5.3: Transporte de nutrientes y metabolismo energético

Objetivos de aprendizaje

• Resumir la digestión química de carbohidratos, proteínas y grasas y el metabolismo energético.

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 de 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.

Procesos del sistema digestivo

Obtener nutrición y energía de los alimentos es un proceso de varios pasos. Para los verdaderos animales, el primer paso es la ingestión, el acto de ingerir alimentos. A esto le sigue la digestión, absorción y eliminación. En las siguientes secciones, cada uno de estos pasos se discutirá en detalle.

Ingestión

Las moléculas grandes que se encuentran en los alimentos intactos no pueden pasar por las membranas celulares. Los alimentos deben dividirse en partículas más pequeñas para que los animales puedan aprovechar los nutrientes y las moléculas orgánicas. El primer paso en este proceso es la ingestión. La ingestión es el proceso de ingerir los alimentos por la boca. En los vertebrados, los dientes, la saliva y la lengua juegan un papel importante en la masticación (preparar la comida en bolo). Mientras la comida se descompone mecánicamente, las enzimas en la saliva también comienzan a procesar químicamente los alimentos. La acción combinada de estos procesos modifica el alimento de partículas grandes a una masa blanda que se puede tragar y puede recorrer a lo largo del esófago.

Digestión y absorción

La digestión es la descomposición mecánica y química de los alimentos en pequeños fragmentos orgánicos. Es importante descomponer las macromoléculas en fragmentos más pequeños que sean de tamaño adecuado para su absorción a través del epitelio digestivo. Las moléculas grandes y complejas de proteínas, polisacáridos y lípidos deben reducirse a partículas más simples como el azúcar simple antes de que puedan ser absorbidas por las células epiteliales digestivas. Diferentes órganos juegan un papel específico en el proceso digestivo. La dieta animal necesita carbohidratos, proteínas y grasas, así como vitaminas y componentes inorgánicos para el equilibrio nutricional. En las siguientes secciones se discute cómo se digiere cada uno de estos componentes.

Carbohidratos

La digestión de los carbohidratos comienza en la boca. La enzima salival amilasa inicia la descomposición de los almidones alimentarios en maltosa, un disacárido. A medida que el bolo de los alimentos viaja a través del esófago hasta el estómago, no se produce una digestión significativa de los carbohidratos. El esófago no produce enzimas digestivas pero produce mucosidad para la lubricación. El ambiente ácido en el estómago detiene la acción de la enzima amilasa.

El siguiente paso de la digestión de carbohidratos tiene lugar en el duodeno. Recordemos que el quima del estómago ingresa al duodeno y se mezcla con la secreción digestiva del páncreas, hígado y vesícula biliar. Los jugos pancreáticos también contienen amilasa, que continúa la descomposición del almidón y el glucógeno en maltosa, un disacárido. Los disacáridos se descomponen en monosacáridos por enzimas llamadas maltasas, sacarasas y lactasa, que también están presentes en el borde de cepillo de la pared del intestino delgado. La maltasa descompone la maltosa en glucosa. Otros disacáridos, como la sacarosa y la lactosa, se descomponen por sacarasa y lactasa, respectivamente. La sacarasa descompone la sacarosa (o “azúcar de mesa”) en glucosa y fructosa, y la lactasa descompone la lactosa (o “azúcar de la leche”) en glucosa y galactosa. Los monosacáridos (glucosa) así producidos son absorbidos y luego pueden ser utilizados en vías metabólicas para aprovechar la energía. Los monosacáridos son transportados a través del epitelio intestinal hacia el torrente sanguíneo para ser transportados a las diferentes células del cuerpo. Los pasos en la digestión de carbohidratos se resumen en la Figura 5.22 y Cuadro 5.1.

Figura 5.22. La digestión de los carbohidratos es realizada por varias enzimas. El almidón y el glucógeno se descomponen en glucosa por amilasa y maltasa. La sacarosa (azúcar de mesa) y la lactosa (azúcar de leche) se descomponen por sacarasa y lactasa, respectivamente.

Cuadro 5.1. Digestión de carbohidratos

Enzima	Producido por	Sitio de Acción	Sustrato que actúa sobre	Productos Finales
Amilasa salival	Glándulas salivales	Boca	Polisacáridos (Almidón)	Disacáridos (maltosa), oligosacáridos
Amilasa pancreática	Páncreas	Intestino delgado	Polisacáridos (almidón)	Disacáridos (maltosa), monosacáridos
Oligosacaridasas	Revestimiento del intestino; membrana de borde de cepillo	Intestino delgado	Disacáridos	Monosacáridos (por ejemplo, glucosa, fructosa, galactosa)

Proteína

Una gran parte de la digestión de proteínas se lleva a cabo en el estómago. La enzima pepsina juega un papel importante en la digestión de las proteínas al descomponer la proteína intacta en péptidos, que son cadenas cortas de cuatro a nueve aminoácidos. En el duodeno, otras enzimas —tripsina, elastasa y quimotripsina — actúan sobre los péptidos reduciéndolos a péptidos más pequeños. La tripsina elastasa, carboxipeptidasa y quimotripsina son producidas por el páncreas y liberadas en el duodeno donde actúan sobre el quima. La descomposición adicional de los péptidos a aminoácidos individuales es ayudada por enzimas llamadas peptidasas (las que descomponen los péptidos). Específicamente, la carboxipeptidasa, dipeptidasa y aminopeptidasa desempeñan papeles importantes en la reducción de los péptidos a aminoácidos libres. Los aminoácidos son absorbidos en el torrente sanguíneo a través del intestino delgado. Los pasos en la digestión de proteínas se resumen en la Figura 5.23 y Cuadro 5.2.

Figura 5.23. La digestión de proteínas es un proceso de varios pasos que comienza en el estómago y continúa a través de los intestinos.

Cuadro 5.2. Digestión de proteínas.

Enzima	Producido por	Sitio de Acción	Sustrato que actúa sobre	Productos Finales
Pepsina	Células principales estomacales	Estómago	Proteínas	Péptidos
Tripsina Elastasa Quimotripsina	Páncreas	Intestino delgado	Proteínas	Péptidos
Carboxipeptidasa	Páncreas	Intestino delgado	Péptidos	Aminoácidos y péptidos
Aminopeptidasa Dipeptidasa	Revestimiento del intestino	Intestino delgado	Péptidos	Aminoácidos

Lípidos

La digestión lipídica comienza en el estómago con la ayuda de lipasa lingual y lipasa gástrica. Sin embargo, la mayor parte de la digestión lipídica ocurre en el intestino delgado debido a la lipasa pancreática. Cuando el quima ingresa al duodeno, las respuestas hormonales desencadenan la liberación de bilis, la cual se produce en el hígado y se almacena en la vesícula biliar. La bilis ayuda en la digestión de lípidos, principalmente triglicéridos por emulsificación. La emulsificación es un proceso en el que los glóbulos lipídicos grandes se descomponen en varios glóbulos lipídicos pequeños. Estos pequeños glóbulos se distribuyen más ampliamente en el quima en lugar de formar grandes agregados. Los lípidos son sustancias hidrofóbicas: en presencia de agua, se agregarán para formar glóbulos para minimizar la exposición al agua. La bilis contiene sales biliares, que son anfipáticas, es decir, contienen partes hidrofóbicas e hidrófilas. Así, el lado hidrófilo de las sales biliares puede interactuar con el agua en un lado y el lado hidrófobo interactúa con los lípidos en el otro. Al hacerlo, las sales biliares emulsionan los glóbulos lipídicos grandes en pequeños glóbulos lipídicos.

¿Por qué es importante la emulsificación para la digestión de los lípidos? Los jugos pancreáticos contienen enzimas llamadas lipasas (enzimas que descomponen los lípidos). Si el lípido en el quimo se agrega en glóbulos grandes, hay muy poca área de superficie de los lípidos para que actúen sobre las lipasas, dejando la digestión lipídica incompleta. Al formar una emulsión, las sales biliares aumentan la superficie disponible de los lípidos en muchos pliegues. Las lipasas pancreáticas pueden entonces actuar sobre los lípidos de manera más eficiente y digerirlos, como se detalla en la Figura 5.24. Las lipasas descomponen los lípidos en ácidos grasos y glicéridos. Estas moléculas pueden pasar a través de la membrana plasmática de la célula y entrar en las células epiteliales del revestimiento intestinal. Las sales biliares rodean los ácidos grasos de cadena larga y los monoglicéridos formando diminutas esferas llamadas micelas. Las micelas se mueven hacia el borde de cepillo de las células absorbentes del intestino delgado donde los ácidos grasos de cadena larga y los monoglicéridos se difunden fuera de las micelas hacia las células absorbentes dejando las micelas atrás en el quimo. Los ácidos grasos de cadena larga y los monoglicéridos se recombinan en las células absorbentes para formar triglicéridos, que se agregan en glóbulos y se recubren con proteínas. Estas grandes esferas se llaman quilomicrones. Los quilomicrones contienen triglicéridos, colesterol y otros lípidos y tienen proteínas en su superficie. La superficie también está compuesta por las “cabezas” de fosfato hidrofílico de los fosfolípidos. Juntos, permiten que el quilomicrón se mueva en un ambiente acuoso sin exponer los lípidos al agua. Los quilomicrones abandonan las células absorbentes vía exocitosis. Los quilomicrones ingresan a los vasos linfáticos y luego ingresan a la sangre en la vena subclavia.

Figura 5.24. Los lípidos son digeridos y absorbidos en el intestino delgado.

Vitaminas

Las vitaminas pueden ser solubles en agua o liposolubles. Las vitaminas liposolubles se absorben de la misma manera que los lípidos. Es importante consumir alguna cantidad de lípidos en la dieta para ayudar a la absorción de vitaminas liposolubles. Las vitaminas solubles en agua pueden ser absorbidas directamente en el torrente sanguíneo desde el intestino.

NOTAS

• Revise la Figura 5.25 por su cuenta.

Figura 5.25. La digestión mecánica y química de los alimentos se lleva a cabo en muchos pasos, comenzando en la boca y terminando en el recto.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre los procesos digestivos es cierta?
a. La amilasa, la maltasa y la lactasa en la boca digieren los carbohidratos.
b. La tripsina y la lipasa en el estómago digieren proteínas.
c. La bilis emulsiona los lípidos en el intestino delgado.
d. No se absorbe ningún alimento hasta el intestino delgado

Eliminación

El paso final en la digestión es la eliminación del contenido de alimentos no digeridos y los productos de desecho. El material alimenticio no digerido ingresa al colon, donde se reabsorbe la mayor parte del agua. Recordemos que el colon también es el hogar de la microflora llamada “flora intestinal” que ayudan en el proceso de digestión. Los desechos semisólidos se mueven a través del colon por movimientos peristálticos del músculo y se almacenan en el recto. A medida que el recto se expande en respuesta al almacenamiento de materia fecal, desencadena las señales neuronales necesarias para establecer el impulso de eliminar. Los desechos sólidos se eliminan a través del ano mediante movimientos peristálticos del recto.

La diarrea y el estreñimiento son algunos de los problemas de salud más comunes que afectan la digestión. El estreñimiento es una afección en la que las heces se endurecen debido a la eliminación excesiva de agua en el colon. En contraste, si no se elimina suficiente agua de las heces, resulta en diarrea. Muchas bacterias, entre ellas las que causan el cólera, afectan las proteínas involucradas en la reabsorción de agua en el colon y resultan en diarrea excesiva.

La emesis, o vómito, es la eliminación de los alimentos por expulsión contundente por la boca. A menudo es en respuesta a un irritante que afecta el tracto digestivo, incluyendo pero no limitado a virus, bacterias, emociones, vistas e intoxicación alimentaria. Esta expulsión contundente de los alimentos se debe a las fuertes contracciones que producen los músculos del estómago. El proceso de emesis está regulado por la médula.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Piensa en el laboratorio de digestión que tuviste a principios de esta semana. Resume la digestión de lípidos, carbohidratos y proteínas en el sistema digestivo en función de las observaciones de tu laboratorio y los resultados con tus compañeros de laboratorio.

NOTAS

• No todos los animales procesan diferentes nutrientes por igual. Aquí hay un video sobre la digestión de colibríes con un enfoque en el trabajo del Dr. Welch en la Universidad de Toronto Scarborough.

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

¿Por qué y cómo son diferentes los colibríes y los humanos en la digestión de carbohidratos?