Principios Básicos de Termodinámica y Bioenergética

**TEMA 3 NECESIDADES ENERGETICAS.** 1. **PRINCIPIOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA Y BIOENERGÉTICA** La bioenergética estudia cómo los seres vivos obtienen, transforman y utilizan la energía de los nutrientes a través de procesos químicos. Estas transformaciones energéticas en los organismos siguen las...

**TEMA 3 NECESIDADES ENERGETICAS.** 1. **PRINCIPIOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA Y BIOENERGÉTICA** La bioenergética estudia cómo los seres vivos obtienen, transforman y utilizan la energía de los nutrientes a través de procesos químicos. Estas transformaciones energéticas en los organismos siguen las leyes de la termodinámica. - La **primera ley** o ley de la conservación de la energía establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Mediante el catabolismo, las moléculas grandes de los nutrientes (como carbohidratos, proteínas y grasas) se descomponen en moléculas más pequeñas, liberando energía. Esta energía se almacena en forma de ATP, la \"moneda energética\" del cuerpo, que luego se usa en procesos anabólicos para construir moléculas complejas y mantener funciones vitales. - La **segunda ley** de la termodinámica dice que los sistemas tienden al desorden, favoreciendo las reacciones catabólicas que liberan energía al descomponer moléculas grandes en más pequeñas. En cambio, las reacciones anabólicas, que construyen moléculas grandes, requieren energía para superar esta tendencia natural. 1. La **energía libre de Gibbs (G)** es la energía disponible para realizar trabajo biológico en condiciones de temperatura y presión constantes. Según el cambio en G (ΔG), las reacciones se clasifican en: - **Exergónicas (ΔG \< 0)**: Liberan energía y pueden ocurrir espontáneamente. Un ejemplo es la transformación de ATP en ADP en las células, liberando energía en el proceso. - **Endergónicas (ΔG \> 0)**: Requieren energía para completarse y no ocurren espontáneamente. Estas reacciones, como las anabólicas que crean moléculas más grandes, usan la energía liberada de reacciones exergónicas. En **equilibrio (ΔG = 0)**, no hay cambio neto en la energía libre, y las concentraciones de reactivos y productos se mantienen constantes. **ΔG = G final - G inicial** 2. **LA ENTALPIA** La **entalpía (H)** mide el calor contenido en una reacción, en función de los enlaces químicos. Puede clasificarse en: - **Endotérmicas (ΔH \> 0)**: Reacciones que absorben calor o luz, comunes en plantas (como en la fotosíntesis). - **Exotérmicas (ΔH \< 0)**: Reacciones que liberan calor, como la hidrólisis del ATP en los humanos. El **ATP** es la principal fuente de energía en los procesos celulares y se descompone en ADP y fosfato inorgánico, liberando energía en una reacción exergónica y exotérmica. Esta energía permite la síntesis de macromoléculas, el transporte celular, y la comunicación neuronal, aunque no puede almacenarse directamente. 2. La **nutrición autótrofa** permite a ciertos organismos, como las plantas, generar su propia energía al sintetizar materia orgánica (carbohidratos, lípidos, proteínas) a partir de moléculas inorgánicas como CO₂ y agua, aprovechando la energía solar mediante fotosíntesis. Este proceso incluye: 1. **Absorción** de CO₂ y agua en las células. 2. **Metabolismo**: Se divide en dos fases: - **Anabolismo** (fotosíntesis) que transforma energía luminosa en energía química en dos etapas: la fase luminosa y el ciclo de Calvin. - **Catabolismo**, que degrada moléculas para producir energía y desechos. 3. **Excreción** de los productos de desecho. Los autótrofos son la base de la cadena alimentaria, proporcionando energía a los organismos heterótrofos. 3. **NUTRICIÓN HETERÓTROFA** La **nutrición heterótrofa** es el proceso mediante el cual los organismos, incluidos los humanos, obtienen nutrientes y energía de alimentos, en lugar de la luz solar o moléculas inorgánicas. Este tipo de nutrición permite que los nutrientes de los alimentos se transformen en sustancias necesarias para el crecimiento y mantenimiento de las funciones vitales. Los heterótrofos se clasifican según su dieta: **herbívoros** (plantas), **carnívoros** (animales) y **omnívoros** (ambos), como los humanos. La capacidad de cocinar los alimentos ha optimizado la digestibilidad y absorción de nutrientes en la dieta humana, incrementando su valor nutricional. Los seres heterótrofos son esenciales en los **ecosistemas**, ya que mantienen el equilibrio en las cadenas alimenticias y facilitan el flujo de materia y energía en la naturaleza. 3. Las **transformaciones energéticas celulares** permiten que el organismo libere y use la **energía** almacenada en los alimentos a través del **metabolismo**. Los **glúcidos**, **lípidos** y **proteínas** se descomponen en elementos simples (aminoácidos, monosacáridos, ácidos grasos y glicerina), que luego son **absorbidos** y degradados gradualmente. Este proceso incluye **reacciones redox** donde se intercambian electrones para liberar energía de forma controlada. Pueden ser: - **Oxidación**: Cesión de electrones. - **Reducción**: Captación de electrones. El **Ciclo de Krebs** es una ruta metabólica clave en la que se producen intermediarios energéticos y se almacena la energía liberada en **ATP**. Estos procesos son esenciales para la **vida celular**, aunque no todos los nutrientes tienen el mismo **valor energético** ni toda la energía es directamente utilizable por la célula. 4. **UNIDADES DE ENERGIA Y VALOR DE LOS ALIMENTOS** Para medir el **valor energético de los alimentos**, se usan principalmente dos unidades: - **Kilocalorías (kcal)**: Representan la energía que obtenemos de los alimentos para nuestras funciones vitales, siendo la unidad más común en nutrición. Los términos 'kilocaloría' y 'caloría' a menudo se utilizan como sinónimos) - pero no son unidades iguales (1 kcal = 1.000 calorías - **Kilojulios (kJ)**: La unidad oficial del **Sistema Internacional de Unidades (SI)**. Ambas unidades aparecen en el **etiquetado nutricional**. La **caloría** se define como la energía necesaria para aumentar la temperatura de 1 g de agua en 1 °C. En términos de nutrientes energéticos (cuánta energía nos aporta cada nutriente): - **Carbohidratos**, **lípidos** y **proteínas** tienen valores energéticos conocidos como \"números de Atwater\". - Además, la **fibra** (2 kcal/g) y el **alcohol** (7 kcal/g) también aportan energía, aunque no se suelen incluir en recomendaciones nutricionales debido a su impacto reducido o desaconsejado en la salud. 5. **Gasto Energético Total (GET)**:\ Es la cantidad de energía que una persona necesita diariamente para realizar las funciones vitales y la actividad física. Varía entre individuos y depende de varios factores. La **OMS** define el GET como la energía necesaria para mantener el equilibrio entre consumo y gasto energético en condiciones de salud óptimas, ajustándose a situaciones fisiológicas como **crecimiento**, **gestación**, **lactancia** y **envejecimiento**. GET = GEB x FA + GT El GET se calcula considerando los siguientes componentes: 1. 2. 3. 4. El **balance energético** ocurre cuando la energía consumida es igual a la energía utilizada. Un desequilibrio puede llevar a aumento o pérdida de peso. **Ingreso energético = gasto energético** 4. **GASTO ENERGÉTICO BASAL (GEB)** El **GEB** es la cantidad de energía que se requiere en reposo para funciones vitales, como **respiración**, **digestión**, **circulación**, etc. Es el componente más importante del GET y depende de factores como **edad**, **sexo**, **peso**, **composición corporal**, y **situación fisiológica**. La **masa muscular** tiene un metabolismo más activo que la masa grasa, lo que influye en el GEB. Se puede calcular mediante fórmulas como: - **Ecuación de Harris-Benedict**: - - - **Fórmulas de la OMS/FAO/UNU (1985)**: - Diferentes ecuaciones de acuerdo a grupos de edad y peso. El **GEB** varía según el peso corporal, siendo de aproximadamente **24 kcal/kg peso/día** para hombres y **23 kcal/kg peso/día** para mujeres. 5. **FACTOR DE ACTIVIDAD FÍSICA (FA)** El **Gasto por Actividad Física (GAF)** o **Factor de Actividad Física (FA)** refleja la energía gastada en actividades diarias y ejercicio físico. Es variable según el nivel de actividad de cada persona (activa o sedentaria) y depende de la duración, intensidad, eficacia, masa muscular y peso corporal. Se utiliza para estimar el gasto por actividad física a través del siguiente cálculo: **(GEB x FA)** **Estimación del GAF**: Se puede estimar mediante tablas que clasifican la actividad en diferentes niveles de intensidad (ligera, moderada, alta). Las **tablas FAO/OMS** (1985) sugieren factores de actividad según el tipo de ejercicio: 6. El **GT** se refiere a la energía utilizada en la **digestión, transporte, absorción y metabolismo** de los alimentos después de comer. Representa un 8-10% del gasto energético, aunque puede ser mayor dependiendo de la dieta. Este valor se suele considerar bajo en muchos casos al calcular el GET. Normalmente, se calcula con la siguiente ecuación: GT = 10% (GEB x FA) **Termogénesis por Estrés (TE)**: La **TE** ocurre en situaciones de estrés, como infecciones o traumatismos. En estos casos, el cuerpo aumenta el consumo energético para reparar los daños causados. La **TE** puede llegar a ser tan alta como el **100% del GEB** en estados graves y se calcula mediante el catabolismo medio por la cantidad de nitrógeno en la orina de 24 horas. 6. **CUANTIFICACIÓN DEL GASTO ENERGÉTICO. MÉTODOS CALORÍMETROS** Para cuantificar el **gasto energético**, existen métodos como la **calorimetría**, que mide el calor producido por los procesos metabólicos en el organismo. La calorimetría puede ser **directa** o **indirecta** y permite medir el gasto energético en distintas situaciones (reposo, enfermedad o actividad física). **Tipos de Calorimetría:** 1. **Calorimetría Directa**: Mide el calor liberado en la oxidación de nutrientes. Utiliza **cámaras calorimétricas** (como la cámara de Atwater) que son herméticas y miden el calor total generado por el cuerpo. Es preciso, pero costoso y complejo, por lo que se usa principalmente en investigaciones. 2. **Calorimetría Indirecta**: Estima el gasto energético a partir del **consumo de oxígeno** y **producción de dióxido de carbono** durante el metabolismo. Se basa en la relación entre estos gases y la energía generada. Métodos como el **espirómetro** y el **cociente respiratorio (RQ)** son herramientas comunes, aunque factores como la hiperventilación pueden alterar los resultados. Ambos métodos ayudan a ajustar las necesidades dietéticas y energéticas según la condición de cada persona. Para cuantificar el gasto energético sin calorimetría, se emplean varios métodos alternativos: 1. **Técnica del Agua Doblamente Marcada**: Usa isótopos de deuterio y oxígeno para medir el recambio de agua y la producción de CO2. Es útil para estimaciones a largo plazo y composición corporal, pero es costosa y no se aplica en estudios inmediatos. 2. **Bioimpedancia Eléctrica**: Estima los compartimentos corporales midiendo la resistencia al paso de una corriente. Permite estimar el GEB, aunque puede haber variabilidad en los resultados. 3. **Medida del Gasto Cardíaco**: Basada en la relación entre frecuencia cardíaca y consumo de oxígeno, este método es sencillo y económico pero requiere calibración individual y se ve afectado por condiciones ambientales. 4. **Ecuaciones Predictivas**: Como Harris-Benedict y FAO/OMS, son comunes en clínica y estiman el gasto energético en personas sanas usando variables como peso, altura, sexo y edad. 7. **PERFIL CALÓRICO RECOMENDADO** El **perfil calórico recomendado** de una dieta debe proporcionar suficiente energía para cubrir las funciones vitales y la actividad física diaria, manteniendo un peso estable. Este perfil representa el aporte de macronutrientes como un porcentaje del total calórico y suele expresarse en los siguientes rangos: - **Proteínas**: 10-15% de las calorías totales. - **Lípidos**: 30-35%, priorizando grasas insaturadas y evitando las grasas trans. - **Hidratos de carbono**: Al menos 50% de las calorías totales, con menos del 10% de azúcares libres (idealmente bajo el 5%). Aunque no hay consenso total entre organismos como la OMS, FAO y EFSA, sí coinciden en ciertos puntos, como la importancia de las grasas y la recomendación de consumir al menos 0.8 g de proteína por kg de peso corporal. Existen también diferencias regionales: en los países occidentales se tiende a consumir demasiadas proteínas, grasas, y azúcares, mientras que en países en desarrollo se consumen más carbohidratos. La distribución energética diaria orientativa se sugiere como: - Desayuno: 25% - Media mañana: 10% - Comida: 35% - Merienda: 10% - Cena: 20%