El ritmo de vida actual ha llevado al hombre a no concientizar sobre los alimentos que consume, es cierto que el ser humano busca satisfacer su apetito con alimentos sabrosos; pero, es necesario indagar sobre los elementos esenciales que contienen los alimentos para nutrirse adecuadamente y proporcionar a las células los nutrimentos necesarios para realizar su función.
Los cambios en el ritmo de vida actual han puesto un gran reto para los gastrónomos, quienes tienen la oportunidad de incursionar en el mercado de comida rápida, ofreciendo alimentos que sean ricos y nutritivos. Para lograr esto es necesario tener un amplio conocimiento sobre el metabolismo del ser humano.
Es bien conocido que, en la ingesta de alimentos se obtienen los elementos necesarios para que nuestras células realicen su función. Pero, ¿cuáles son los elementos indispensables para las células y cómo es que se obtienen de los alimentos?
Este trabajo pretende dar un panorama general del metabolismo de las moléculas de la vida, se revisará que es lo que pasa con los alimentos una vez ingeridos. Además, se reflexiona sobre las repercusiones que puede tener para la salud ingerir sólo alimentos que únicamente satisfagan al paladar, pues lo más sabroso no siempre resulta ser lo más nutritivo.
Palabras clave: Nutrientes, macromoléculas, metabolismo, proteínas, lípidos, carbohidratos.
The modern life has led humans to not think about the food that they eat; it is true that they try to satisfy your appetite with tasty food, but it is necessary to investigate the essential elements containing foods to nourish properly and provide them to cells to perform its function.
Changes in the modern life have put a big challenge for Chefs to venture into the fast food market, in order to become it in a tasty and nutritious food. To achieve that, it is necessary to have extensive knowledge about the metabolism of human body.
It is well known that, the necessary elements for our cells carry out their function are obtained with food intake. But what are the essential elements for the cells and how they are obtained from food?
This paper´s aim is to give an overview of the metabolism of the molecules of life. We will review what happens with the food once eaten. Also, we reflect on the impact it can have on health eating only tasty foods but with low nutrients.
Keywords: Nutrients, macromolecules, metabolism, proteins, lipids, carbohydrates.
Todo organismo vivo necesita alimentarse para sobrevivir, desde los organismos más simples, compuestos por una sola célula, hasta los organismos más desarrollados. Al microscopio, es posible observar como una bacteria fagocita las macromoléculas que se encuentran en el medio, extendiendo parte de su membrana celular para rodear completamente a las moléculas hasta introducirla al citoplasma, donde posteriormente se llevará a cabo la digestión de los nutrientes y la obtención de energía.
Por su parte, las plantas desarrollaron estructuras especializadas (raíces) para absorber su alimento del suelo. Por lo tanto, las plantas que se encuentran en suelos ricos en nutrientes crecerán más que aquellas que se encuentran en suelos pobres. Sin embargo, a lo largo de la evolución algunas plantas, como los cactus, se han adaptado al suelo árido donde viven, desarrollando raíces más largas que les permitan encontrar los recursos necesarios para sobrevivir.
La alimentación de los mamíferos es mucho más compleja que la de otros organismos vivos, pues están formados por sistemas de células especializadas que les permiten la descomposición de los alimentos, la absorción de los nutrientes y su distribución a todas las células de su cuerpo para así obtener la energía necesaria y desempeñar todos los procesos vitales. En los mamíferos también se observan dietas muy variadas; esto depende del metabolismo y de los nutrientes necesarios para su supervivencia. El oso polar se alimenta principalmente de focas, ya que necesita comida rica en grasa que le permita sobrevivir a las temperaturas congelantes del polo norte. Los rumiantes han desarrollado un sistema digestivo capaz de degradar la celulosa de las plantas para la obtención de energía.
A diferencia de otros mamíferos, el ser humano como el ser más desarrollado del planeta, ha hecho de su alimentación un placer; es decir, al hombre le gusta disfrutar sus alimentos, mezclando sabores y texturas, aprovechando los recursos naturales de cada región e innovando en la elaboración de platillos para la satisfacción de paladares exigentes. Pero, ¿qué pasa con los alimentos una vez ingeridos? ¿Cómo es que obtenemos los nutrientes necesarios para nuestro desarrollo? Para resolver éstas y otras preguntas es pertinente indagar en las moléculas indispensables para la vida y en el metabolismo del ser humano.
Las proteínas, los carbohidratos y los lípidos son las moléculas de la vida, pues, están presentes en todos los seres vivos tanto unicelulares como pluricelulares y presentan funciones específicas dentro de la célula.
Las proteínas son cadenas de aminoácidos. Existen sólo 20 diferentes aminoácidos que forman a las proteínas, estos aminoácidos pueden repetirse y estar en diferente posición dentro de una cadena proteica (ver figura 1). Las proteínas pueden ser muy grandes (compuestas por más de 1000 aminoácidos) o muy pequeñas (compuestas de poco menos de 50 aminoácidos). Incluso, pueden formar complejos proteicos; es decir, se pueden unir dos cadenas, iguales o diferentes (ver figura 2), para formar un dímero; a su vez, dos dímeros se pueden unir para formar un tetrámero, o bien se pueden unir diferentes cadenas de proteínas para llevar a cabo una función determinada. Un ejemplo de esta última estructura son los complejos respiratorios.
Figura 1. A) Estructura general de un aminoácido, se observa el grupo amino, el grupo carboxilo y donde el grupo R es especifico para cada uno y es el que confiere características particulares a cada aminoácido. B) Cadena de 4 cuatro aminoácidos diferentes (Madigan, Martibnko, & Parker, 2007).
Figura 2. A) Estructura molecular de la hemoglobina, donde interactúa un dímero de cadenas α y un dímero de cadenas β para formar un tetrámero (Madigan, Martibnko, & Parker, 2007)
La función que desempeñan las proteínas es muy variada y de vital importancia para los seres vivos. Una de ellas es la función estructural, pues las proteínas forman parte de las membranas celulares, del pelo, de las uñas, de los caparazones, de los cuernos y de las pesuñas por mencionar algunas estructuras; un ejemplo es la colagena. Otra función es de transporte, ejemplos de ello son la hemoglobina que transporta el oxígeno o los citocromos que transportan electrones. Proteínas que se encuentran ancladas a la membrana celular, pueden acarrear moléculas al interior o exterior de una célula. Las proteínas también tienen función de defensa contra agentes extraños o infecciones; y la función enzimática de las proteínas que consiste en catalizar las reacciones metabólicas que ocurren en las células.
Los carbohidratos están compuestos de átomos de carbono, hidrogeno y oxígeno, por lo que también se nombran hidratos de carbono. Estas moléculas, en general, son azúcares, por lo que también se les conoce como glúcidos; pero cabe señalar que no todos estos compuestos son dulces, el almidón por ejemplo, es insípido (Pacheco Leal, 2010). La principal función de los hidratos de carbono es la de proporcionar energía a la células para desarrollar sus procesos vitales.
Los carbohidratos se clasifican en monosacáridos, oligosacáridos y polisacárido. Los monosacáridos o azúcares simples poseen de 3 hasta 8 átomos de carbono en su estructura y entre los más conocidos tenemos al glicerol que es una triosa, pues posee 3 átomos de carbono, a la ribosa que es una pentosa, pues posee 5 átomos de carbono. La glucosa y la fructosa son las hexosas (poseen 6 átomos de carbono en su estructura) más populares ya que se puede encontrar en diversas frutas (ver figura 3).
A la unión de dos o más monosacáridos se les denomina oligosacáridos. La sacarosa (azúcar de mesa) es un disacárido compuesto por glucosa y fructosa. La lactosa (azúcar de la leche) es otro disacárido compuesto por glucosa y galactosa. En la naturaleza se han encontrado hasta pentasacáridos, pero en síntesis química se han logrado obtener hasta octasacáridos (Pacheco Leal, 2010). La forma más común de encontrar a los carbohidratos en la naturaleza es como polisacáridos. Ejemplo de ellos es el almidón, que es la forma en que los vegetales almacenan glucosa y que constituye parte importante de la dieta humana; el glucógeno que es la forma de almacenamiento de glucosa en los animales, principalmente se encuentra en hígado y musculo.
Figura 3. Estructura de algunos azúcares más comunes, donde se observa la cadena de carbonos abierta y la estructura en forma de anillo (Madigan, Martibnko, & Parker, 2007).
Los lípidos constituyen un grupo importante y heterogéneo de compuesto que se caracterizan por ser insolubles en agua. Los lípidos están formados por ácidos grasos que están compuestos de una cadena hidrocarbonada y un grupo terminal carboxilato (Strayer, 1995). Los ácidos grasos en los seres vivos suelen contener un número par de átomos de carbono generalmente entre 14 y 24. Los más comunes son los de 16 y 18 átomos de carbono nombrados comúnmente como ácido Palmitato y ácido Estearato respectivamente. El nombre común de estos ácidos grasos proviene del recurso donde fue aislado por primera vez. Por ejemplo, ácido palmítico fue extraído de la palma, el ácido caproico se aisló de la cabra.
La cadena hidrocarbonada está sin ramificar en todos los ácidos grasos animales. Las cadenas hidrocarbonadas también pueden presentar dobles enlaces o no es su estructura (Strayer, 1995). Se denominan ácidos grasos saturados a aquellos que no presentan dobles enlaces y ácidos grasos no saturados o insaturados a aquellos que presentan uno o más dobles enlaces (ver figura 4). La doble ligadura de los ácidos grasos poliinsaturados están separados por al menos un grupo metileno.
Las propiedades de los ácidos grasos y de los lípidos derivados de ellos están relacionadas con la longitud de sus cadenas y del grado de insaturación. Los ácidos grasos no saturados tienen un punto de fusión más bajo que los ácidos grasos saturados. Por ejemplo, el ácido esteárico (ácido graso saturado) tienen un punto de fusión de 69.6°C, mientras que el ácido oléico (ácido graso no saturado y con un sólo doble enlace en su estructura) se funde a 13.4°C (Strayer, 1995). Siguiendo este comportamiento los puntos de fusión de los ácidos grasos poliinsaturados son aún más bajos.
Los ácidos grasos tienen cuatro misiones fisiológicas muy importantes (Strayer, 1995). Una de ellas es formar parte de la estructura de fosfolípidos y glicolípidos. Estas moléculas constituyen las membranas celulares. Otra función es formar la energía de reserva para las células. Estas moléculas se almacenan en forma de triglicéridos. También realizan la función de mensajeros intracelulares y finalmente realizan la modificación de proteínas al unirse covalentemente a ellas, dirigiéndolas hacia la membrana celular.
Figura 4. Estructura de los ácidos grasos y de los lípidos simples (Madigan, Martibnko, & Parker, 2007).
Las definiciones de las moléculas de la vida, así como sus características y su función nos permiten ocuparnos de una cuestión importante, ¿cómo obtienen las células la energía necesaria para llevar a cabo todas sus funciones vitales? Estos procesos se llevan a cabo mediante reacciones químicas, que en conjunto son conocidas como metabolismo. En un organismo tan sencillo como la bacteria E. coli se realizan al menos un millar de reacciones químicas (Strayer, 1995).
La digestión comprende los procesos metabólicos y químicos por lo cual los alimentos son hidrolizados a formas adecuadas para que puedan ser absorbidos por la pared de la mucosa y puedan ser utilizados por las células.
La absorción de los nutrimentos por las células puede llevarse a cabo a través de diferentes mecanismos. Uno de ellos es la difusión pasiva a través de poros, es decir moléculas pequeñas como las moléculas de agua o electrolitos se mueven por difusión a favor de un gradiente de concentración (Prescott, 2002). En la difusión facilitada (ver figura 5), los nutrimentos se mueven a favor de un gradiente de concentración, pero a diferencia de la difusión pasiva, en este mecanismo es necesaria una proteína acarreadora, ya que moléculas solubles en agua no son capaces de atravesar la membrana celular (Prescott, 2002). Finalmente el mecanismo de transporte activo siempre es mediado por proteínas de transporte (ver Figura 5); pero, además las moléculas se mueven en contra de un gradiente de concentración por lo que se necesita energía para el paso de los nutrimentos a través de la membrana de las células (Prescott, 2002).
Figura 5. A) Ejemplo de difusión facilitada, donde se observan los acarreadores proteicos. B) Ejemplo de transporte activo donde se necesita energía para el paso de nutrientes a través de la membrana celular (Prescott, 2002).
Los seres vivos necesitan un suministro de energía constante para tres funciones principales: en el movimiento celular y otros trabajos mecánicos como la contracción muscular, el transporte activo de iones y moléculas y la síntesis de biomoléculas a partir de moléculas más sencillas. Los seres quimiótrofos obtienen esta energía mediante la oxidación de los alimentos, mientras que los seres fotótrofos consiguen su energía de la luz (Strayer, 1995). Parte de la energía obtenida de la oxidación de los alimentos o de la luz se convierte en una forma de energía accesible para la célula. La molécula responsable de donar la energía es la adenosina trifosfato (ATP). El ATP es un nucleótido que consta de una adenina, una ribosa y una unidad trisfosfato, que contienen dos enlaces anhidro fosfórico que le confiere una gran cantidad de energía a la molécula, cuando el ATP se hidroliza se desprende la energía que es utilizada por las células para llevar a cabo sus reacciones químicas (Strayer, 1995).
La degradación de las proteínas representa una fuente de nitrógeno para la célula, por la degradación del grupo amino. La digestión de las proteínas se lleva acabo principalmente en el estómago, pues en la saliva no existen enzimas digestivas para hidrolizar a las proteínas. El ácido clorhídrico del estómago activa a la enzima pepsina, que es una enzima autocatalítica que activa a su precursor pepsinógeno y lo degrada dando como productos proteasas y peptonas que hidrolizan a las proteínas. Aunque esta fase de la digestión es importante, no es esencial (Pacheco Leal, 2010). En la digestión intestinal, la acción de las enzimas contenidas en la secreción pancreática: la tripsina, la quimiotripsina, la colagenasa y la carboxipeptidasa, completan la digestión proteica, teniendo como producto final aminoácidos libres. La absorción de los aminoácidos se lleva a cabo por transporte activo. El destino principal de los aminoácidos digeridos y absorbidos es su utilización metabólica por los demás tejidos. Los aminoácidos circundantes son rápidamente absorbidos por el hígado y el músculo, pero esto constituye un almacenamiento momentáneo. Los principales órganos encargados de mantener la concentración constante de aminoácidos circundantes son el tracto digestivo, el hígado, músculo, riñón y cerebro. Los aminoácidos también pueden convertirse en otros compuestos esenciales (Robison, 1991).
Los aminoácidos que sobrepasan las necesidades metabólicas para sintetizar proteínas y otras biomoléculas no pueden almacenarse pero tampoco pueden secretarse. Por consecuencia estos aminoácidos excedentes se utilizan como combustible metabólico (Robison, 1991). El grupo amino se separa y se convierte en urea, mientras que los cuerpos carbonatados se convierten en intermediarios metabólicos, formando cuerpos cetónicos, ácidos grasos e incluso glucosa.
En la dieta occidental el 60% de las calorías proviene de los carbohidratos: la mayor parte de la dieta se centra en el almidón presente en los granos de órganos de reserva vegetal como la papa, granos de trigo, leguminosa y otros vegetales (Pacheco Leal, 2010). La otra parte de la dieta se centra en la sacarosa y azúcares simples.
Para que los carbohidratos sean absorbidos en el epitelio intestinal es necesario que los polisacáridos sean hidrolizados en monosacáridos. Este proceso es catalizado por proteínas con actividad enzimática de hidrólisis. La saliva posee amilasas que degradan las moléculas del almidón y glucógeno hasta maltosa (dímero de glucosa). En el estómago, se hidrolizan los disacáridos por la acción del ácido clorhídrico, y por la secreción pancreática que contienen amilasas. Por otra parte, en la mucosa intestinal entran en acción enzimas hidrolíticas u oligosacaridasas como la α-glucosidasa y α-dextrinasa para hidrolizar de manera más efectiva estos disacáridos en monosacáridos.
Una vez absorbidos los monosacáridos por la mucosa intestinal, éstos viajan vía sanguínea hasta el hígado donde es metabolizado el 60% de los monosacáridos y el resto es transportado a la sangre (Robison, 1991).
El transporte de los monosacáridos a través de la membrana de las células epiteliales hacia el torrente sanguíneo se realiza mediante difusión pasiva, y en algunas ocasiones se requiere de transporte activo (Pacheco Leal, 2010).
Para obtener la energía metabólica de la glucosa se llevan a cabo diferentes vías metabólicas. La glucolisis es una vía casi universal para los seres vivos, sin embargo la cantidad de ATP que se obtiene de esta vía son relativamente escasas. En los organismos aerobios, la glicolisis sirve de preámbulo al ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico y posteriormente a la cadena respiratoria la cual recolectan la mayor parte de la energía de la glucosa mediante la respiración (Strayer, 1995). Cuando el oxígeno en las células es insuficiente se produce la fermentación de la glucosa para la formación de lactato. Un ejemplo típico de esto acurre cuando hay un exceso de ejercicio y el lactato se acumula en los músculos. Seres vivos como las levaduras pueden realizar la fermentación alcohólica a partir de la glucosa en condiciones anaerobias. Cabe señalar que no sola la glucosa participa en este metabolismo energético, también es posible aprovechar monosacáridos como la fructosa y la galactosa que son catalizados hacia la vía de la glicolisis (Strayer, 1995).
No existen carbohidratos esenciales, es decir todos los carbohidratos pueden ser sintetizados a partir del exceso de carbohidratos en la dieta se ve reflejado en un incremento de peso ya que se acumula como material de reserva en forma de grasas.
Las grasas y aceites alimenticios son mezcla de triglicéridos mixtos. En países industrializados se come entre 80 y 150 gramos diarios por persona (Robison, 1991). Debido a que los lípidos no son solubles en agua, pero las enzimas que los digieren sí lo son, se necesita la presencia de fuertes detergentes que son las sales biliares en el proceso. La capacidad de absorción de grasa del intestino delgado normal es de aproximadamente 95% (Robison, 1991).
Como primer paso en la digestión de lípidos se encuentra una lipasa lingual responsable de la digestión oral de lípidos. Esta enzima hidroliza los enlaces de los triglicéridos, permitiendo así la absorción de ácidos grasos de cadena corta. También en el estómago se produce una lipasa gástrica capaz de obtener ácidos grasos de cadena corta.
La absorción der los primeros ácidos grasos de cadena larga en el duodeno desencadena la secreción de la hormona colecistocinina por la mucosa intestinal (Robison, 1991). Esta hormona a su vez induce la secreción de bilis y del jugo pancreático. La presencia de sales biliares reduce la tensión superficial del agua permitiendo la emulsificación de grasas en el intestino y disolver los ácidos grasos. Cuando se altera la digestión de las grasas, ésta cubre las partículas de alimentos y evita que las enzimas actúen sobre ellos provocando que también sean mal ingeridos (Robison, 1991).
La secreción pancreática que llega al intestino contiene al menos tres actividades enzimáticas de las cuales la actividad de lipasa es la más importante, de hecho es de 100 a 1000 veces mayor a la necesaria para la hidrólisis completa de trigliceroles en el intestino delgado.
Los ácidos grasos se encuentran más reducidos que las proteínas o carbohidratos por lo que el rendimiento de su oxidación es de alrededor de 9 Kcal/g, a diferencia de los escasos 4 kcal/g que resultan de la oxidación de proteínas y carbohidratos (Strayer, 1995). Además, dado que los ácidos grasos son apolares se almacenen casi en forma anhidra mientras que las proteínas y carbohidratos son moléculas mucho más polares, entonces se encuentran mucho más hidratadas. Un gramo de grasa prácticamente acumula seis veces más energía que un gramo de glucógeno hidratado, por esta razón los triglicéridos fueron elegidos por la evolución como el material de reserva energético. Un hombre de 70 Kg de peso posee reservas de 100 000 kcal en los triglicéridos, 25 000 Kcal en proteínas (principalmente en el músculo), 600 kcal en el glucógeno y 40 Kcal en la glucosa (Strayer, 1995). Los triglicéridos constituyen 11 Kg de su peso corporal total. Si esta cantidad de energía fuera almacenada en forma de glucógeno, el peso de su cuerpo sería 55 Kg mayor (Strayer, 1995). En los mamíferos, la principal fuente de almacenamiento de triglicéridos son las células adiposas o adipositos. Para la utilización de los triglicéridos como fuente de energía es necesaria la hidrólisis del triglicérido por las enzimas especializadas llamadas lipasas.
Alrededor del mundo es posible encontrar alimentación muy variada acorde con la cultura y el aprovechamiento de los recursos naturales de cada región. Debido a tan vasta variedad de platillos se creó la gastronomía con el fin de estudiar la relación del hombre con su alimentación y su medio ambiente. Actualmente, el ritmo de vida del ser humano ha cambiado drásticamente, pues ahora se tiene una cadencia mucho más acelerada, perjudicando en gran medida los tiempos que el hombre dispone para alimentarse. La consecuencia de esta condición de vida es el consumo de comida rápida, que en la gran mayoría contienen un alto contenido de grasas, provocando que el cuerpo las guarde como reservorio de energía dentro del tejido adiposo. El tejido adiposo presenta una actividad metabólica baja mientras que el tejido muscular es metabólicamente más activo. Por eso la necesidad de idear estrategias para la elaboración de comidas rápidas que satisfagan el ritmo de vida actual del hombre pero que además sea nutritiva.
Como hemos repasado en este escrito el proceso de nutrición es meramente un proceso bioquímico, debido al aprovechamiento de los alimentos por los seres vivos. La salud de un individuo está directamente relacionada con la utilización de los nutrimentos. La alimentación equilibrada es la ingestión de proporciones adecuadas de nutrimentos necesarios para conservar la salud. A su vez, la ingestión de los nutrientes depende considerablemente de la actividad que cada individuo realice, es decir, las calorías que un individuo necesita en 24 horas, depende del gasto energético en el mismo periodo y depende del metabolismo basal, actividad física y efecto térmico de los alimentos. El metabolismo basal se refiere al gasto mínimo de energía para que el cuerpo mantenga sus signos vitales. Este metabolismo varía inversamente a la edad. La actividad física se refiere al trabajo muscular que el hombre realiza para efectuar sus actividades diarias. En esta actividad se consume del 15 al 50% de calorías totales. Después de ingerir alimentos se observa un aumento en la producción de calor por parte del organismo a la cual se le denomina efecto térmico. Cada nutrimento tiene un efecto térmico específico. Sin embargo, en una dieta normal no se ingieren nutrimentos puros sino una mezcla de ellos. En general, mientras mayor sea el contenido de lípidos en la dienta más disminuirá el efecto térmico y por tanto menor será el gasto energético en este rubro.
En caso de no tener un equilibrio en la ingesta y gasto de nutrientes se produce una malnutrición que es el término empleado para el deterioro de la salud por consecuencia de una deficiencia o exceso de nutrimentos. En el exceso de nutrimentos intervienen factores como el amplio poder adquisitivo y la poca actividad física que provocan un balance energético positivo y por consecuencia enfermedades como la obesidad, la diabetes y las enfermedades cardiovasculares. Por el contrario, en la disminución de nutrimentos afectan factores como el poder adquisitivo bajo, la escasez de nutrimentos en el agua y el suelo de la región, las tradiciones o la ignorancia; provocando una desnutrición grave.
Los carbohidratos, los lípidos y las proteínas, en ese orden, son los nutrimentos que proporcionan el aporte calórico necesario. Sin embargo, su contribución varía de país en país. En México, la recomendación sería utilizar valores del 60%, 25% y 15% de aporte calórico, para carbohidratos, lípidos y proteínas respectivamente. Aunque, la realidad es que las proteínas aportan menos del 15% y las grasa y carbohidratos aportan una mayor cantidad. Por lo tanto, hoy en día existe un gran reto para gastrónomos y especialistas en la rama de alimentos de satisfacer las necesidades actuales, de igual manera el reto es para la población que necesita cuidar más lo que come.
Madigan, M. T., Martibnko, J. M., & Parker, J. (2007). Biología de los Microorganismos. España: Acribia.
Pacheco Leal, D. (2010). Bioquímica Médica. México: Limusa.
Prescott, H. K. (2002). Microbiología. España: McGraw Hills.
Robison, D. S. (1991). Bioquímica y valor nutritivo de los alimentos. España: Acribia.
Strayer, L. (1995). Bioquímica. España: Reverté.
[a] Profesora Investigadora del ICEA – UAEH.