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CAPÍTULO 1
Concepto de energía
El estudio de los problemas energéticos de la materia viva constituye un aspecto complejo, pero en síntesis cabe decir que todo proceso vital debe contemplarse dentro de un sistema de intercambio energético con capacidad para obtener y transformar la energía del entorno, a fin de mantener el elevado grado de organización que caracteriza a las estructuras biológicas. La vida, desde un punto de vista termodinámico, se concibe como un sistema organizado de materia y energía. La organización de este sistema se produce dentro de un desorden creciente denominado, entropía. Es difícil explicar el proceso global de la nutrición sin detenernos un poco en los fenómenos que permiten obtener energía del exterior y, a su vez, posibilitan su utilización. En nutrición humana no hablamos de una energía especial, sino de una de sus formas, que expresaremos en ciertas unidades para valorarla (kilocalorías y kilojulios). Para la comprensión de todos estos fenómenos es preciso recordar los principios generales de la termodinámica , que rigen las transformaciones energéticas y que son aplicables a todos los sistemas, ya sean físicos, químicos o biológicos. PRINCIPIOS DE TERMODINÁMICA El primer principio establece que la energía del universo es constante, lo que significa que no existe pérdida ni creación de la misma, sino que ésta se conserva a base de transformaciones. Por ejemplo, la energía radiante (solar) se convierte en energía química o eléctrica, que a su vez puede transformarse en energía mecánica o calorífica. Este primer principio establece la reversibilidad de las conversiones, lo cual es válido para sistemas cerrados (Fig. 1.1) y aislados, es decir, que no intercambian materia Figura 1.1. Sistema cerrado de intercambio energético.
ni energía con el exterior. Por el contrario, el organismo humano debe considerarse un sistema abierto (Fig. 1.2), ya que, sí intercambia con el exterior energía, en forma de calor disipado, y materia, como excreciones urinarias y fecales, sobre todo. El segundo principio indica que las transformaciones energéticas en los sistemas abiertos tienden a evolucionar en cierto sentido y no en el sentido inverso. Así, la energía potencial se degrada irreversiblemente, transformándose en una forma irrecuperable, la energía disipada, en forma de calor que colabora al aumento del grado de entropía. FORMAS DE OBTENCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS En los organismos vivos es necesario diferenciar sus posibilidades de autotrofia o de heterotrofia para conocer su dependencia o independencia nutritiva. Los organismos autótrofos tan sólo pueden asimilar sustancias inorgánicas, que transforman por reducción en sustancias orgánicas, gracias a la energía radiante o a la energía que proviene de procesos de oxidación. El ejemplo clásico de este fenómeno es la fotosíntesis o acción clorofílica de las plantas verdes. De este proceso depende todo el porvenir biológico, pues es la única posibilidad de conducir a un estado rico en energía el CO 2 , que es un producto de degradación. La clorofila —pigmento indispensable para captar la radiación rojo-anaranjada de la luz solar—, el agua de la tierra absorbida por las raíces de la planta y las propias enzimas de ésta convierten a los vegetales en reserva energética que es utilizada por otros organismos incapaces de realizar este tipo de síntesis. Éste es el primer eslabón de nuestra cadena trófica. Los seres humanos, como seres vivos más elevados, somos heterótrofos, es decir, no tenemos la posibilidad de incorporar directamente la energía radiante, y dependemos
Carnívoros Figura 1.3. Papel de la energía solar en la cadena alimentaria y aumento de la entropía. ciertas técnicas que permiten convertir en asimilables algunos alimentos que en su forma natural no lo serían. Por ejemplo, la cocción de los cereales (hervir el arroz o la pasta, cocer el pan, etc.) convierte el almidón crudo en formas aptas para su óptima digestión, que sin este tratamiento sólo se realizaría de forma parcial. La alimentación es el acto más elemental y cotidiano de toda forma de vida, y a la vez la base de la misma en nuestro planeta, ya que, de los alimentos obtenemos la energía que consumimos y los materiales de las estructuras, así como, los elementos colaboradores en la síntesis y la biología celular. FUNCIONES DE LA ENERGÍA EN EL ORGANISMO En el organismo la energía se manifiesta en forma de calor para mantener constante la temperatura corporal central (cerebro y órganos), pudiendo variar en la periferia; en forma de impulsos eléctricos para transmitir mensajes a través de las fibras del sistema nervioso; en forma dinámica (cinética del movimiento) para el trabajo muscular, en especial del músculo estriado. Por ello, una actividad física importante implica un gran consumo energético. Por último, entre las funciones más importantes, cabe destacar la de reserva. Cuando el organismo recibe un aporte energético superior a su gasto, transforma en grasa este excedente, convirtiéndolo así en una reserva poco voluminosa y generadora de gran cantidad de energía (1 g de grasa proporciona 9 kcal). En caso de necesidad, el organismo utiliza estos depósitos grasos movilizando sus reservas. CARACTERÍSTICAS DE LA ENERGÍA UTILIZADA EN NUTRICIÓN Lavoisier, uno de los padres de la química moderna, desarrolló en 1789, en su Traité élémentaire de chimie , la teoría correcta de la combustión, es decir, de la combinación del oxígeno con otras sustancias. Estos conocimientos químicos, aplicados a la fisiología, explican los mecanismos de la respiración y combustión interna de los seres vivos. Con posterioridad, otros investigadores constataron que la energía que el hombre utiliza procede de las sustancias nutritivas contenidas en los alimentos y que se denominan nutrientes. Éstos son: GLÚCIDOS o hidra- tos de carbono..... contienen O, H y C. LÍPIDOS o grasas.... contienen O, H y C. PROTEÍNAS o prótidos.......... contienen O, H, C y N. ELEMENTOS QUÍMI- COS ESENCIALES.. Ca, P, Mg, S, Fe, y Se, entre otros AGUA y ELECTRÓLI-
TOS.............. H 2 O, Na, K, Cl VITAMINAS........ Sustancias orgánicas hidrosolubles y liposolubles De todos estos nutrientes sólo son energéticos los tres primeros. Las vitaminas y los elementos inorgánicos que contienen los alimentos se encuentran formando parte del esqueleto, de los tejidos, de la sangre y de la linfa, y también tienen un papel activo y dinámico catalizando reacciones, participando como coenzimas y en la regulación hidroelectrolítica. Aunque no generan energía, desempeñan una función importantísima desde el punto de vista vital. La energía que nos ofrecen los nutrientes es energía química , pero el organismo animal no es capaz de utilizarla directamente. Hace falta que se transforme en compuestos utilizables, o sea, en energía disponible. (En biología, las reacciones químicas a presión y volumen constante implican calor: es el calor de combustión.) Cierta cantidad de energía se disipa hacia el exterior (trabajo muscular, mantenimiento de la presión osmótica y energía térmica), y también hacia el interior (procesos de síntesis, metabolismo intermediario y actividad de los diversos órganos). La fuente de energía de la célula viva es química y se halla contenida en los electrones que ligan los átomos entre sí en las moléculas orgánicas. La cesión de energía por parte del electrón se efectúa gracias a reacciones de oxidación-reducción. Oxidar un compuesto es quitarle electrones, y reducirlo es dárselos. Esto significa que por un potencial de oxidación-reducción decreciente se dirigen los electrones hacia un último aceptador para que la energía no sea liberada brutalmente. Ésta es la función de la cadena de transporte electrónico de la célula responsable de crear sistemas moleculares lábiles, ricos en energía, cuyo prototipo es el ATP (adenosín trifosfato o trifosfato de adenosina). El ATP, llamado también «moneda energética» es un compuesto vital para el organismo humano al poseer enlaces fosfatofosfato (Fig. 1.4) muy ricos en energía, que son probablemente las únicas fuente energéticas de disponibilidad inmediata gracias al sistema ADP-ATP: la fosforilación de difosfato de adenosina (ADP) produce adenosín trifosfato (ATP). La síntesis del ATP se produce fundamentalmente en la mitocondria de la célula, central energética en el seno de la cual se realiza Figura 1.4. Importancia de los enlaces fosfato en energía. un trabajo que permitirá a su vez realizar otros en los que se consume ATP: contracciones musculares, intercambios iónicos, síntesis proteica y, en definitiva, la continuidad de la vida. UNIDADES DE ENERGÍA El valor energético de los nutrientes, para que se pueda calcular, debe expresarse en unidades. Clásicamente, la unidad empleada por los expertos en nutrición ha sido la kilocaloría, cantidad de calor necesario para aumentar la temperatura de 1 litro de agua destilada de 14.5 a 15.5 °C a presión constante, es decir, una medida de energía térmica. Actualmente se prefiere expresar la energía procedente de los nutrientes en unidades de trabajo, ya que éste puede realizarse gracias a aquélla. La unidad de elección es el kilojulio. Es preciso llamar la atención sobre el uso corriente de la palabra «caloría» cuando en realidad se quiere expresar kilocaloría o Caloría (con mayúscula), que es una unidad mil veces mayor. La pequeña caloría (con minúscula) indica la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 ml de agua y no de 1 litro, como
En la práctica se utilizan cifras redondeadas denominadas «números de Atwater»: 1 gramo de glúcidos genera 4 kcal. 1 gramo de lípidos genera 9 kcal. 1 gramo de proteínas genera 4 kcal. La equivalencia en kj se obtiene multiplicando las kc por 4.2. Debe indicarse aquí que el «alcohol etílico» es un elemento que puede proporcionar energía ( kcal/g), aunque es de resaltar también que la capacidad del organismo para oxidarlo es limitada y que los efectos tóxicos que pueden producir las bebidas que lo contienen deben valorarse. NECESIDADES ENERGÉTICAS DEL HOMBRE Para determinar el gasto energético de un individuo dado, se debe partir de la apreciación de las necesidades basales, con las correspondientes correcciones derivadas de la edad, el sexo, el peso, la talla y el estado fisiológico o patológico, a las que debe añadirse el efecto o coste térmico de los propios alimentos, antes denominado «acción dinámico-específica de los alimentos». Otros factores, como el clima, la termorregulación y en especial la actividad física, pueden modificar las necesidades energéticas, como veremos más adelante. La publicación de expertos de la FAO/OMS/UNU de 1985 sobre «Necesidades de energía y de proteínas» ha sido revisada por un nuevo grupo de expertos que han ratificado algunos conceptos e introducido ciertos matices en grupos concretos sobre los «requerimientos y recomendaciones internacionales de energía». Continúan describiendo que la medición del gasto energético global, debe tener en cuenta: — Tasa del metabolismo basal (TMB). — Necesidades del crecimiento. — Edad. — Efecto térmico de los alimentos. — Correcciones relativas al sexo, peso y talla. — Otros factores: clima, termorregulación, factores psíquicos, etc. — Actividad física. Tasa del metabolismo basal (TMB) Corresponde a la cantidad de energía que permite a un individuo asumir los consumos vitales que no es posible interrumpir si se quiere asegurar la continuidad de la vida. La TMB depende principalmente del tamaño del cuerpo (peso y talla), de su composición (criterios morfológicos que describen la parte magra y la parte grasa del organismo) y de la edad (vemos que la TMB es mayor para los niños que para los ancianos). Esto se explica por el hecho de que existe una actividad metabólica superior en la parte no grasa del cuerpo, es decir, en la parte magra que corresponde principalmente a los músculos y los órganos. Existen muchas maneras de formular ecuaciones para predecir la TMB a partir de los datos recopilados, que podemos encontrar en publicaciones especializadas. Una de las más utilizadas es la siguiente: Cálculo del gasto energético en reposo (Ecuación Harris Benedict) Mujeres: 655 + (9.6 × P) + (1.7 × A) – (4.7 × E) Hombres: 66 + (13.7 × P) + (5 × A) – (6.8 × E) P = Peso (kg). A = Altura (cm). E = Edad (años). En esta obra nos limitaremos a señalar que dicha estimación se puede referir a la superficie corporal y a un tiempo determinado: horas, minutos, etc., o bien, a los kilogramos de peso y día. Internacionalmente se aceptan las siguientes cifras: 24 kcal/kg de peso/día, o 35 kcal/m 2 /hora Es imprescindible partir de estas cifras para la estimación del gasto energético global o real de una persona. Hay que resaltar que, las necesidades basales representan más de la mitad de la demanda energética de todos los hombres, a excepción de aquellos dedicados a trabajos extremadamente pesados (véanse las variaciones en función de la actividad física). Crecimiento
El gasto energético del crecimiento tiene dos componentes: a ) el valor energético del tejido o producto formado, y b ) el gasto energético de sintetizarlo. Para los niños de corta edad se acepta generalmente un valor redondeado de 5 kcal ( kj) por gramo de peso aumentado como coste suplementario de energía debido al crecimiento. Durante la
constante metabólica. Ésta corresponde a 1.0 para el hombre o mujer en pleno sueño, y aumenta a medida que se incrementa la actividad física.
