Cuerpos Cetónicos y Rendimiento Deportivo

 

En muchos sentidos, algunos de los ejemplos más refinados de la fisiología  y metabolismo humano son encontrados en atletas altamente entrenados que practican deporte competitivo. En particular, los deportes de resistencia necesitan de la implicación de un gran reclutamiento muscular y altos niveles de metabolismo aeróbico que inducen adaptaciones mitocondriales y musculares. El entrenamiento de resistencia aeróbica aumenta la capacidad oxidativa mitocondrial y también aumenta la selección de los ácidos grasos como combustible a una intensidad, además la expresión  de proteínas implicadas en el transporte de la membrana celular y la ß-oxidación de las  grasas está aumentada en deportistas de élite. Asimismo, se ha visto aumentada la capacidad del músculo esquelético para oxidar otros sustratos llevados por sangre como cuerpos cetónicos, este ha sido demostrado después del entrenamiento deportivo.

 

Los cuerpos cetónicos son combustibles producidos endógenamente por el cuerpo a partir de la grasa movilizada en respuesta a una variedad de condiciones fisiológicas y  patológicas. Los cuerpos cetónicos son: acetoacetato (AcAc), y D-ß-hidroxibutirato (ßHB), son combustibles respiratorios que pueden ser oxidados por la mayor parte de tejidos del cuerpo y son formados en cantidades grandes (hasta 150 g/día) por el hígado en respuesta a bajos niveles de glucosa e insulina en sangre.

 

La cetogénesis es una adaptación evolutiva conservada dentro de todos los organismos de orden más alto para mantener la supervivencia durante el hambre, la enfermedad o el estrés energético. En particular, la capacidad para sobrevivir durante períodos largos con reservas endógenas de energía, es un rasgo de importancia particular en humanos, donde nuestro tamaño cerebral es relativamente grande y aporta un suministro estable de glucosa cuando la función cerebral está en estado crítico. En una serie de experimentos de Cahill  en el año 1960, demostró la importancia de la oxidación de cuerpos cetónicos en el cerebro en una situación de hambre, donde hasta el 60 % de las necesidades de energía cerebrales son producidas a partir de los cuerpos cetónicos, substituyendo la glucosa como su combustible principal. Por lo tanto, la reducción de la tasa de utilización de glucosa compensada por los cuerpos cetónicos y la preservación de las proteínas que se utilizan para la gluconeogénesis, permite un aumento al ser humano de la capacidad para la supervivencia. El efecto evolutivo de los cuerpos cetónicos es por lo tanto ahorrar reservas de hidratos de carbono y de la proteína muscular, mientras ellos mismos son una fuente de energía alternativa.

 

Por lo tanto, la cetosis es una adaptación evolutiva para conservar los hidratos de carbono y puede proporcionar un sustrato de energía alternativa para el ejercicio muscular, a su vez, ahorrando combustibles intramusculares. Sin embargo, el uso del metabolismo de los cuerpos cetónicos en este contexto no ha sido apreciado.

 

Históricamente, se han usado estrategias alimentarias para influir en la selección prioritaria en el combustible a utilizar durante el ejercicio aeróbico de alta intensidad en gran parte han fallado en en el ahorro del glucógeno muscular. La razón de esto parece la competición entre sustratos para la respiración celular, por el músculo que se ejercita es sumamente selectiva, favoreciendo al hidrato de carbono con la realización de actividad física de alta intensidad. Cuando se realiza un ejercicio intenso se produce un aumento de la concentración de los niveles de ßHB de1-2 mM en sangre, en contraste la cetosis postabsortiva es de 0.1 mM. Parece que nuestra respuesta evolutiva a la crisis energética es fuerte para favorecer la cetosis, y el rendimiento en el ejercicio de resistencia puede ser desarrollado por las mismas consideraciones metabólicas pertinentes a la condición de hambre o ayuno.

 

Randle y colegas describió el ciclo glucosa-acido graso libre (FFA)  en 1963, sugiriendo una jerarquía de preferencia como sustrato por la selección de ácidos grasos antes que de  hidratos de carbono para la fosforilación oxidativa. La capacidad de las mitocondrias para cambiar su selección preferencial de combustible al principio fue reconocida por la disminución evidente en la glucólisis en la presencia de un aumento de FFA. Randle sugirió que la oxidación de hidratos de carbono pudiera ser regulada por la supresión que los ácidos grasos ejerce sobre el complejo de la piruvato deshidrogenasa (PDC), activándose este proceso por altos ratios de  acetil-CoA/CoA o nicotinamida adenina dinucleótido (NADH)/NAD +.

 

Los efectos no metabólicos de los cuerpos cetónicos

 

Shimazu et al. (2013) han demostrado que los nivel de ßHB son una característica de la cetosis nutricional, inducido por el ayuno o por la infusión ßHB, regula potentemente a la baja la expresión de la enzima histona deacetilasa Clase-I (HDAC) en ratones. Cuando están activas estas enzimas silencian genes que  expresan enzimas endógenas relacionadas con al disminución del estrés oxidativo y la inflamación. Por la reducción de la actividad de estas enzimas HDAC, ßHB reduce la estrés oxidativo, como han confirmado en los experimentos realizados por Shimazu, que mostró los niveles reducidos de hidroxinonenal y oxilípidos después de la exposición al tetracloruro de carbono. Otro lugar donde se sabe que las enzimas HDAC tienen un papel importante es en la regulación de la actividad de las proteínas mitocondriales, aproximadamente un tercio de estas es regulado por procesos de acetilación/desacetilación (Anderson y Hirschey, 2012). Ha sido observado que cetósis nutricional es asociada con una reducción de la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) en las mitocondrias (Sato et al., 1995). Mientras que esto puede ser un resultado directo de la oxidación de ßHB, esto también podría ser un resultado de un efecto indirecto de ßHB sobre las funciones de las proteínas mitocondriales vía reducción de la actividad de la HDAC.

 

Uso de la cetósis para aumentar el rendimiento deportivo

El suministro de cuerpos cetónicos para ahorrar reservas intramusculares imita la fisiología de la inanición, donde los cuerpos cetónicos proporcionan el combustible principal para la oxidación y el aumento de las señales que conducen a la reducción del metabolismo catabólico de la glucosa y el glucógeno. La suplementación de cuerpos cetónicos en otros estados fisiológicos a la inanición, se  puede aprovechar de la respuesta metabólica de nuestro cuerpo donde se elevan los niveles de cetonas en sangre. Los cuerpos cetónicos pueden ser fácilmente oxidados por el músculo en ejercicio y ejercen una fuerte influencia sobre el flujo glucolítico "in vivo". Las concentraciones elevadas de cuerpos cetónicos en el corazón de rata en ejercicio causaron la supresión de flujo glucolítico, y además se observó una promoción de la síntesis de glucógeno durante el ejercicio continuo. Los cuerpos cetónicos podrían proporcionar una alternativa lógica para la entrega de unidades de carbono al ciclo TCA, sin limitaciones en el transporte de la membrana mitocondrial y del sarcómero, que restringe la utilización de la grasa y los hidratos de carbonos para la obtención de energía. En relación a la interpretación como un suministro alternativo de carbono de los cuerpos cetónicos, la mayor entalpia de combustión sobre el piruvato podría proporcionar un mayor potencial energético para la conservación de las reacciones fosfo-anhídricas para la formación del ATP.

 

 Por lo tanto, imitación de la fisiología de la inanición durante el ejercicio (por aumento de las concentraciones de cuerpos cetónicos circulantes) puede cambiar la preferencia jerárquica de la selección del sustrato mitocondrial, efectuando una mejora en el sustrato energético utilizado, ya que preservaría el glucógeno e inhibiría el metabolismo de la glucosa, priorizando la utilización de los cuerpo cetónicos en el ejercicio, produciendo esto una mejora del rendimiento ya que reservaría el glucógeno para momento intensos de las competiciones donde se produce el desenlace de esta.

Vías de actuación del omega-3 en el hígado

Los ácidos grasos poliinsaturados Omega-3  (PUFA n-3) han demostrado aliviar los síntomas de trastornos metabólicos, tales como enfermedad cardíaca, diabetes, obesidad y resistencia a la insulina.

• El efecto cardioprotector de los AGPI n-3 depende principalmente de su dosificación. La American Heart Association recomienda 1.000 mg/d para el tratamiento de las enfermedades cardiovasculares (ECV). Estudios también han demostrado que los ácidos grasos Poliinsaturados n-3 estimulan la síntesis de glucógeno muscular y modulan la actividad de la enzima antioxidante, tales como la superóxido dismutasa y catalasa en hígados de las ratas diabéticas alimentadas con una dieta alta en grasas. Por el contrario, las dietas ricas en ácidos grasos Poliinsaturados n-6 se consideran que aumentan el riesgo de inflamación y las vías del estrés oxidativo, que son factores de confusión de la mayoría de las enfermedades metabólicas.

• Los ácidos grasos Poliinsaturados N-3 y n-6 forman mediadores bioactivos que actúan en diferentes receptores y proteínas en el cuerpo. Las proteínas son importantes mediadores de actividades biológicas en todas las células,  y el proteoma se compone de todas las proteínas expresadas codificadas por el genoma de un sistema celular. Los resultados de este estudio demuestran por primera vez que dieta rica en n-3 que PUFA redujo la expresión de regucalcin, una molécula clave involucrada en enfermedades metabólicas como la diabetes y metabolismo lipídico. 
• También se vio por primera vez que los PUFA n-3 podían regular varias proteínas implicadas en la regulación del metabolismo de los lípidos, metabolismo del carbono, hidratos de carbono, ciclo del ácido cítrico y la síntesis de proteínas.

• Los Ácidos grasos Poliinsaturados N-3 alteran la expresión de regucalcin y ApoA-I para  
• regular el metabolismo de los lípidos

Los ratones que se alimentan con una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 mostraba una menor expresión de regucalcin en comparación con ratones alimentados con una dieta baja en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. Regucalcin se expresa principalmente en el hígado del roedor y la

• mayor expresión de regucalcin está vinculada a enfermedades metabólicas como la diabetes y metabolismo lipídico. Regucalcin se ha vinculado a un papel multifuncional en diversos tejidos y está principalmente involucrada en el mantenimiento de la homeostasis  del Ca+intracelular. La regulación de la homeostasis del calcio es importante en muchas rutas metabólicas incluyendo el 
• metabolismo de la glucosa y la diabetes. Existen evidencias que relacionan una mayor expresión de 
• regucalcin a adipogénesis en adipocitos, y también a las alteraciones en el metabolismo de lípidos y 
• glucosa, que son factores predisponentes a la obesidad y la diabetes. La sobreexpresión de regucalcin también fue encontrada para mejorar la utilización de la glucosa y la producción de lípidos en las células clonadas rata de H4-II-E hepatoma in vitro.

Concomitante con una disminución de regucalcin en un alto dieta de n-3 PUFA se mostraba una 

disminución significativa en las concentraciones plasmáticas de TG en comparación con los ratones alimentados con una dieta baja en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. Aunque una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 no tuvo efectos significativos sobre la concentración hepática de TG, hubo una tendencia hacia una disminución en comparación con los ratones alimentados con una dieta baja 

en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. 

Estos resultados sugieren que la regulación del metabolismo de los lípidos en ácidos grasos 

Poliinsaturados n-3 es mediada probablemente vía regucalcin. También se observó una mayor expresión de apolipoproteína A-I (ApoA-I) en los ratones alimentados con la dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. ApoA-I es el componente proteinico más importante del HDL-c que media transporte reverso de colesterol desde los tejidos extra hepáticos al hígado para su excreción. Se ha reportado que los suplementos de ácidos grasos Poliinsaturados n-3 alteran las lipoproteína que 

contienen el proteoma y sugieren que esta alteración mejorará la funcionalidad de la partícula de 

HDL.

• El aumento de los niveles de ApoA-I es una estrategia atractiva para la prevención de la ECV, por lo tanto una dieta rica en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 es probable que induzca efectos cardioprotectores vía aumento de los niveles de ApoA-I.

• Los ácidos grasos Poliinsaturados N-3 regulan proteínas implicadas en el metabolismo del carbono

Los ratones alimentados con una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 mostraron una mayor expresión de la sintasa de S-adenosilmetionina (SAM synthase) comparado con los ratones alimentados con una dieta baja en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. SAM synthase cataliza la síntesis de SAM desde la metionina y es responsable para la regeneración de la metionina desde  homocisteína. Niveles elevados de Hcy en plasma son un factor de riesgo bien establecido para el CVD. Una dieta alta en grasas fue relacionada con un aumento de los niveles de Hcy en plasma en ratones C57BL/6, mientras que la ingesta de PUFA n-3 se asocia negativamente con niveles en plasma de Hcy. Nuestro estudio reveló que un aumentó de SAM sintasa en los ratones alimentados con dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 podría ser responsable de bajar los niveles de Hcy.

• Además de aumentar la expresión de la sintasa de SAM, una dieta rica en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 provocó una disminución en la expresión de la proteína adenosina cinasa (ADK) en comparación con ratones alimentados con una dieta baja en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. ADK desempeña un papel importante en la regulación de las concentraciones de adenosina tanto intracelulares como extracelulares catalizando la fosforilación de la adenosina a AMP mediante el uso de ATP. ADK está altamente expresada en el hígado y se ha demostrado que juega un papel importante en reacciones metiltransferasa para control de SAM y Hcy. Un reciente estudio ha reportado que la inhibición de ADK promueve la replicación de las células beta del páncreas de 
• roedores y porcinos, y los autores han propuesto la inhibición ADK como una estrategia para el tratamiento de la diabetes. Así la inhibición de ADK por ácidos grasos Poliinsaturados n-3 podría tener un potencial dietético basado en la estrategia terapéutica bajo condiciones diabéticas.

• Efecto de los ácidos grasos Poliinsaturados n-3 en la regulación del metabolismo de los carbohidratos

• Los ácidos grasos Poliinsaturados N-3 también han demostrado aumentar la sensibilidad a la insulina mediante la regulación de las proteínas implicadas en el metabolismo de los carbohidratos. Observamos una mayor expresión de hepática fructosa-1, 6-bisfosfatasa (FBPase) y ketohexokinase (KHK) en ratones alimentados con una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. FBPase convierte fructosa-1, 6-bisphophate a fructosa-6-fosfato y se considera una enzima reguladora clave en la gluconeogénesis. Una dieta rica en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 fue demostrada previamente para aumentar la expresión de FBPase en hígado de crías de 3 días de edad de ratas. Se metaboliza fructosa-6-fosfato a glucosa-6-fosfato para así actuar como un sustrato para la vía pentosas fosfato (PPP). Observamos que los ratones que se alimentaron con una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 tenían mayor expresión de 6-phosphogluconolactonase (6PGL) en comparación con ratones alimentados con la dieta baja en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. 6PGL cataliza el segundo paso en el PPP, que es una fuente importante de azúcares pentosas y NADPH necesarias para la defensa del estrés oxidativo y síntesis de nucleótidos.

• Hay dos fases en este camino; la primera es la fase oxidativa, que genera NADPH, y la segunda fase es la síntesis no oxidativa de azúcar de 5 carbonos. NADPH que resulta del PPP se utiliza principalmente en reacciones de biosíntesis reductoras dentro de las células a través del aumento de glutatión reductasa, que es necesario para regenerar el glutatión. Estudios epidemiológicos y de animales también han demostrado que la alta fructosa predispone a la diabetes tipo II y síndrome metabólico. Encontramos que los ratones alimentados con una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 tenían mayor expresión de KHK, que inicia el camino para metabolizar la fructosa dietética. Este es el primer informe que proporciona evidencia de que los ácidos grasos Poliinsaturados n-3 median en un aumento en el metabolismo de la fructosa, probablemente debido a un aumento en la expresión de la proteína de KHK.

• Efecto de los ácidos grasos Poliinsaturados n-3 en las proteínas implicadas en el ciclo del ácido cítrico

• Los ratones alimentados con una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 demostraron mayor expresión de la proteína citosólica Malato deshidrogenasa (MDH) y GTP específico Succinil CoA sintetasa subunidad beta (SCS) en comparación con ratones alimentados con una dieta baja en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. MDH es una enzima que cataliza reversiblemente la oxidación del malato a oxaloacetato mediante la reducción de NAD + a NADH y también participa en la gluconeogénesis. Los ácidos grasos Poliinsaturados N-3 se vió que podían regular eficazmente la función metabólica del hígado aumentando la actividad de la enzima MDH del hígado de ratas. SCS cataliza la reacción reversible de Succinil-CoA a succinato y es la enzima mitocondrial que sólo capaz de la producción de ATP mediante fosforilación nivel sustrato en ausencia de oxígeno. SCS desempeña un papel clave en el ciclo del ácido cítrico, metabolismo de cetonas y la síntesis del grupo hemo.

• Regulación al alza de MDH y SCS en el grupo de la dieta alta de ácidos grasos Poliinsaturados n-3 resultaría en un aumento en los niveles de oxaloacetato que tiene varios destinos posibles: 1) transaminación aspartato, 2) conversión en glucosa por la vía gluconeogénica, 3) condensación con acetil CoA a citrato  4) la conversión en piruvato. Por otra parte, los animales alimentados con una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 revelaron un aumento dramático en la expresión de la Ornitina aminotransferasa (OAT) en comparación con los ratones alimentados con una dieta baja en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. Se midió la actividad enzimática de OAT para confirmar el efecto de la dieta PUFA n-3 y observó un aumento significativo (p = 0.0086) en la actividad enzimática de OAT en los animales alimentados con una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 en comparación con los animales alimentados con la dieta baja en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. Este es el primer estudio que informa que las dietas enriquecidas con PUFA n-3 aumentaron significativamente la expresión de la proteína y actividad enzimática OAT. OAT es una aminotransferasa de la matriz mitocondrial dependiente de piridoxal-fosfato que cataliza la inter conversión de ornitina en glutamato semi aldehído.

• La OAT se encuentra en un cruce entre dos importante metabolismos: el metabolismo de la arginina y poliaminas en un lado y el metabolismo del glutamato y la prolina en el otro lado. La OAT se encuentra principalmente en el hígado donde su respuesta a las hormonas y las variaciones en la ingesta de proteína en la dieta está sujeto a mecanismos complejos. La OAT desempeña un papel en la adaptación al nivel del suministro de proteína y también a la regulación de la disponibilidad de arginina y glutamina. La glutamina tiene un número de importantes funciones reguladoras en aumento de la síntesis de proteínas, disminuyendo la degradación de proteínas y también regulando las funciones de la arginina (es decir, estimulando la liberación de hormonas de crecimiento, factor de crecimiento insulínico tipo 1, la insulina y prolactina). Por lo tanto, una sobreexpresión de OAT podría conducir a cambios en el metabolismo de la proteína, lo que disminuye la resistencia de insulina en el tipo diabetes de II.

• Este estudio establece una asociación entre dieta rica en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 y la expresión hepática de OAT. Una dieta alta de ácidos grasos Poliinsaturados n-3 parece regular el metabolismo de los carbohidratos mediante la alteración de muchas proteínas funcionales tales como FBPase, KHK, MDH, SCS y OAT.

• Efecto de los ácidos grasos Poliinsaturados n-3 en la regulación de la síntesis de proteínas

• Los animales alimentados con una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 revelaron un aumento en la expresión de la proteína disulfuro isomerasa-A3 (PDI-A3) en comparación con los ratones alimentados con una dieta baja en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. PDI-A3 constituye una familia de enzimas estructuralmente relacionadas que catalizan la formación de enlace disulfuro, reducción o isomerización de proteínas recién sintetizadas en el lumen del retículo endoplasmático. Tiene tanto una actividad de isomerasa disulfuro que ayuda a la correcta formación de puentes disulfuro entre residuos de cisteína y una actividad adicional que impide un mal plegamiento de las proteínas en el retículo endoplasmático. Una reducción en la actividad de PDI-A3 se asocia con deterioro de la función hepática. Previamente, se ha reportado que las dietas enriquecidas con aceite de arenque tienen mayor activación (fosforilación) de proteínas de señalización anabólicas en el músculo durante la administración de insulina y aminoácidos y también aumentaron la eliminación del cuerpo entero de aminoácidos no oxidativos.

Derivados de ácidos grasos Poliinsaturados N-3 como son resolvinas y protectinas impeden daños en el ADN del hígado y el estrés oxidativo; por lo tanto, disminuyendo significativamente la lesión hepática inflamatoria y la esteatosis hepática. Loa resultados de este estudio sugieren que las dietas enriquecidas en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 aumentan la síntesis de proteínas a través de inducir la expresión de disulfuro isomerasa-A3.

• También se observó que una menor expresión de aldehído deshidrogenasa (ALDH) en ratones alimentados con la dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3 en comparación con los ratones alimentados con la dieta baja en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. Las ALDHs son los productos de una familia grande del genes y catalizan la oxidación irreversible de una variedad de aldehídos biológicos incluyendo los productos de peroxidación lipídica. Los niveles crecientes de ALDH son indicativos de estrés oxidativo. Los PUFAs n-3 produjeron una disminución del estrés oxidativo  y también redujo el estrés oxidativo vascular asociado con la diabetes, que probablemente fue mediado por la inhibición de la ALDHs. Estos resultados fueron más apoyados por aumento de la expresión de lactoylglutathione liasa (glyoxalase 1) en los ratones alimentados con una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3. La glyoxalase 1 es crítica para la desintoxicación de dicarbonilos reactivos, tales como metilglioxal. Estos reactivos dicarbonilos son potentes precursores de productos finales de la glicosilación avanzada (AGEs), bien conocidos por estar aumentado en condiciones diabéticas.

• Una expresión aumentada de glyoxalase 1 en una dieta alta en ácidos grasos Poliinsaturados n-3, provocaría una reducción en la producción de AGE, obteniendo de tal modo efectos beneficiosos para la salud en diabéticos.

En conclusión, los datos de este estudio sugieren un papel funcional importante de la dieta alta PUFA n-3 en la regulación de las proteínas implicadas en los lípidos, metabolismo de la glucosa y la síntesis de proteínas. Se divulga por primera vez que los PUFA n-3 regulan a la baja la expresión de regucalcin, un potente modulador en trastornos del metabolismo de lípidos. Además, se ha  

demostrado una implicación nueva de los ácidos grasos Poliinsaturados n-3 en la regulación de las proteínas implicadas en el metabolismo del carbono (SAM sintasa y ADK), metabolismo de los carbohidratos (FBPase, KHK y 6PGL), ciclo del ácido cítrico (MDH, SCS y OAT) y síntesis de proteínas (PDI-A3, ALDH y glyoxalase-1).

Novel regulatory roles of omega-3 fatty acids in metabolic pathways: a proteomics approachAbeer A Ahmed, Kayode A Balogun, Natalia V Bykova and Sukhinder K Cheema^*

Nutrition & Metabolism 2014, 11:6