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34.2: Nutrición y Producción Energética

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    Habilidades para Desarrollar

    • Explicar por qué la dieta de un animal debe ser equilibrada y satisfacer las necesidades del cuerpo
    • Definir los componentes primarios de los alimentos
    • Describir los nutrientes esenciales requeridos para la función celular que no pueden ser sintetizados por el cuerpo animal
    • Explicar cómo se produce energía a través de la dieta y la digestión
    • Describir cómo se almacena el exceso de carbohidratos y energía en el cuerpo

    Dada la diversidad de la vida animal en nuestro planeta, no es de extrañar que la dieta animal también variara sustancialmente. La dieta animal es la fuente de materiales necesarios para construir ADN y otras moléculas complejas necesarias para el crecimiento, mantenimiento y reproducción; colectivamente estos procesos se denominan biosíntesis. La dieta también es la fuente de materiales para la producción de ATP en las células. La dieta debe ser equilibrada para aportar los minerales y vitaminas que se requieren para la función celular.

    Requerimientos de Alimentos

    ¿Cuáles son los requisitos fundamentales de la dieta animal? La dieta animal debe estar bien equilibrada y proporcionar los nutrientes necesarios para la función corporal y los minerales y vitaminas necesarios para mantener la estructura y regulación necesarias para una buena salud y capacidad reproductiva. Estos requisitos para un ser humano se ilustran gráficamente en la Figura\(\PageIndex{1}\).

    El logotipo de dieta saludable muestra un plato dividido en cuatro secciones, etiquetadas como “frutas”, “verduras”, “granos” y “proteína”. La sección de verduras es ligeramente más grande que las otras tres. Un círculo al costado del plato se etiqueta como “lácteo”. Debajo de la placa se encuentra la dirección web “Choose My Plate dot gov”.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Para los humanos, una dieta balanceada incluye frutas, verduras, granos y proteínas. (crédito: USDA)

    Conexión diaria: ¡Vamos a movernos! Campaña

    La obesidad es una epidemia creciente y la tasa de obesidad entre los niños está aumentando rápidamente en los Estados Unidos. Para combatir la obesidad infantil y garantizar que los niños tengan un comienzo saludable en la vida, la primera dama Michelle Obama ha lanzado el Let's Move! campaña. El objetivo de esta campaña es educar a los padres y cuidadores sobre cómo proporcionar una nutrición saludable y fomentar estilos de vida activos a las generaciones futuras. Este programa tiene como objetivo involucrar a toda la comunidad, incluidos los padres, maestros y proveedores de atención médica para garantizar que los niños tengan acceso a alimentos saludables, más frutas, verduras y granos integrales, y consuman menos calorías de los alimentos procesados. Otro objetivo es asegurar que los niños realicen actividad física. Con el aumento de la visualización de televisión y las actividades estacionarias como los videojuegos, los estilos de vida sedentarios se han convertido en la norma. Conoce más en www.letsmove.gov.

    Precursores Orgánicos

    Las moléculas orgánicas requeridas para construir material celular y tejidos deben provenir de los alimentos. Los carbohidratos o azúcares son la principal fuente de carbonos orgánicos en el cuerpo animal. Durante la digestión, los carbohidratos digeribles se descomponen en última instancia en glucosa y se utilizan para proporcionar energía a través de vías metabólicas. Los carbohidratos complejos, incluidos los polisacáridos, se pueden descomponer en glucosa a través de la modificación bioquímica; sin embargo, los humanos no producen la enzima celulasa y carecen de la capacidad de derivar glucosa a partir de la celulosa polisacárida. En los seres humanos, estas moléculas proporcionan la fibra necesaria para mover los desechos a través del intestino grueso y un colon sano. La flora intestinal en el intestino humano es capaz de extraer algo de nutrición de estas fibras vegetales. El exceso de azúcares en el cuerpo se convierte en glucógeno y se almacena en el hígado y los músculos para su posterior uso. Las reservas de glucógeno se utilizan para alimentar esfuerzos prolongados, como correr a larga distancia, y para proporcionar energía durante la escasez de alimentos. El exceso de glucógeno se puede convertir en grasas, las cuales se almacenan en la capa inferior de la piel de los mamíferos para su aislamiento y almacenamiento de energía. Los mamíferos almacenan el exceso de carbohidratos digeribles para sobrevivir a la hambruna y ayudar en la movilidad.

    Otro requisito importante es el del nitrógeno. El catabolismo proteico proporciona una fuente de nitrógeno orgánico. Los aminoácidos son los bloques de construcción de las proteínas y la degradación de proteínas proporciona aminoácidos que se utilizan para la función celular. El carbono y el nitrógeno derivados de estos se convierten en el bloque de construcción de nucleótidos, ácidos nucleicos, proteínas, células y tejidos. El exceso de nitrógeno debe ser excretado ya que es tóxico. Las grasas agregan sabor a los alimentos y promueven una sensación de saciedad o plenitud. Los alimentos grasos también son fuentes importantes de energía porque un gramo de grasa contiene nueve calorías. Las grasas son necesarias en la dieta para ayudar a la absorción de vitaminas liposolubles y la producción de hormonas liposolubles.

    Nutrientes Esenciales

    Si bien el cuerpo animal puede sintetizar muchas de las moléculas requeridas para la función a partir de los precursores orgánicos, hay algunos nutrientes que necesitan ser consumidos de los alimentos. Estos nutrientes se denominan nutrientes esenciales, es decir, deben comerse, y el cuerpo no puede producirlos.

    El ácido alfa-linolénico omega-3 y el ácido linoleico omega-6 son ácidos grasos esenciales necesarios para elaborar algunos fosfolípidos de membrana. Las vitaminas son otra clase de moléculas orgánicas esenciales que se requieren en pequeñas cantidades para que muchas enzimas funcionen y, por esta razón, se consideran coenzimas. La ausencia o los bajos niveles de vitaminas pueden tener un efecto dramático en la salud, como se describe en las tablas a continuación. Tanto las vitaminas liposolubles como las solubles en agua deben obtenerse de los alimentos. Los minerales, enumerados en la tabla siguiente, son nutrientes esenciales inorgánicos que deben obtenerse de los alimentos. Entre sus múltiples funciones, los minerales ayudan en la estructura y regulación y se consideran cofactores. Ciertos aminoácidos también deben obtenerse de los alimentos y no pueden ser sintetizados por el organismo. Estos aminoácidos son los aminoácidos “esenciales”. El cuerpo humano puede sintetizar solo 11 de los 20 aminoácidos requeridos; el resto debe obtenerse de los alimentos. Los aminoácidos esenciales se enumeran en la siguiente tabla.

    Tabla\(\PageIndex{1}\): Vitaminas esenciales solubles en agua
    Vitamina Función Las deficiencias pueden conducir a Fuentes
    Vitamina B 1 (Tiamina) Necesitada por el cuerpo para procesar lípidos, proteínas y carbohidratos La coenzima elimina el CO 2 de los compuestos orgánicos Debilidad muscular, Beriberi: disminución de la función cardíaca, problemas del SNC Leche, carne, frijoles secos, granos enteros
    Vitamina B 2 (Riboflavina) Toma un papel activo en el metabolismo, ayudando en la conversión de los alimentos en energía (FAD y FMN) Grietas o llagas en la superficie externa de los labios (queliosis); inflamación y enrojecimiento de la lengua; inflamación húmeda y escamosa de la piel (dermatitis seborreica) Carne, huevos, granos enriquecidos, verduras
    Vitamina B 3 (Niacina) Utilizado por el cuerpo para liberar energía de carbohidratos y procesar alcohol; requerido para la síntesis de hormonas sexuales; componente de la coenzima NAD + y NADP + Pelagra, que puede resultar en dermatitis, diarrea, demencia y muerte Carne, huevos, granos, frutos secos, papas
    Vitamina B 5 (ácido pantoténico) Ayuda a producir energía a partir de alimentos (lípidos, en particular); componente de la coenzima A Fatiga, mala coordinación, retraso en el crecimiento, entumecimiento, hormigueo en manos y pies Carne, cereales integrales, leche, frutas, verduras
    Vitamina B 6 (Piridoxina) La principal vitamina para procesar aminoácidos y lípidos; también ayuda a convertir los nutrientes en energía Irritabilidad, depresión, confusión, llagas o úlceras bucales, anemia, contracciones musculares Carne, productos lácteos, granos integrales, jugo de naranja
    Vitamina B 7 (Biotina) Utilizado en energía y metabolismo de aminoácidos, síntesis de grasa y descomposición de grasas; ayuda al cuerpo a usar azúcar en la sangre Pérdida de cabello, dermatitis, depresión, entumecimiento y hormigueo en las extremidades; trastornos neuromusculares Carne, huevos, legumbres y otras verduras
    Vitamina B 9 (Ácido fólico) Ayuda al desarrollo normal de las células, especialmente durante el desarrollo fetal; ayuda a metabolizar los ácidos nucleicos y aminoácidos La deficiencia durante el embarazo se asocia con defectos congénitos, como defectos del tubo neural y anemia Verduras de hoja verde, trigo integral, frutas, frutos secos, legumbres
    Vitamina B 12 (Cobalamina) Mantiene el sistema nervioso saludable y ayuda con la formación de células sanguíneas; coenzima en el metabolismo de ácidos nucleicos Anemia, trastornos neurológicos, entumecimiento, pérdida del equilibrio Carne, huevos, productos de origen animal
    Vitamina C (Ácido ascórbico) Ayuda a mantener el tejido conectivo: hueso, cartílago y dentina; estimula el sistema inmunológico El escorbuto, que resulta en sangrado, pérdida de cabello y dientes; dolor e hinchazón en las articulaciones; retraso en la cicatrización de heridas Cítricos, brócoli, tomates, pimientos rojos

    Tabla\(\PageIndex{2}\): Vitaminas esenciales liposolubles

    Vitamina Función Las deficiencias pueden conducir a Fuentes
    Vitamina A (Retinol) Crítico para el desarrollo de huesos, dientes y piel; ayuda a mantener la vista, mejora el sistema inmunológico, el desarrollo fetal, la expresión génica Ceguera nocturna, trastornos de la piel, alteración de la inmunidad Verduras de hoja verde oscuro, verduras de color amarillo anaranjado, frutas, leche, mantequilla
    Vitamina D Crítico para la absorción de calcio para el desarrollo y la fuerza ósea; mantiene un sistema nervioso estable; mantiene un latido cardíaco normal y fuerte; ayuda en la coagulación de la sangre Raquitismo, osteomalacia, inmunidad Aceite de hígado de bacalao, leche, yema de huevo
    Vitamina E (Tocoferol) Disminuye el daño oxidativo de las células y previene el daño pulmonar por contaminantes; vital para el sistema inmunológico La deficiencia es rara; anemia, degeneración del sistema nervioso Aceite de germen de trigo, aceites vegetales sin refinar, nueces, semillas, granos
    Vitamina K (filoquinona) Esencial para la coagulación de la sangre Sangrado y moretones fáciles Verduras verdes de hoja, té
    La foto muestra una variedad de alimentos, incluyendo langosta, almejas, nueces e hígado.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Una dieta saludable debe incluir una variedad de alimentos para asegurar que se satisfagan las necesidades de nutrientes esenciales. (crédito: Keith Weller, USDA ARS)
    Tabla\(\PageIndex{3}\): Los minerales y su función en el cuerpo humano
    Mineral Función Las deficiencias pueden conducir a Fuentes
    *Calcio Necesario para la función muscular y neuronal; salud cardíaca; construye hueso y apoya la síntesis y función de las células sanguíneas; función nerviosa Osteoporosis, raquitismo, espasmos musculares, deterioro del crecimiento Leche, yogur, pescado, verduras de hoja verde, legumbres
    *Cloro Necesario para la producción de ácido clorhídrico (HCl) en el estómago y la función nerviosa; equilibrio osmótico Calambres musculares, alteraciones del estado de ánimo, disminución del apetito Sal de mesa
    Cobre (cantidades traza) Componente requerido de muchas enzimas redox, incluyendo citocromo c oxidasa; cofactor para la síntesis de hemoglobina La deficiencia de cobre es rara Hígado, ostras, cacao, chocolate, sésamo, frutos secos
    Yodo Requerido para la síntesis de hormonas tiroideas Bocio Mariscos, sal yodada, productos lácteos
    Hierro Requerido para muchas proteínas y enzimas, especialmente la hemoglobina, para prevenir la anemia Anemia, que causa mala concentración, fatiga y mala función inmunológica Carnes rojas, verduras de hoja verde, pescado (atún, salmón), huevos, frutos secos, frijoles, granos integrales
    *Magnesio Cofactor requerido para la formación de ATP; formación ósea; funciones normales de membrana; función muscular Alteraciones del humor, espasmos musculares Granos integrales, verduras de hoja verde
    Manganeso (cantidades traza) Un cofactor en las funciones enzimáticas; se requieren cantidades traza La deficiencia de manganeso es rara Común en la mayoría de los alimentos
    Molibdeno (cantidades traza) Actúa como cofactor para tres enzimas esenciales en humanos: sulfito oxidasa, xantina oxidasa y aldehído oxidasa La deficiencia de molibdeno es rara  
    *Fósforo Un componente de huesos y dientes; ayuda a regular el equilibrio ácido-base; síntesis de nucleótidos Debilidad, anomalías óseas, pérdida de calcio Leche, queso duro, granos integrales, carnes
    *Potasio Vital para la función de los músculos, el corazón y los nervios Alteración del ritmo cardíaco, debilidad muscular Legumbres, piel de papa, tomates, plátanos
    Selenio (cantidades traza) Un cofactor esencial para la actividad de enzimas antioxidantes como la glutatión peroxidasa; se requieren cantidades traza La deficiencia de selenio es rara Común en la mayoría de los alimentos
    *Sodio Electrolito sistémico requerido para muchas funciones; equilibrio ácido-base; balance hídrico; función nerviosa Calambres musculares, fatiga, disminución del apetito Sal de mesa
    Zinc (cantidades traza) Requerido para varias enzimas como carboxipeptidasa, alcohol deshidrogenasa hepática y anhidrasa carbónica La anemia, mala cicatrización de heridas, puede conducir a baja estatura Común en la mayoría de los alimentos
    *Se requieren mayores de 200 mg/día

    Tabla\(\PageIndex{4}\): Aminoácidos Esenciales

    Aminoácidos que deben consumirse Aminoácidos anabolizados por el cuerpo
    isoleucina alanina
    leucina selenocisteína
    lisina aspartato
    metionina cisteína
    fenilalanina glutamato
    triptófano glicina
    valina prolina
    histidina* serina
    treonina tirosina
    arginina* asparagina
    *El cuerpo humano puede sintetizar histidina y arginina, pero no en las cantidades requeridas, especialmente para niños en crecimiento.

    Energía Alimentaria y ATP

    Los animales necesitan alimento para obtener energía y mantener la homeostasis. La homeostasis es la capacidad de un sistema para mantener un ambiente interno estable incluso ante cambios externos en el ambiente. Por ejemplo, la temperatura corporal normal de los humanos es de 37°C (98.6°F). Los humanos mantienen esta temperatura incluso cuando la temperatura externa es caliente o fría. Se necesita energía para mantener esta temperatura corporal, y los animales obtienen esta energía de los alimentos.

    La principal fuente de energía para los animales son los carbohidratos, principalmente la glucosa. La glucosa se llama combustible del cuerpo. Los carbohidratos digeribles en la dieta de un animal se convierten en moléculas de glucosa a través de una serie de reacciones químicas catabólicas.

    El trifosfato de adenosina, o ATP, es la moneda de energía primaria en las células; el ATP almacena energía en enlaces éster fosfato. El ATP libera energía cuando los enlaces fosfodiéster se rompen y el ATP se convierte en ADP y un grupo fosfato. El ATP es producido por las reacciones oxidativas en el citoplasma y mitocondrias de la célula, donde los carbohidratos, las proteínas y las grasas experimentan una serie de reacciones metabólicas llamadas colectivamente respiración celular. Por ejemplo, la glucólisis es una serie de reacciones en las que la glucosa se convierte en ácido pirúvico y parte de su energía potencial química se transfiere a NADH y ATP.

    Se requiere ATP para todas las funciones celulares. Se utiliza para construir las moléculas orgánicas que se requieren para las células y tejidos; proporciona energía para la contracción muscular y para la transmisión de señales eléctricas en el sistema nervioso. Cuando la cantidad de ATP está disponible en exceso de los requerimientos del cuerpo, el hígado utiliza el exceso de ATP y el exceso de glucosa para producir moléculas llamadas glucógeno. El glucógeno es una forma polimérica de glucosa y se almacena en el hígado y en las células del músculo esquelético. Cuando baja el azúcar en la sangre, el hígado libera glucosa de las reservas de glucógeno. El músculo esquelético convierte el glucógeno en glucosa durante el ejercicio intenso. El proceso de convertir la glucosa y el exceso de ATP en glucógeno y el almacenamiento del exceso de energía es un paso evolutivamente importante para ayudar a los animales a lidiar con la movilidad, la escasez de alimentos y la hambruna.

    Conexión diaria: Obesidad

    La obesidad es un problema de salud importante en los Estados Unidos, y hay un enfoque creciente en reducir la obesidad y las enfermedades a las que puede conducir, como la diabetes tipo 2, los cánceres de colon y mama, y las enfermedades cardiovasculares. ¿Cómo contribuyen los alimentos consumidos a la obesidad?

    Los alimentos grasos son densos en calorías, lo que significa que tienen más calorías por unidad de masa que los carbohidratos o las proteínas. Un gramo de carbohidratos tiene cuatro calorías, un gramo de proteína tiene cuatro calorías y un gramo de grasa tiene nueve calorías. Los animales tienden a buscar alimentos ricos en lípidos por su mayor contenido energético.

    Las señales de hambre (“tiempo para comer”) y saciedad (“tiempo para dejar de comer”) se controlan en la región del hipotálamo del cerebro. Los alimentos que son ricos en ácidos grasos tienden a promover la saciedad más que los alimentos que son ricos solo en carbohidratos.

    El exceso de carbohidratos y ATP son utilizados por el hígado para sintetizar glucógeno. El piruvato producido durante la glucólisis se utiliza para sintetizar ácidos grasos. Cuando hay más glucosa en el cuerpo de la requerida, el exceso de piruvato resultante se convierte en moléculas que eventualmente resultan en la síntesis de ácidos grasos dentro del cuerpo. Estos ácidos grasos se almacenan en las células adiposas, las células grasas en el cuerpo de los mamíferos cuya función principal es almacenar grasa para su uso posterior.

    Es importante señalar que algunos animales se benefician de la obesidad. Los osos polares y las focas necesitan grasa corporal para el aislamiento y evitar que pierdan calor corporal durante los inviernos árticos. Cuando los alimentos son escasos, la grasa corporal almacenada proporciona energía para mantener la homeostasis. Las grasas previenen la hambruna en los mamíferos, permitiéndoles acceder a la energía cuando los alimentos no están disponibles a diario; las grasas se almacenan cuando se hace una matanza grande o hay muchos alimentos disponibles.

    Resumen

    La dieta animal debe ser equilibrada y satisfacer las necesidades del organismo. Los carbohidratos, las proteínas y las grasas son los principales componentes de los alimentos. Algunos nutrientes esenciales son necesarios para la función celular pero no pueden ser producidos por el cuerpo animal. Estos incluyen vitaminas, minerales, algunos ácidos grasos y algunos aminoácidos. La ingesta de alimentos en cantidades más de las necesarias se almacena como glucógeno en el hígado y las células musculares, y en las células grasas. El exceso de almacenamiento adiposo puede provocar obesidad y serios problemas de salud. El ATP es la moneda energética de la célula y se obtiene de las vías metabólicas. El exceso de carbohidratos y energía se almacenan como glucógeno en el cuerpo.

    Glosario

    nutriente esencial
    nutriente que no puede ser sintetizado por el cuerpo; debe ser obtenido de los alimentos
    mineral
    molécula inorgánica, elemental que desempeña papeles importantes en el cuerpo
    vitamina
    sustancia orgánica necesaria en pequeñas cantidades para sostener la vida

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