Energía de los alimentos y calorías

Todos sabemos que la alimentación es el recurso que utilizamos para obtener energía. Energía que hoy en día quizás sea excesiva, pero que es absolutamente necesaria para la vida. Aunque para los dietistas y para otros profesionales sanitarios el metabolismo energético es algo conocido, me atrevo a predecir que si hiciéramos una encuesta al respecto entre la población en general descubriríamos que la mayoría simplemente piensa que la energía es una propiedad intrínseca de los alimentos, que existe en su interior en forma de "calorías" y que somos capaces de "absorberlas" mediante los procesos de digestión. O algo así, ya que es eso lo que normalmente se explica y enseña.

Aunque las interpretaciones sencillas como esta a veces ayudan a comprender conceptos complejos, quizás en este caso tanta síntesis no sea demasiado positiva, ya que puede que esté alimentando una falsa simplificación del problema: la idea de que el sobrepeso se soluciona simplemente comiendo alimentos con menos calorías. Acompañado de una buena dosis de fuerza de voluntad, claro .

Sin embargo, como expliqué en esta charla de Naukas, es incorrecto y clínicamente poco útil considerar las calorías la causa original del sobrepeso. Ya he escrito anteriormente algún post sobre el tema, pero lo cierto es que al releerlos  me he dado cuenta de que no he respondido a algunas cuestiones fundamentales y básicas relacionadas con el propio proceso de la obtención de la energía. ¿Qué es realmente la energía de los alimentos? ¿Y exactamente cómo la extraemos?



Así que he pensado en hacer un pequeño repaso sobre el tema. También breve y resumido - porque la cuestión es muy compleja - pero no demasiado, intentando respetar la cita de Einstein "Las cosas deben hacerse tan sencilla como sea posible, pero no más simples". Y con el objetivo de que aquel que no conozca el tema, pueda hacerse una idea un poco más cercana a la realidad.

Empezaré recordando que la caloría, en el contexto de las ciencias físicas y químicas se define así:

“Unidad de energía térmica, de símbolo “cal”, que equivale a la cantidad de calor necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua”.

Es decir, es una referencia de transferencia de calor, en concreto basada en el agua.

Como expliqué en el post anterior sobre los factores Atwater, para calcular las conocidas y populares calorías de cualquier alimento lo que se hace precisamente es quemarlo y observar el calor que genera. O siendo más rigurosos, realmente se somete a un proceso de oxidación y se mide el cambio de temperatura en su entorno. Como los alimentos están compuestos mayormente de materia orgánica, se pueden colocar en una atmósfera rica en oxígeno y provocar que ambos interaccionen mediante una reacción de oxidación. Es lo que comúnmente llamamos “arder” pero que realmente se trata de la siguiente reacción química:

Comida +  O2 (oxígeno) = CO2 (dióxido de carbono) + H2O (agua) + calor

En la práctica esto significa que los técnicos colocan una muestra de comida en un calorímetro (como el de la imagen de la derecha), lo rellenan de oxígeno y mediante un filamento de alta temperatura provocan su ignición. El alimento se quema (oxida) y genera calor, que modifica en cierta medida la temperatura de un baño de agua que rodea a todo el recipiente. Sabiendo la cantidad total de agua que hay en el baño y el cambio de temperatura producido, con unos cálculos relativamente sencillos se puede saber el cambio de temperatura equivalente a un gramo de agua y, de esa forma, saber el valor final de las calorías que se han creado durante la combustión.

Es decir, el número de calorías que vemos en las etiquetas de los supermercados o en las bases de datos nutricionales realmente no forman parte del alimento como una propiedad inmutable e intrínseca, sino que indican el calor generado por las reacciones de quemar sus componentes orgánicos (las grasas, las proteínas y los carbohidratos) en un ambiente rico en oxígeno. Y que normalmente es una cifra bastante elevada, del orden de varios miles de unidades, razón por la que en las etiquetas aparece el término "kilocalorías" (mil calorías) o "kcal" detrás de cada valor.

Sabiendo además que los alimentos sobre todo están formados por carbohidratos, proteínas y grasas, mediante diversos ensayos experimentales realizados en el calorímetro con alimentos de composición conocida es posible llegar a conocer las kilocalorías de cada uno de estos macronutrientes. Son los populares y conocidos "factores Atwater", los valores normalizados de la energía de oxidación de cada uno de ellos: 9, 4 y 4 kilocalorías por cada gramo de grasas, carbohidratos y proteínas, respectivamente. Y estos son los valores que se utilizan universalmente para calcular y establecer los valores de energía de los alimentos..

Bien ¿y todo esto qué tiene que ver con nuestro metabolismo? ¿Acaso nuestro cuerpo funciona como un calorímetro, “quemando” los macronutrientes y "capturando" la energía generada? Pues va a ser que no. Es momento de conocer los procesos que se suceden en nuestro cuerpo para obtener la energía de los alimentos.

La llamada respiración celular es el mecanismo con el que los seres vivos somos capaces de extraer la energía de los alimentos. Las células, unas maravillosas nanomáquinas increíblemente complejas y versátiless, dejan entrar comida y oxígeno (O2) y son capaces de convertirlo en dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y energía. Por lo tanto, realmente la respiración celular podría representarse de forma muy parecida a la reacción química de oxidación del calorímetro que he explicado anteriormente. Pero solo en sus extremos, porque en los pasos intermedios la cosa cambia. Y mucho.

La realidad  es que los procesos que ocurren dentro de la mitocondria, la unidad celular involucrada en el metabolismo energético, son muy diferentes a los de la simple oxidación por combustión. Para empezar son mucho más complejos, formados por numerosas etapas y reacciones intermedias de oxidación-reducción (redox), en los que intervienen e influyen multitud de otros componentes. Además, son lentos, progresivos y se genera energía química de forma mucho más gradual y localizada.

Pero como la mejor forma de entender las cosas complejas es conociendo los detalles, vamos a profundizar un poco en la cuestión.

Como ya sabemos, los procesos digestivos, mediante los ácidos y enzimas, desmenuzan los alimentos y extraen sus componentes esenciales. En el caso de los alimentos ricos en carbohidratos, el producto que mayormente se consigue es glucosa, que se transporta a todo el cuerpo mediante el sistema circulatorio. Pueden visualizar la molécula de glucosa llegando a la célula, atravesando su membrana. celular y entrando en ella, apoyándose en diversos componentes (transportadores)  y procesos químicos para poder hacerlo.

Ya en su interior, da comienzo el primer proceso de oxidación formado por varias reacciones, llamado glucólisis. Durante el mismo se generan diversos compuestos y al final se obtiene el ácido pirúvico, también conocido como piruvato. Aunque no es imprescindible para seguir leyendo el post, para que se hagan una idea de esta primera fase aquí tiene un esquema que representa la glucólisis:

El piruvato es el primer protagonista y puede introducirse en la mitocondria celular, el horno en el que se está fraguando este pequeño milagro, y volver a oxidarse para dar lugar a otra molécula, la acetil coenzima A (o acetil-CoA). Este va a ser el segundo protagonista, así que no lo pierda de vista.

Por otro lado, los ácidos grasos se transportan igualmente por todo el cuerpo mediante el sistema circulatorio (por ejemplo provenientes de la grasa dietética o del tejido adiposo)  y también son capaces de llegar hasta las células. Tras introducirse en ellas mediante transportadores específicos, son igualmente oxidados en la mitocondria (en una reacción llamada beta-oxidación), produciendo de nuevo, entre otras cosas, moléculas de acetil CoA.

Y en este punto da comienzo la fase final. Se trata de otra secuencia de reacciones, llamada Ciclo de Krebs o Ciclo del Ácido Cítrico. Tanto el piruvato como la acetil CoA “alimentan” y actúan como combustible durante las primeras etapas de esta compleja serie, que finaliza con dos productos finales: dióxido de carbono (CO2) y agua.

Este paso puede visualizarse en la siguiente figura:

¿Y dónde están las calorías en todo este conjunto de procesos bioquímicos intracelulares? ¿Qué tiene que ver toda esta química con la energía que nos permite seguir vivos?

Pues bien, el resumen final y esquema global de todos estos procesos podríamos describirlo con la siguiente imagen:

Resulta que durante las reacciones y etapas citadas (glucólisis, Ciclo de Krebs…) se han ido generando numerosos compuestos intermedios. Y una de estas moléculas es la que se considera como la unidad de energía química fundamental. Se trata del trifosfato de adenosina, más conocida como ATP y que pueden ver en la imagen inferior:

Esta molécula es inestable en agua (algunos enlaces de sus átomos son más débiles que los que forman con el agua), así que se convierte con relativa facilidad (por hidrólisis) en otra molécula, el difosfato de adenosina o ADP. Y cuando esto ocurre, genera una significativa cantidad de energía.

Pues bien, esta energía química  podría considerarse la chispa de la vida, porque es la que hace que la célula “funcione” y la que se puede utilizar para impulsar casi cualquier otra reacción química que se produzca en la actividad normal de nuestro cuerpo.

Por lo tanto, podríamos decir que gran parte de lo que ocurre en nuestro interior, en cada una de las pequeñas unidades de las que estamos formados,  es química movida por los impulsos vitales obtenidos de la hidrólisis de moléculas de ATP, que a su vez han sido sintetizadas en la mitocondria celular a partir de diversos componentes de los alimentos.

Maravilloso, ¿no les parece?

Pero, ¿y si no hay un abastecimiento perfecto y continuo de glucosa?¿Qué pasará con las células, especialmente con aquellas que solo son capaces de funcionar con esta molécula?  ¿Y si resulta totalmente imposible conseguir alimentos con carbohidratos? Lo cierto es que lo visto hasta ahora está centrado sobre todo en el metabolismo de la glucosa pero, como podría esperarse, nuestro cuerpo tiene varios mecanismos y planes alternativos para no jugársela a una sola carta.

Veamos cada uno de ellos:

1. Complemento primero, glucógeno, el almacén de glucosa:

Como hemos dicho, la glucosa se extrae de los alimentos ricos en carbohidratos en el proceso de digestión y posteriormente se absorbe hasta el torrente sanguíneo por las paredes del intestino, distribuyéndose así por todo el cuerpo. Por lo tanto, su concentración plasmática (en sangre) puede variar de forma importante, en función del tiempo que haya pasado desde la comida y del uso que hayamos hecho de ella. Afortunadamente, también tiene la capacidad de almacenarse en otros lugares. Sobre todo en el hígado y en los músculos, estructurándose  en forma de cadenas ramificadas, que se conocen con el nombre de glucógeno. Este recurso es especialmente útil para asegurar un flujo constante y uniforme de glucosa y una disponibilidad inmediata de energía, ya que el glucógeno actúa como buffer o regulador, al que nuestro metabolismo recurre continuamente.

2. Complemento segundo, gluconeogénesis, la obtención de glucosa a partir de proteínas: 

Además de poder conseguirla directamente a partir de los alimentos ricos en carbohidratos, nuestro cuerpo tiene una fuente paralela de generación de la glucosa, ya que debe asegurar su disponibilidad para algunas células, que la necesitan obligatoriamente. Pues bien, tanto la glucosa como el glucógeno también pueden sintetizarse en varias etapas y reacciones a partir de los aminoácidos de las proteínas (tomadas por ejemplo de los tejidos o de los músculos), en un proceso llamado gluconeogénesis. En el pasado se pensaba que éste era un mecanismo excepcional, prácticamente "de emergencia", pero ahora se sabe que está en funcionamiento en todo momento. Aunque es cierto que alcanza una especial utilidad e intensidad cuando no hay aporte de glucosa externo, si el glucógeno de reserva se agota o  si hace falta un aporte extra de energía (por ejemplo, al seguir una dieta baja en carbohidratos, hacer ayuno o practicar cantidad muy elevada de ejercicio).

3. Complemento tercero, acetil-CoA en lugar de glucosa: 

Como quizás ya se hayan dado cuenta, todavía no hemos hablado de las grasas como fuente de combustible. De manera análoga a lo que ocurre con los carbohidratos, las grasas se descomponen y metabolizan en el sistema digestivo mediante la acción de enzimas y otros elementos y finalmente llegan al torrente sanguíneo encapsulados en unas esferas llamadas quilomicrones. Tras viajar por el mismo, parte de su contenido acaba llegando a las células de grasa (adipocitos) y acumulándose en forma de triglicéridos y otra parte acaba yendo al hígado, para participar en otros procesos. Los ácidos grasos almacenados de los adipocitos pueden liberarse, salir y utilizarse también como combustible. Para ello deben pasar por un proceso llamado beta-oxidación, que los transforma en Acetil-CoA. Y como recordará, éste último puede alimentar el Ciclo de Krebs, donde pueden generarse unidades de ATP.

¿Y cuándo utiliza esta otra fuente de energía nuestro cuerpo? Pues, como ocurre en el resto de los casos, continuamente, el metabolismo energético es un sistema muy intrincado y redundante. Pero toma especial protagonismo cuando se dan ciertas condiciones. Por ejemplo, cuando la entrada de glucosa mediante la dieta es nula o extremadamente baja (aproximadamente unos 50 gramos de carbohidratos diarios, o incluso menos), nuestro cuerpo cambia su estrategia global y pone en funcionamiento una especie de “plan B”. Tras crearse la acetil-CoA a partir de los ácidos grasos, esta versátil molécula también es capaz de producir unos compuestos llamados “cuerpos cetónicos”, en concreto el beta-hidroxibutirato y el acetoacetato, tras una serie de reacciones. Estos cuerpos viajan por el torrente sanguíneo y al llegar a las células de los diferentes tejidos, vuelven a convertirse en acetil-CoA tras transformarse químicamente y servir de combustible para alimentar el Ciclo de Krebs y los mecanismos de generación de energía (ATP). Algunos expertos llaman a esta situación “cetosis nutricional”.

Bien ¿y hay más?

Pues sí, hay algunos más, aunque su utilización, en general, suele ser menos frecuente. Nuestro metabolismo también puede conseguir energía a partir del alcohol etílico (sí, el etanol, el de bebidas como el vino o la cerveza) o de la fructosa, mediante diferentes procesos de oxidación pero llegando a los mismos protagonistas. Por ejemplo el etanol se oxida a acetaldehído y después a ácido acético, para finalizar como acetil–CoA. Y la fructosa se puede convertir en glucógeno o en triglicéridos (ácidos grasos) en las células del hígado.

Bien, con esta perspectiva microscópica y de detalle del metabolismo energético celular de la glucosa, los lípidos y los tres mecanismos energéticos complementarios, ahora ya tenemos una visión algo más completa de recursos principales con los que nuestras células se aseguran el tener energía disponible. Y es bastante evidente que todo esto difiere bastante de lo que ocurre en un calorímetro cuando se queman alimentos.

Es cierto que podríamos buscar cierta correlación entre ambos modelos, por ejemplo calculando el balance de moléculas de ATP generadas en todos los procesos anteriores y consiguiendo unos valores aproximados de aportación energética para cada nutriente y en cada proceso. Pero, de cualquier forma, no debemos olvidar que esta solo sería una visión parcial, ya que es necesaria otra perspectiva más global y "macroscópica", que sobre todo aporta dos importantes diferencias más, dos conjuntos de factores que todavía no hemos tenido en cuenta.

El primero está relacionado con la utilización y utilidad de los macronutrientes para otros cometidos. Sabemos que la glucosa se utiliza sobre todo para la obtención de la energía, pero los ácidos grasos y las proteínas tienen una enorme cantidad de funciones fisiológicas y metabólicas complementarias, además de la energética. Desde la creación de componentes como estructuras, tejidos, membranas, enzimas, hormonas, hasta el almacenamiento de energía, pasando por una intensa de participación en innumerables reacciones y procesos bioquímicos.

Y el segundo se refiere a la regulación de todo lo anterior y a la selección y priorización de los diferentes procesos y sistemas. ¿Cuándo atraviesan las moléculas de glucosa o los ácidos grasos la membrana celular y se produce su oxidación? ¿En qué cantidad cada uno de ellos? ¿Cómo se prioriza el uso estructural de las proteínas o su participación en la nucleogénesis? ¿Y el almacenamiento u oxidación de los ácidos grasos? ¿Cómo se mantienen las concentraciones adecuadas de glucosa o ácidos grasos en la sangre? ¿Cómo se decide el uso del glucógeno muscular o de la glucosa plasmática? Todo esto (y mucho más) está modulado por una gran cantidad de subsistemas y componentes esenciales - entre los que destacan las hormonas -  formando una intrincada y en parte aún desconocida red de sistemas interrelacionados y redundantes. En la que influyen poderosamente por un lado cada uno de los diferentes alimentos, por otro los componentes y mecanismos tanto del sistema endocrino como del sistema digestivo, y finalmente todo controlado principalmente por un increíble procesador central, el cerebro.

Supongo que, llegados a este punto, se estarán preguntando cómo es posible relacionar todo esto con el calor generado por combustión en un calorímetro. Yo también y no tengo la respuesta. Es cierto que todo lo que les he explicado también es una gran simplificación del metabolismo energético, pero se acerca bastante más a la realidad que la idea de los paquetes de calorías dentro de los alimentos.

Si no estaban familiarizados con estos conceptos, espero que este post sirva para que a partir de ahora cuando lean los valores de las calorías de los alimentos en sus etiquetas, entiendan el por qué de su limitada utilidad. Y el por qué no tiene mucho sentido convertir dichos valores en una referencia fundamental a la hora de decidir si un alimento es o no saludable o especialmente susceptible de hacernos engordar.