:– requiere la determinación de la

cantidad de O2 empleado en los

procesos de oxidación

– puede ser empleado como medida

de TM porque la cantidad de calorias

producidas por Litro de O2 empleado

en el metabolismo es relativamente

constante

C.R. (RQ) = V CO2

V O2

aplicable a cualquier

sustrato combustible

(carbohiratos,

lípidos, proteínas)

técnicamente

muy sencillo

COCIENTE RESPIRATORIO (RQ)

• Las razones para emplear VO2 y no VCO2 como medida de la TM son: – La gran cantidad de CO2 que hay en el organismo es

fácilmente intercambiable.

Ej. Hiperventilación

– La oxidación de los diferentes combustibles dan diferentes cantidades de energía / Litro de CO2

– Además con la medida del VO2 no es necesario conocer

exactamente que combustible esta siendo oxidado en un momento dado.

COCIENTE RESPIRATORIO (RQ)

• Carbohidratos: cuando se oxidan completemente, el consumo de VO2 es = a la producción de CO2

Ej. Glucosa:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

1 mmol de glucosa (180g) requiere:

6 x 22.4mL = 134.4 mL de O2

6 x 22.4mL = 134.4 mL de CO2

C.R. = 134.4 mLCO2 =

134.4 mL O2

1

COCIENTE RESPIRATORIO (RQ)

• Lípidos: cuando se oxidan, el VO2 consumido sobrepasa al VCO2 formado.

Ej. Tripalmitina:

C51H98O6 + 7.5 O2 51 CO2 + 49 H2O

1 mol de tripalmitina (806g) requiere:

72.5 x 22.4mL = 1624 mL de O2

51.0 x 22.4mL = 1142 mL de CO2

C.R. = 1142 mLCO2 =

1624 mL O2

0.7

COCIENTE RESPIRATORIO (RQ)

• Proteínas: no son oxidadas completamente en el oraganismo, parte de ellas son excretadas

como componenetes nitrogenados.

Ej. 1mg N2 en la orina = 6.25 mg de proteína

C.R. = 4.76 mL CO2 =

5.94 mL O2

0.8

Alcance Metabólico

• Rango posible de tasas metabólicas: alcance metabólico aeróbico

• Describe la relación de la tasa metabólica máxima a la tasa metabólica basal

• La TM aumenta de 10 a 15 veces durante el ejercicio.

• Durante la actividad sostenida (i.e. marathon) aumentan los procesos anaeróbicos.

TASA METABOLICA (TM) Y

TAMAÑO CORPORAL (Pc)

Log VO2 (mL / h) = Log 0.68 + 0.75 Log Pc

Calorimetria indirecta

Calorimetria indirecta en ejercicio

Gasto calórico por actividadActividad Gasto calórico Kcal/Kg/min

Ej. Hombre 60 Kg. /60 min

Estar sentado (coser, leer, conversar, trabajar o jugar con el ordenador, etc.)

0.03.

108 kcal

Caminar (5 km/h) 0.06

216 kcal

Bailar vigorosamente 0.101

363 kcal

Correr (8-10 km/h) 0.15

540 kcal

Gimnasia Aeróbica 0.08

302 kcal

Prueba de Queen´s College

• subir y bajar un banco de 41.3 cm de alto, durante tres minutos a una cadencia por un metrónomo de 22 pasos por minuto para mujeres y 24 pasos por minuto para hombres.

• Al final se toma la FC• VO2 Máx Hombres (ml.kg.min) =

111.33 - (0.42 x Ritmo Cardiaco)

• VO2 Máx Mujeres (ml.kg.min) = 65.81 - (0.1847 x Ritmo Cardiaco)

Prueba de CooperVO2 Máx (ml.kg.min) = (Distancia en metros - 504.9) / 44.73

• Un test de carrera donde se busca cubrir la mayor distancia posible en 12 minutos, una vez ejecutado el protocolo se utiliza la siguiente fórmula:

Conclusiones

• La vida es un fenómeno simplemente complejo.

• La nutrición saludable es un reto del nutriologo responsable ya que implica un conocimiento profundo de la bioquimica de los alimentos.

• El trabajo multidisciplinario es básico

Muchas Gracias

castillomorelia@hotmail.com