Introducción

En esta conferencia se hablará acerca de la oxidación grasa en el músculo esquelético, cómo se altera este proceso en la obesidad y qué tipo de intervenciones se pueden efectuar para mejorarlo.

El fenómeno de flexibilidad metabólica

La captación de glucosa por el músculo esquelético se ha estudiado con tecnología PET (Tomografía de Emisión de Positrones), que ha permitido demostrar que existe una flexibilidad metabólica en la utilización de la glucosa, con mínimas tasas de captación y acumulación de glicógeno durante el ayuno y gran incremento de estas tasas en respuesta a la insulina. En estado de ayuno, el músculo esquelético tiene una captación muy elevada de ácidos grasos: la fracción que se extrae en una única pasada por el músculo esquelético es de alrededor de 40%, lo cual es muy elevado en comparación con el 1% de extracción de glucosa en las mismas condiciones; esta dependencia de la grasa del músculo esquelético permite al organismo ahorrar glucosa en beneficio del cerebro y evitar la hipoglicemia durante el ayuno y el ejercicio.

La gran dependencia muscular de la oxidación grasa como fuente de energía en el ayuno normal se refleja en los valores del cuociente respiratorio (CR), que es el resultado de la relación entre la producción de dióxido de carbono y el consumo de oxígeno e indica cuál es el combustible que el organismo está utilizando en un momento determinado. Su valor es bajo en el ayuno normal, lo que indica que se está quemando principalmente grasa; en cambio, en los individuos con diabetes mellitus tipo 2, a pesar de que en su mayoría tienen sobrepeso y niveles elevados de ácidos grasos circulantes, el cuociente se encuentra elevado, debido a que existe un defecto en la oxidación de las grasas.

En la Figura 1 se ilustra lo que ocurre en condiciones fisiológicas normales, en individuos delgados, con el CR medido en la pierna (LegRQ) con la técnica de RQ (clamp), es decir, cambios en el CR durante un clamp. El CR es muy bajo en el ayuno, lo que representa la dependencia de la oxidación grasa, pero a medida que se infunde insulina, se estimula la captación de glucosa, se suprime la oxidación grasa y el músculo empieza a depender casi exclusivamente de la oxidación de la glucosa, de modo que el CR se desplaza desde un valor inicial de 0,8 a un valor aproximado de 1,0.

Figura 1. Flexibilidad metabólica de la oxidación de glucosa y lípidos en el individuo normal (Kelley, Goodpaster, Wing, Simoneau, AJP 1999).

En la diabetes tipo 2 se observan dos anormalidades: primero, durante el estado de ayuno no existe dependencia de la oxidación grasa, fenómeno que resulta fascinante, precisamente porque hay gran cantidad de grasa disponible para la combustión, lo que implica que debe haber algún defecto dentro del tejido, ya sea para obtener la grasa desde el plasma, que en realidad no es el caso, o para efectuar la distribución intracelular de la grasa para la oxidación. En segundo lugar, este defecto en la utilización de la grasa persiste frente a la estimulación con insulina. En la Figura 2 se ilustra la pérdida de la adaptación, de la homeostasis y de la capacidad de respuesta a las condiciones de ayuno y de estimulación con insulina que se observa en la diabetes.

Figura 2. Calorimetría regional indirecta (Kelley, Mandarino. J Clin Invest 86, 1999-2007, 1990).

En los obesos existe una inflexibilidad metabólica, que se ilustra en la Figura 3, donde se demuestra que el músculo normal tiene una gran capacidad para hacer una transición de su patrón de oxidación de combustible, dependiendo de si el sujeto acaba de comer o si está en ayunas, mientras que en la obesidad se pierde esta capacidad homeostática. El médico internista siempre piensa en las enfermedades crónicas como entidades en las que ocurre una pérdida de las reservas fisiológicas: tanto la insuficiencia cardiaca congestiva como el enfisema o la insuficiencia renal crónica se caracterizan por una pérdida crítica de la capacidad homeostática; en este contexto, también se debe pensar en la resistencia insulínica que aparece en la obesidad, como en una pérdida de la reserva fisiológica, en cuanto a la capacidad para cambiar entre los diferentes combustibles.

Figura 3. Inflexibilidad metabólica de la oxidación de glucosa y lípidos en la obesidad (Kelley, Goodpaster, Wing, Simoneau, AJP 1999).

Para profundizar en el significado de estas observaciones fisiológicas se decidió efectuar el análisis bioquímico de las vías del catabolismo graso, en pequeños trozos de músculo obtenido mediante biopsia con aguja a nivel del muslo. Se midió el contenido de triglicéridos en el músculo y la actividad de los distintos sistemas enzimáticos que participan en la descomposición y oxidación grasa, que en su mayoría corresponden al complejo enzimático carnitin-palmitil transferasa (CPT), responsable de remover los ácidos grasos de cadena larga desde el citosol a la matriz mitocondrial para la oxidación. Los resultados indicaron que la actividad de la CPT está disminuida en el músculo de los individuos obesos en comparación con los delgados; también están disminuidas las enzimas que participan en la vía de la oxidación beta, en la que se descomponen los ácidos grasos a acetil-CoA para que puedan entrar al ciclo de Krebs, de modo que la actividad de la citrato sintetasa, cuya actividad es un marcador del ciclo de Krebs, está reducida, al igual que la actividad de la beta-hidroxi-acil-dehidrogenasa, otra enzima marcadora de la cadena transportadora de electrones. En conjunto, esto se traduce en una disminución de la capacidad enzimática del músculo esquelético para efectuar el catabolismo de los ácidos grasos, lo que predispone al músculo a almacenar grasa en lugar de oxidarla. Así se explica que el contenido graso del músculo se encuentre aumentado en la obesidad, como se ha demostrado mediante varias técnicas.

En la Figura 4 se muestra el resultado de estudios histológicos efectuados mediante la tinción con aceite rojo O (ORO), que tiñe la grasa y permite verla como gotas rojas dentro de las fibras musculares, que también se pueden observar con tomografía computada, en forma no invasiva, o con espectroscopía de resonancia magnética, entre muchas otras técnicas que se pueden utilizar. Todas ellas muestran que el contenido de grasa dentro del músculo está aumentado en la resistencia a la insulina, la obesidad y la diabetes. Se puede observar que el contenido graso de las fibras musculares es varias veces más elevado en la obesidad y en la diabetes tipo II; las barras blancas demuestran que la baja de peso moderada, entre 10 y 15%, se asocia a reducción de la grasa intramuscular.

Figura 4. El contenido de grasa de la fibra del músculo esquelético está aumentado en la obesidad y disminuye con la pérdida de peso.

En cuanto a la causa de estas anomalías en la oxidación grasa, el músculo esquelético humano está compuesto por varios tipos de fibras, siendo las principales las fibras tipo I, oxidativas, de contracción lenta, de las que depende la oxidación grasa, y las fibras tipo II, más bien glicolíticas, de contracción rápida. Durante mucho tiempo se planteó que las personas que están predispuestas a desarrollar obesidad deberían tener reducido el número de fibras tipo I y aumentado el número de fibras tipo II, lo que traería como consecuencia que ese músculo sería menos capaz de quemar grasa. Para confirmar esta hipótesis se estudiaron muestras humanas de fibras musculares, con el objetivo de determinar el contenido graso de cada tipo de fibra. En la Figura 5 se muestran secciones seriadas de una biopsia muscular, en las que se han hecho tinciones sucesivas para determinar, primero, el tipo de fibra (ATP); en la siguiente tinción, para analizar el contenido graso (Oil Red O); y en las siguientes, para ver la actividad de la succinato deshidrogenada (SDH) y la GPDH, enzimas que participan en la cadena transportadora de electrones y que son un índice de la actividad mitocondrial. Se observan cuatro secciones de tres tipos de individuos: delgado, obeso y diabético tipo II, en las que se puede ver que el contenido graso tiende a aumentar y la actividad mitocondrial disminuye.

Figura 5. Relación entre tipo de fibra y contenido graso.

El análisis computacional de las imágenes permite cuantificar el contenido graso; se esperaría que las fibras tipo I tengan más grasa que las fibras tipo II y precisamente eso es lo que se observa, pero dentro de cada tipo de fibra, los individuos que son obesos y tienen diabetes tipo II tienen más grasa en las fibras tipo I, tipo II y tipo IIb. En relación a la actividad mitocondrial, por definición se esperaría que las fibras tipo I tuvieran alto grado de actividad, en comparación con las tipo II, y eso es exactamente lo que se observa, pero los individuos con obesidad y diabetes tipo II tienen disminución de la actividad mitocondrial dentro de cada tipo de fibra (Figura 6).

Figura 6. Los lípidos intra-miocelulares están aumentados en todos los tipos de fibra en la obesidad y la DM tipo 2 y la actividad enzimática oxidativa está disminuida.

Esto llevó a analizar con más detalle la actividad mitocondrial, para ver si existe diferencia entre la obesidad y la diabetes tipo 2. En la Figura 7 se muestra una vista de microscopía electrónica de una mitocondria entre las miofibrillas del músculo esquelético, junto a una pequeña gota de grasa, que es un combustible importante; esta morfología es bastante distinta en la fibra muscular del diabético tipo 2, a la derecha, en la cual las mitocondrias son más pequeñas y la grasa es más abundante.

Figura 7. Disfunción mitocondrial en la resistencia insulínica (Kelley et al, Diabetes 2002).

Se ha demostrado que el menor tamaño mitocondrial se correlaciona con la gravedad de la resistencia a insulina. En el gráfico de la Figura 8 se muestra la habilidad de la insulina para estimular el metabolismo graso dentro del organismo; como se puede ver, los individuos que tienen una elevada sensibilidad a la insulina tienden a tener mitocondrias de mayor tamaño que aquellos que presentan resistencia a la insulina.

Figura 8. El tamaño de las mitocondrias, medido por microscopía electrónica, se relaciona con la resistencia a la insulina (Kelley et al, Diabetes 2002).

De la misma manera, al determinar la actividad de la NADH-oxidasa en mitocondrias aisladas del músculo esquelético, se observa que el menor tamaño mitocondrial se asocia a menor actividad de esta enzima. Se sabe que ésta es un reflejo de la actividad de la cadena transportadora de electrones, la que disminuye significativamente en la obesidad, más aún si se agrega la diabetes tipo 2 (véase Figura 9). Este grado de disminución no es lo que se ve habitualmente en las enfermedades hereditarias de la mitocondria, en que los defectos son mucho más marcados, es decir, estos no son defectos hereditarios mayores autosómicos recesivos o dominantes, propios de la enfermedad mitocondrial; pero estas disfunciones de 20% a 30% exponen al músculo a la acumulación de grasa con el transcurso del tiempo.

Figura 9. Actividad de NADH-oxidasa en el músculo esquelético en individuos delgados no diabéticos, obesos no diabéticos y diabéticos tipo 2 (Kelley et al, Diabetes 2002).

En los últimos años hemos intentado estudiar la resistencia a la insulina desde la perspectiva de la biología celular, para comprender la naturaleza del daño a nivel mitocondrial. Una posibilidad es que exista disminución del número de mitocondrias, lo que se puede determinar midiendo el contenido de ADN mitocondrial, en relación al contenido de ADN nuclear dentro del músculo, índice que parece estar reducido en forma significativa, alrededor de 30%. Sin embargo, al analizar la actividad funcional de la mitocondria se observa una reducción mayor que lo que corresponde a la reducción del contenido de ADN mitocondrial; por lo tanto, además de una reducción en el número de mitocondrias habría una disfunción mitocondrial (Ritov et al, Diabetes 2005).

También se puede plantear la existencia de dos poblaciones diferentes de mitocondrias. En la Figura 10 se muestran las que se ubican justo por debajo de la membrana celular, llamadas mitocondrias del subsarcolema. Muchas de ellas se agrupan alrededor del núcleo de la célula muscular, proveyendo energía para éste; otras se disponen a lo largo de la superficie celular y están involucradas en el intercambio iónico y también en el transporte de sustratos, así como en la activación y transporte de glucosa. Un segundo grupo de mitocondrias son las mitocondrias intramiofibrilares, que se ubican alrededor de las fibras musculares y proveen la energía para la contracción muscular; éstas se pueden estudiar por separado usando técnicas como la microscopía electrónica o técnicas bioquímicas de aislamiento. En la Figura 10 se observa una capa gruesa de mitocondrias ubicadas en la zona subsarcolémica en un individuo delgado, mientras que en el diabético tipo 2, al igual que en el obeso, se observa una reducción muy marcada de las mitocondrias a lo largo de la superficie celular. De la misma manera, existe un déficit de mitocondrias dentro de la población intramiofibrilar. Más tarde se señalará la importancia de este hallazgo en la patogenia de la resistencia a la insulina.

Figura 10. Las mitocondrias subsarcolémicas están disminuidas en la diabetes tipo 2 y la obesidad.

Otro enfoque consiste en hacer análisis de ordenamiento genético (DNA microarrays). En los últimos años han aparecido varias publicaciones importantes sobre la relación entre los patrones de expresión genética en el músculo esquelético en individuos con diabetes tipo 2 y en individuos que están en riesgo de presentar esta enfermedad. Uno de los hallazgos interesantes que ha emergido de esos análisis es que el patrón más consistente es compatible con una alteración de la expresión de los genes de la fosforilación oxidativa, lo que reafirma el concepto de que la resistencia a la insulina tiene que ver con un desequilibrio energético (Vamsi K Mootha et al. Nature Genetics, June 2003). En esta instancia, se producen dentro del músculo algunas anomalías sutiles, que después de un largo tiempo de exposición del tejido a la acumulación de la grasa, generan resistencia a la insulina.

Impacto de las intervenciones

Por supuesto que la labor del médico consiste no sólo en hacer un buen diagnóstico y comprender la fisiopatología, sino que además debe intervenir e idear tratamientos eficaces. En este contexto, nuestro grupo ha efectuado algunos estudios adicionales para determinar los efectos de la baja de peso por sí sola, sin actividad física, y de la pérdida de peso combinada con actividad física, usando un programa similar al que se ha utilizado en el Programa de Prevención en Diabetes realizado en los Estados Unidos y que consiste en realizar ejercicio de moderada intensidad y lograr una baja de peso de 5 a 10% del peso inicial. Además se analizó un tercer grupo en que se intervino solamente con ejercicio.

Este último estudio fue realizado por Goodpaster en ancianos y demostró muy buenos efectos sobre el músculo esquelético, ya que el contenido de ADN mitocondrial aumentó en 60%, al igual que la actividad de la cadena transportadora de electrones y la cardiolipina. Es necesario recordar que la cardiolipina es un fosfolípido único de la membrana interna mitocondrial, de tal modo que su contenido refleja la cantidad de membrana mitocondrial interna, que es la que contiene la cadena transportadora de electrones y los componentes que producen energía; es una buena forma de cuantificar la cantidad de mitocondrias en una muestra de biopsia muscular. En este estudio, los individuos aumentaron la oxidación grasa durante el ejercicio y presentaron proliferación mitocondrial, respuesta que probablemente es importante para bajar de peso y más aún, para mantener la pérdida de peso.

Frente a la baja de peso sola, sin actividad física asociada, ocurren varias cosas interesantes desde el punto de vista del metabolismo corporal total, pero en términos de la capacidad de oxidación grasa el impacto no es tan bueno. Disminuye el contenido de lípidos intramiocelular, como parte de la baja total de peso, porque mejora el metabolismo de la glucosa y la respuesta a la insulina; pero no hay un cambio en la cantidad de mitocondrias ni en la capacidad de oxidación grasa (Figura 11). Esto quiere decir que, a menos que estos individuos puedan mantener una ingesta calórica restringida, van a estar muy propensos a volver a almacenar grasa dentro del músculo; es decir, tienen un riesgo importante de volver a ganar el peso perdido. Como ya se ha señalado, mejoran la oxidación de la glucosa en respuesta a la insulina, o sea, mejoran la tolerancia a la glucosa y la hiperglicemia.

Figura 11. Efecto de la pérdida de peso, sin actividad física.

En otro grupo se hizo el mismo tipo de intervención, pero esta vez se solicitó a los individuos que caminaran entre media a una hora a velocidad moderada, además de intentar bajar de peso. Esta intervención fue exitosa, ya que los sujetos aumentaron su capacidad aeróbica en 15%, bajaron su peso en 7% respecto al peso inicial y aumentaron su sensibilidad a la insulina en 40%, cifra realmente notable, ya que no existe ningún medicamento que tenga un efecto tan poderoso sobre la resistencia a la insulina. Lo importante es que se observó aumento en el CR en respuesta a la insulina y disminución de este parámetro en respuesta al ayuno, lo que implica que mejoró la capacidad para quemar grasa en la condición de ayuno. Esto se observa en la Figura 12, en la que se grafican las variables sensibilidad a la insulina y flexibilidad metabólica en el rango de CR que va desde el ayuno a la estimulación con insulina, y se observa que estas dos variables están fuertemente relacionadas. A medida que se recupera la flexibilidad metabólica, esto va de la mano con la recuperación de la sensibilidad a la insulina.

Figura 12. Flexibilidad metabólica y sensibilidad a la insulina antes y después de la intervención (ejercicio + baja de peso).

Posteriormente se trató de determinar cuáles eran los mejores predictores de mejoría de la sensibilidad a la insulina: la adiposidad visceral, la disminución generalizada de la masa grasa o el cambio en el consumo máximo de oxígeno (capacidad aeróbica); y se encontró que todos esos parámetros se correlacionaban con cambios en la sensibilidad a la insulina, pero el factor más fuerte fue el aumento de la oxidación grasa en condiciones basales, lo que refuerza el hecho de que la actividad física es extremadamente importante en el tratamiento de la obesidad, ya que va a producir un aumento en la capacidad de oxidación grasa. En la Figura 13 se observa cómo las mitocondrias han aumentado de tamaño después de la actividad física de moderada intensidad, lo que se correlacionó con una mejoría en la sensibilidad a la insulina.

Figura 13. Mitocondrias del músculo esquelético antes y después de la intervención.

En cuanto a la capacidad funcional de la mitocondria, se esperaba que aumentara el ADN mitocondrial en respuesta a la intervención, pero esto no ocurrió; es probable que esto se deba a que el control de las mitocondrias no es ejercido en forma exclusiva por el ADN mitocondrial, ya que el ARN mensajero que se deriva del ADN mitocondrial generalmente existe en una cantidad diez veces mayor que el ARN mensajero que se deriva de los genes del núcleo que codifican para la oxidación. En otras palabras, las mitocondrias viven dentro de la célula muscular, colonizan esa célula, pero el control sobre ellas es ejercido por el núcleo. En cambio, la actividad de la citrato sintetasa, la enzima de la matriz que participa en el ciclo de Krebs, aumentó significativamente y hubo un gran incremento del contenido de cardiolipina y de la actividad de NADH oxidasa y SDh, enzimas de la cadena transportadora de electrones. Se puede decir que la mitocondria presentó todas estas adaptaciones para mejorar la oxidación de las grasas.

En cuanto a las mediciones de actividad lipídica, ya se señaló cómo la caída del CR en el ayuno se correlaciona con un aumento de la sensibilidad a la insulina. El contenido graso del músculo, que teóricamente debía disminuir, se mantuvo más o menos igual. Este aspecto es muy interesante: si se observa el músculo de atletas de alta resistencia, como los corredores de cross-country o los montañistas, se encuentra que tienen un alto contenido de grasa en su músculo, pero también tienen mitocondrias muy grandes y activas, de modo que esa grasa es utilizada como un combustible de rápido recambio, que se deposita por el aporte de la dieta, pero se quema rápidamente, a diferencia de lo que ocurre en los individuos obesos, en los que el depósito de grasa es estático, porque la capacidad para quemarlo es mucho menor. A medida que aumenta la actividad la cantidad de grasa en el músculo permanece más o menos igual, pero el tamaño de las gotas de grasa se reduce, como se demostró con técnicas especiales de microscopía; es decir, tienen la misma cantidad de grasa, pero esparcida en muchas gotas más pequeñas, que se acercan a la mitocondria y se recambian más rapidamente. El cambio en el tamaño de las gotas de lípidos se correlacionó con una mejoría en la sensibilidad a la insulina.

Un área de investigación muy interesante es el estudio de la biología de estas gotas de lípidos. En un ejemplar de Science del año 2006 se señala que las gotas lipídicas, que antes se consideraban como meras acumulaciones de grasa en ciertas zonas, son probablemente los organelos endocrinos más activos del organismo, ya que parecen estar involucrados en la síntesis del colesterol y en muchos otros procesos. Es posible que estas pequeñas gotas de grasa dentro de las células contengan gran cantidad de información y sitios específicos de regulación; y que cuando se aclare esto se encuentren nuevos blancos de intervención. En este contexto, puede ser importante saber que no sólo la cantidad de grasa dentro del músculo se altera por el tipo de enfermedad, sino también el tamaño de las gotas de grasa, que es un poco mayor en la diabetes y en la obesidad, en comparación con los individuos delgados.

Para finalizar, es muy interesante analizar la distribución de las mitrocondrias en el músculo y su relación con la resistencia a la insulina, en términos de aumentar el transporte de glucosa en respuesta a la señal que da esta hormona, lo que define la capacidad del músculo para absorber glucosa y determina la sensibilidad a la insulina. Pues bien, la forma en que la mitocondria podría estar involucrada en la resistencia a la insulina es a través de la acumulación de grasa dentro del músculo, acumulación que interferiría con la señal de la insulina.

Por otra parte, a medida que la glucosa entra a la célula como glucosa libre, debe ser capturada para ser transformada en glucosa 6 fosfato; de lo contrario quedaría libre para abandonar la célula por la misma puerta por la que entró. La hexoquinasa, que está unida a la mitocondria justo en el canal de porina, es muy importante en la bioenergética de la mitocondria, porque mantiene ese estado libre de fosforilación oxidativa, eficiente entre mitocondrias pareadas. Esta hexoquinasa está típicamente disminuida en el músculo esquelético de personas con diabetes; una vez más, si hay escasez de mitocondrias cercanas a la superficie celular donde está ocurriendo el transporte de glucosa, esto también puede impedir la captación de glucosa. En esta hipótesis se está trabajando en nuestro laboratorio en el último año.

Figura 1. Flexibilidad metabólica de la oxidación de glucosa y lípidos en el individuo normal (Kelley, Goodpaster, Wing, Simoneau, AJP 1999).

Figura 2. Calorimetría regional indirecta (Kelley, Mandarino. J Clin Invest 86, 1999-2007, 1990).

Figura 3. Inflexibilidad metabólica de la oxidación de glucosa y lípidos en la obesidad (Kelley, Goodpaster, Wing, Simoneau, AJP 1999).

Figura 4. El contenido de grasa de la fibra del músculo esquelético está aumentado en la obesidad y disminuye con la pérdida de peso.

Figura 5. Relación entre tipo de fibra y contenido graso.

Figura 6. Los lípidos intra-miocelulares están aumentados en todos los tipos de fibra en la obesidad y la DM tipo 2 y la actividad enzimática oxidativa está disminuida.

Figura 7. Disfunción mitocondrial en la resistencia insulínica (Kelley et al, Diabetes 2002).

Figura 8. El tamaño de las mitocondrias, medido por microscopía electrónica, se relaciona con la resistencia a la insulina (Kelley et al, Diabetes 2002).

Figura 9. Actividad de NADH-oxidasa en el músculo esquelético en individuos delgados no diabéticos, obesos no diabéticos y diabéticos tipo 2 (Kelley et al, Diabetes 2002).

Figura 10. Las mitocondrias subsarcolémicas están disminuidas en la diabetes tipo 2 y la obesidad.

Figura 11. Efecto de la pérdida de peso, sin actividad física.

Figura 12. Flexibilidad metabólica y sensibilidad a la insulina antes y después de la intervención (ejercicio + baja de peso).

Figura 13. Mitocondrias del músculo esquelético antes y después de la intervención.

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