La respuesta al hambre en los animales (incluidos los humanos) es un conjunto de cambios bioquímicos y fisiológicos adaptativos , desencadenados por la falta de alimento o una pérdida extrema de peso, en los que el cuerpo busca conservar energía reduciendo la tasa metabólica y/o el gasto energético en reposo para prolongar la vida. supervivencia y preservar la grasa corporal y la masa magra. [1]
Términos equivalentes o estrechamente relacionados incluyen respuesta a la hambruna , modo de hambruna , modo de hambruna , resistencia al hambre , tolerancia al hambre , hambruna adaptada , termogénesis adaptativa , adaptación a las grasas y adaptación metabólica .
Normalmente, el cuerpo responde a una ingesta reducida de energía quemando reservas de grasa y consumiendo músculos y otros tejidos. En concreto, el cuerpo quema grasa después de agotar primero el contenido del tracto digestivo junto con las reservas de glucógeno almacenadas en las células del hígado mediante la glucogenólisis , y después de una pérdida significativa de proteínas. [2] Después de períodos prolongados de inanición, el cuerpo utiliza las proteínas del tejido muscular como fuente de combustible, lo que resulta en la pérdida de masa muscular. [3]
La magnitud y composición de la respuesta al hambre (es decir, la adaptación metabólica) se estimó en un estudio de 8 individuos que vivieron aislados en la Biosfera 2 durante dos años. Durante su aislamiento, perdieron gradualmente un promedio del 15% (rango: 9-24%) de su peso corporal debido a las duras condiciones. Al salir del aislamiento, los ocho individuos aislados fueron comparados con un grupo de control de 152 personas que inicialmente tenían características físicas similares. En promedio, la respuesta al hambre de los individuos después del aislamiento fue una reducción de 750 kilojulios (180 kilocalorías) en el gasto energético total diario . 250 kJ (60 kcal) de la respuesta al hambre se explicaron por una reducción de la masa magra y de la masa grasa . Otros 270 kJ (65 kcal) se explicaron por una reducción de la inquietud . Los 230 kJ (55 kcal) restantes fueron estadísticamente insignificantes. [4]
Los requerimientos energéticos de un cuerpo se componen de la tasa metabólica basal (TMB) y el nivel de actividad física (ERAT, termogénesis de la actividad relacionada con el ejercicio). Este requerimiento calórico se puede satisfacer con proteínas, grasas, carbohidratos o una mezcla de ellos. La glucosa es el combustible metabólico general y puede ser metabolizada por cualquier célula. La fructosa y algunos otros nutrientes sólo pueden metabolizarse en el hígado, donde sus metabolitos se transforman en glucosa almacenada como glucógeno en el hígado y los músculos, o en ácidos grasos almacenados en el tejido adiposo.
Debido a la barrera hematoencefálica , el transporte de nutrientes al cerebro humano depende especialmente de moléculas que puedan atravesar esta barrera. El cerebro consume alrededor del 18% de la tasa metabólica basal: con una ingesta diaria total de 7.500 kJ (1.800 kcal), esto equivale a 1.360 kJ (324 kcal), o unos 80 g de glucosa. Aproximadamente el 25% del consumo total de glucosa del cuerpo se produce en el cerebro.
La glucosa se puede obtener directamente de los azúcares de la dieta y mediante la descomposición de otros carbohidratos . En ausencia de azúcares y carbohidratos en la dieta, la glucosa se obtiene de la descomposición del glucógeno almacenado . El glucógeno es una forma de almacenamiento de glucosa de fácil acceso, almacenada en cantidades notables en el hígado y el músculo esquelético. [5]
Cuando se agota la reserva de glucógeno, se puede obtener glucosa a partir de la descomposición de las grasas del tejido adiposo . Las grasas se descomponen en glicerol y ácidos grasos libres, y el glicerol se convierte en glucosa en el hígado a través de la vía de la gluconeogénesis .
Cuando incluso la glucosa producida a partir de las reservas de glicerol comienza a disminuir, el hígado comienza a producir cuerpos cetónicos . Los cuerpos cetónicos son derivados de cadena corta de los ácidos grasos libres mencionados en el párrafo anterior y pueden cruzar la barrera hematoencefálica, lo que significa que pueden ser utilizados por el cerebro como combustible metabólico alternativo. Los ácidos grasos pueden ser utilizados directamente como fuente de energía por la mayoría de los tejidos del cuerpo, pero están demasiado ionizados para cruzar la barrera hematoencefálica [ contradictorio ] .
Una vez agotada la reserva de glucógeno, y durante los 2-3 días siguientes, los ácidos grasos son el principal combustible metabólico. Al principio, el cerebro continúa usando glucosa, porque si un tejido no cerebral usa ácidos grasos como combustible metabólico, el uso de glucosa en el mismo tejido se interrumpe. Por lo tanto, cuando los ácidos grasos se descomponen para obtener energía, toda la glucosa restante queda disponible para que la utilice el cerebro.
Después de 2 o 3 días de ayuno, el hígado comienza a sintetizar cuerpos cetónicos a partir de precursores obtenidos de la descomposición de ácidos grasos. El cerebro utiliza estos cuerpos cetónicos como combustible, reduciendo así sus necesidades de glucosa. Después de un ayuno de 3 días, el cerebro obtiene el 30% de su energía de los cuerpos cetónicos. Después de 4 días, esta cifra aumenta al 75%. [6]
Así, la producción de cuerpos cetónicos reduce las necesidades de glucosa del cerebro de 80 g por día a aproximadamente 30 g por día. De los 30 g restantes, el hígado puede producir 20 g por día a partir de glicerol (en sí mismo un producto de la degradación de grasas). Esto todavía deja un déficit de aproximadamente 10 g de glucosa por día que debe provenir de alguna otra fuente. Este déficit se suministra mediante la gluconeogénesis a partir de aminoácidos procedentes de la proteólisis de las proteínas corporales.
Después de varios días de ayuno, todas las células del cuerpo comienzan a descomponer las proteínas . Esto libera aminoácidos en el torrente sanguíneo, que el hígado puede convertir en glucosa. Dado que gran parte de la masa muscular del cuerpo humano es proteína, este fenómeno es responsable del desgaste de la masa muscular que se observa durante la inanición .
Sin embargo, el cuerpo puede decidir selectivamente qué células descomponen las proteínas y cuáles no. [ cita necesaria ] Se deben descomponer entre 2 y 3 g de proteína para sintetizar 1 g de glucosa; Cada día se descomponen entre 20 y 30 g de proteína para producir 10 g de glucosa para mantener vivo el cerebro. Sin embargo, para conservar proteínas, este número puede disminuir cuanto más prolongado sea el ayuno.
El hambre se produce cuando las reservas de grasa se agotan por completo y las proteínas son la única fuente de combustible disponible para el cuerpo. Así, después de períodos de inanición, la pérdida de proteínas corporales afecta la función de órganos importantes y se produce la muerte, incluso si todavía quedan reservas de grasa sin utilizar. [ cita necesaria ] (En una persona más delgada, las reservas de grasa se agotan antes, el agotamiento de proteínas ocurre antes y, por lo tanto, la muerte ocurre antes).
La causa última de muerte es, en general, la arritmia cardíaca o el paro cardíaco provocado por la degradación de los tejidos y los desequilibrios electrolíticos .
En las personas muy obesas, se ha demostrado que las proteínas pueden agotarse primero. En consecuencia, se predice que la muerte por inanición ocurrirá antes de que se agoten las reservas de grasa. [7]
Durante la inanición, menos de la mitad de la energía utilizada por el cerebro proviene de la glucosa metabolizada. Debido a que el cerebro humano puede utilizar cuerpos cetónicos como principales fuentes de combustible, el cuerpo no se ve obligado a descomponer los músculos esqueléticos a un ritmo elevado, manteniendo así tanto la función cognitiva como la movilidad durante varias semanas. Esta respuesta es extremadamente importante en la evolución humana y permitió que los humanos siguieran encontrando alimento de manera efectiva incluso ante una hambruna prolongada. [8]
Inicialmente, el nivel de insulina en circulación desciende y los niveles de glucagón , epinefrina y noradrenalina aumentan. [9] En este momento, hay una regulación positiva de la glucogenólisis , la gluconeogénesis , la lipólisis y la cetogénesis . Las reservas de glucógeno del organismo se consumen en unas 24 horas. En un adulto normal de 70 kg, sólo se almacenan en el cuerpo unos 8.000 kilojulios de glucógeno (principalmente en los músculos estriados ). El cuerpo también participa en la gluconeogénesis para convertir el glicerol y los aminoácidos glucogénicos en glucosa para el metabolismo. Otra adaptación es el ciclo de Cori , que implica transportar energía derivada de lípidos en glucosa a los tejidos glucolíticos periféricos, que a su vez envían el lactato de regreso al hígado para su resíntesis en glucosa. Debido a estos procesos, los niveles de glucosa en sangre permanecen relativamente estables durante una inanición prolongada.
Sin embargo, la principal fuente de energía durante la inanición prolongada se deriva de los triglicéridos . En comparación con los 8.000 kilojulios de glucógeno almacenado, los combustibles lipídicos son mucho más ricos en contenido energético, y un adulto de 70 kg almacena más de 400.000 kilojulios de triglicéridos (principalmente en el tejido adiposo). [10] Los triglicéridos se descomponen en ácidos grasos mediante lipólisis. La epinefrina precipita la lipólisis activando la proteína quinasa A , que fosforila la lipasa sensible a hormonas (HSL) y la perilipina . Estas enzimas, junto con CGI-58 y la lipasa de triglicéridos adiposos (ATGL), forman complejos en la superficie de las gotitas de lípidos. La acción concertada de ATGL y HSL libera los dos primeros ácidos grasos. La monoacilglicerol lipasa celular (MGL) , libera el ácido graso final. El glicerol restante entra en la gluconeogénesis. [11]
Los ácidos grasos no se pueden utilizar como fuente directa de combustible. Primero deben sufrir una oxidación beta en las mitocondrias (principalmente del músculo esquelético, del músculo cardíaco y de las células hepáticas). Los ácidos grasos se transportan a las mitocondrias como acilcarnitina mediante la acción de la enzima CAT-1. Este paso controla el flujo metabólico de la beta oxidación. El acetil-CoA resultante entra en el ciclo del TCA y sufre fosforilación oxidativa para producir ATP . El cuerpo invierte parte de este ATP en la gluconeogénesis para producir más glucosa. [12]
Los triglicéridos y los ácidos grasos de cadena larga son demasiado hidrófobos para cruzar a las células cerebrales, por lo que el hígado debe convertirlos en ácidos grasos de cadena corta y cuerpos cetónicos mediante la cetogénesis . Los cuerpos cetónicos resultantes , acetoacetato y β-hidroxibutirato , son anfipáticos y pueden transportarse al cerebro (y a los músculos) y descomponerse en acetil-CoA para su uso en el ciclo del TCA. El acetoacetato se descompone espontáneamente en acetona, y la acetona se libera a través de la orina y los pulmones para producir el "aliento de acetona" que acompaña al ayuno prolongado. El cerebro también utiliza glucosa durante la inanición, pero la mayor parte de la glucosa del cuerpo se asigna a los músculos esqueléticos y a los glóbulos rojos. El costo de que el cerebro use demasiada glucosa es la pérdida de masa muscular. Si el cerebro y los músculos dependieran exclusivamente de la glucosa, el cuerpo perdería el 50% de su contenido de nitrógeno en 8 a 10 días. [13]
Después de un ayuno prolongado, [ se necesita aclaración ] el cuerpo comienza a degradar su propio músculo esquelético. Para mantener el funcionamiento del cerebro, la gluconeogénesis continúa generando glucosa, pero se requieren aminoácidos glucogénicos, principalmente alanina. Estos provienen del músculo esquelético. Al final de la inanición, cuando los niveles de cetonas en sangre alcanzan 5-7 mM, el uso de cetonas en el cerebro aumenta, mientras que el uso de cetonas en los músculos disminuye. [14]
Entonces la autofagia se produce a un ritmo acelerado. En la autofagia, las células canibalizan moléculas críticas para producir aminoácidos para la gluconeogénesis . Este proceso distorsiona la estructura de las células, [15] y una causa común de muerte por inanición se debe a la falla del diafragma debido a una autofagia prolongada. [ cita necesaria ]
Las bacterias se vuelven muy tolerantes a los antibióticos cuando los nutrientes son limitados. El hambre contribuye a la tolerancia a los antibióticos durante la infección, ya que los nutrientes se vuelven limitados cuando son secuestrados por las defensas del huésped y consumidos por las bacterias en proliferación. [16] [17] Una de las causas más importantes de la tolerancia inducida por el hambre in vivo es el crecimiento de biopelículas , que ocurre en muchas infecciones crónicas. [18] [19] [20] La inanición en las biopelículas se debe al consumo de nutrientes por parte de las células ubicadas en la periferia de los grupos de biopelículas y a la difusión reducida de sustratos a través de la biopelícula. [21] Las bacterias del biofilm muestran una tolerancia extrema a casi todas las clases de antibióticos, y el suministro de sustratos limitantes puede restaurar la sensibilidad. [22]