1. Introducción: homeostasis, flexibilidad metabólica y el concepto de "red reguladora metabólica"
La homeostasis metabólica depende de un equilibrio dinámico entre la disponibilidad de nutrientes, las reservas energéticas y el gasto calórico. Durante milenios, el genoma humano fue seleccionado en un entorno de alternancia entre abundancia y escasez de alimentos y de actividad física obligatoria, de modo que los ciclos de "festín y hambruna" y de "ejercicio y reposo" forman parte del sustrato evolutivo sobre el que se regula el metabolismo [4]. En la actualidad, el sedentarismo y la disponibilidad constante de alimentos generan un desajuste entre ese genotipo "ahorrador" (thrifty genes) y el ambiente, que favorece la resistencia a la insulina y las enfermedades cardiometabólicas [4].
Una idea central que articula esta revisión es que los nutrientes no son solo sustratos combustibles o precursores biosintéticos, sino también moléculas señalizadoras que activan vías de transducción específicas. Marshall propuso que las vías de señalización por nutrientes —la vía de la hexosamina (sensor de glucosa), la vía de mTOR (sensor de aminoácidos y de energía) y la vía de AMPK (sensor de baja energía)—, junto con la insulina y las hormonas del adipocito (leptina y adiponectina), forman parte de una "red reguladora metabólica" integrada que coordina el metabolismo de los combustibles a nivel celular, tisular y de organismo completo [10]. Esta red es la que permite interpretar cómo el ayuno, el ejercicio y la composición de la dieta convergen en los mismos nodos moleculares para modular la homeostasis.
2. El ayuno como modulador fisiológico
2.1. Fisiología del ayuno prolongado y los cuerpos cetónicos. Los estudios clásicos de inanición en personas con obesidad demostraron que el organismo puede sobrevivir semanas sin ingesta gracias a la movilización de las reservas de tejido adiposo. El enigma de cómo el cerebro, que se creía dependiente exclusivamente de glucosa, podía funcionar con hipoglucemia fisiológica condujo al descubrimiento del papel metabólico de los cuerpos cetónicos: el β-hidroxibutirato (BHB) y el acetoacetato (AcAc), producidos en el hígado a partir de la oxidación de ácidos grasos, cruzan la barrera hematoencefálica y se convierten en el combustible preferente del cerebro durante la inanición [1]. La concentración total de cuerpos cetónicos circulantes aumenta desde 2–3 mmol/L a los 3 días de ayuno hasta 6–8 mmol/L a los 24–42 días, estabilizándose cuando la producción hepática se equilibra con la captación tisular [1].
Este "cambio metabólico" (metabolic switch) tiene varios correlatos fisiológicos: descenso de insulina y de glucosa, aumento de ácidos grasos libres, lipólisis adipocitaria y cetogénesis hepática. En el músculo esquelético, los cuerpos cetónicos sostienen 50–85% del metabolismo oxidativo en los primeros días de ayuno, aunque con la inanición prolongada el músculo pasa a oxidar preferentemente ácidos grasos libres, "ahorrando" los cuerpos cetónicos para el sistema nervioso central [1]. El riñón, por su parte, aumenta la reabsorción tubular de cuerpos cetónicos y conserva nitrógeno al sustituir urea por amonio, un mecanismo de ahorro proteico esencial para la supervivencia [1].
A nivel molecular, el ayuno prolongado eleva el AMP intracelular y activa la AMPK, que fosforila e inactiva la acetil-CoA carboxilasa (ACC), reduciendo la síntesis de malonil-CoA. Dado que el malonil-CoA inhibe alostéricamente a la carnitina palmitoiltransferasa 1 (CPT1), su descenso libera la entrada de ácidos grasos de cadena larga a la mitocondria para su β-oxidación y favorece la cetogénesis [1]. El ayuno con restricción temporal también reduce la expresión de la sintasa de ácidos grasos (FASN) a través del represor circadiano Rev-erb, lo que deprime la lipogénesis de novo [1].
2.2. Ayuno intermitente y alimentación con restricción de tiempo. Las modalidades de ayuno intermitente (ayuno en días alternos, dieta 5:2 y alimentación con restricción temporal, TRE) son versiones más practicables que la inanición y producen beneficios metabólicos sin sus riesgos [1,3]. En los ensayos clínicos revisados, la mayoría de los regímenes de ayuno intermitente producen pérdida de peso (11 de 16 ensayos) y mejoras variables en glucosa, insulina, lípidos y marcadores inflamatorios [3]. En general, los beneficios metabólicos del ayuno intermitente no han demostrado ser superiores a los de la restricción calórica continua, pero sí representan una estrategia no farmacológica viable y sostenible [3].
Un hallazgo temprano y relevante es el de Halberg et al., que sometieron a hombres jóvenes sanos a ayuno de 20 h en días alternos durante 15 días, manteniendo el peso corporal: la captación de glucosa mediada por insulina (medida por clamp euglucémico-hiperinsulinémico) aumentó de 6,3 a 7,3 mg·kg⁻¹·min⁻¹, y la inhibición de la lipólisis por insulina en tejido adiposo fue más pronunciada tras la intervención [4]. Tras cada período de ayuno de 20 h, la adiponectina plasmática aumentó ~37% y la leptina disminuyó, lo que sugiere que el tejido adiposo actúa como un "sensor" activo de las oscilaciones de las reservas energéticas y que la adiponectina media al menos parte del efecto sensibilizador de la insulina del ayuno intermitente [4]. Es importante señalar que estos efectos ocurrieron sin cambios en el peso, el glucógeno muscular o los triglicéridos intramiocelulares, lo que indica que el ayuno y el ejercicio podrían sensibilizar a la insulina por vías parcialmente distintas [4].
2.3. Mecanismos propuestos: ritmos circadianos, microbiota y conducta. Patterson y Sears destacan tres mecanismos hipotéticos por los cuales el ayuno intermitente mejora la salud: (1) la biología circadiana, ya que los relojes periféricos (hígado, músculo, grasa) se sincronizan con la ingesta; comer de noche se asocia con peores respuestas glucémicas postprandiales y mayor riesgo metabólico, mientras que prolongar el ayuno nocturno (≥12–13 h) se asocia con menor HbA1c y menor inflamación en estudios observacionales; (2) la microbiota intestinal, cuyas oscilaciones cíclicas diarias se restauran con la alimentación restringida en el tiempo y cuyas alteraciones (disbiosis por jet lag) se han relacionado con intolerancia a la glucosa; y (3) conductas modificables como el sueño, la ingesta energética total y la actividad física [3]. La sensibilidad a la insulina disminuye a lo largo del día, de modo que alinear la ingesta con las horas de mayor tolerancia glucémica constituye una estrategia "crononutricional" relevante [3].
3. Ejercicio físico: perturbación homeostática y adaptación
3.1. Metabolismo agudo del ejercicio. El músculo esquelético es un órgano central en la regulación metabólica: es el principal sitio de almacenamiento de glucógeno, de captación de glucosa estimulada por insulina y de oxidación de sustratos. Durante el ejercicio agudo, el ATP libre intramuscular solo sostiene <2 s de contracción máxima, por lo que la resíntesis de ATP depende de la integración de los sistemas fosfágeno (fosfocreatina/creatina quinasa), glucolítico y oxidativo [5]. Según el "concepto de cruce" (crossover), a intensidades bajas-moderadas domina la oxidación de ácidos grasos no esterificados (NEFA) y lípidos intramiocelulares, mientras que al aumentar la intensidad se produce una transición hacia la utilización preferente de carbohidratos (glucógeno muscular y glucosa sanguínea) [5]. La captación de glucosa por el músculo puede aumentar 15–50 veces respecto al reposo, mediada por la translocación de GLUT4 regulada por Ca²⁺/CaMKII, AMPK y RAC1 [5].
El ejercicio también genera especies reactivas de oxígeno (ROS), principalmente por las NADPH oxidasas (NOX2 y NOX4) en la sarcolema y el retículo sarcoplásmico, que actúan como moléculas señalizadoras necesarias para las adaptaciones al entrenamiento; de hecho, atenuar el estrés oxidativo con antioxidantes en dosis altas reduce los efectos sensibilizadores de la insulina del entrenamiento [5].
3.2. Adaptaciones al entrenamiento: biogénesis mitocondrial y señalización. El entrenamiento crónico aumenta la capacidad oxidativa del músculo mediante la biogénesis mitocondrial, proceso iniciado por la activación de AMPK (por aumento de AMP/ATP), CaMK (por los transitorios de Ca²⁺) y p38 MAPK, que convergen en la expresión y actividad del coactivador transcripcional PGC-1α, el "regulador maestro" de la biogénesis mitocondrial [6]. PGC-1α coactiva factores como NRF1/2 y MEF2 para inducir la expresión de genes mitocondriales nucleares y mitocondriales [6]. Este programa adaptativo no se limita al músculo: el ejercicio induce biogénesis mitocondrial también en tejido adiposo (vía catecolaminas, glucagón, IL-6 y lactato), y hay evidencia en hígado, cerebro y riñón, lo que apoya la noción de una biogénesis mitocondrial "sistémica" mediada por señales circulantes [6]. En el tejido adiposo, el aumento de PGC-1α y de enzimas mitocondriales tras el entrenamiento podría mejorar el reciclaje ácido graso-triglicérido y contribuir a la salud metabólica global [6].
A nivel celular, el ejercicio remodela el retículo mitocondrial (subsarcolemal e intermidfibrillar), las crestas mitocondriales y los supercomplejos de la cadena respiratoria, mejorando la eficiencia del acoplamiento oxidativo [5]. Además, la mitofagia selectiva de mitocondrias dañadas, regulada por AMPK mitocondrial y ULK1/MFF, es esencial para mantener la calidad mitocondrial y la homeostasis energética celular [5].
3.3. Regulación epigenética y redox del músculo. El ejercicio modifica el paisaje epigenético del músculo: una sesión aguda induce hipometilación global del ADN y cambios en la metilación de promotores de genes como PGC-1α, PDK4 y PPAR-δ, mientras que el entrenamiento produce patrones de metilación que podrían constituir una "memoria muscular" [2,5]. Las ROS generadas por la contracción modifican la guanina del ADN a 8-oxoguanina (8-oxoGua), que actúa como una "marca epigenética-like": es leída por la glicosilasa OGG1, que puede reclutar a TET1 para promover la desmetilación de citosinas o bien modular la unión de factores de transcripción y la topografía de la cromatina [2]. El 8-oxoGua liberado por la reparación BER se comporta además como un segundo mensajero: el complejo OGG1·8-oxoGua tiene actividad de factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) que activa RAS/MEK/ERK y promueve la activación de células satélite y la diferenciación miogénica (vía MyoD) [2]. De este modo, el "estrés oxidativo" inducido por el ejercicio se reinterpreta como un mecanismo fisiológico de señalización que contribuye a la adaptación, la reparación muscular y, posiblemente, al enlentecimiento del reloj epigenético de envejecimiento [2].
3.4. Efectos sistémicos: mioquinas y comunicación interorgánica. El músculo en contracción secreta mioquinas (IL-6, apelina, lactato, succinato, etc.) que actúan de forma autocrina, paracrina y endocrina. La IL-6 muscular moviliza NEFA y modula la inflamación; el lactato participa en ejes de comunicación músculo-tejido adiposo (TGF-β2) y en la supresión del apetito vía Lac-Phe; y el eje PGC-1α-KAT detoxifica el quinurenina, ejerciendo efectos antidepresivos [5]. Estas señales contribuyen a explicar por qué el ejercicio mejora la homeostasis de la glucosa, la función endotelial y la salud metabólica sistémica más allá del músculo [5].
4. Nutrición: nutrientes como señales y órganos sensores
4.1. Vías de señalización por nutrientes. La nutrición modula la homeostasis no solo aportando sustratos, sino activando sensores moleculares [10]:
- Vía de la hexosamina: funciona como sensor de glucosa; el exceso de flujo glucolítico genera UDP-GlcNAc y O-GlcNAcilación de proteínas reguladoras, lo que se asocia con desensibilización del transportador de glucosa (resistencia a la insulina inducida por glucosa, "glucotoxicidad"), aumento de la lipogénesis y regulación de la secreción de leptina y adiponectina por el adipocito [10].
- Vía de mTOR (mTORC1): sensora de aminoácidos y de energía; promueve síntesis proteica, biogénesis ribosomal e inhibe la autofagia; es inhibida por AMPK cuando la energía escasea, conectando el estado nutricional con el crecimiento celular [10]. En músculo, la actividad de mTORC1 tras el ejercicio de fuerza es potenciada por la ingesta de proteínas y aminoácidos [5].
- Vía de AMPK: sensor de déficit energético (AMP/ATP alto); activa vías catabólicas generadoras de ATP e inhibe vías anabólicas, y es regulada por hormonas como leptina y adiponectina [10]. AMPK es el nexo común entre ayuno, ejercicio y ciertos fármacos como la metformina [10].
Estas vías están interconectadas entre sí y con la señalización insulínica, configurando la "red reguladora metabólica" que mantiene la glucemia en un rango estrecho, requisito indispensable para el cerebro, que depende de glucosa [10].
4.2. El intestino como regulador de la homeostasis energética. El intestino delgado es un órgano plástico y endocrino clave: sus células enteroendocrinas secretan GLP-1, GIP, PYY, colecistoquinina y otras hormonas que regulan la secreción de insulina (efecto incretina), el apetito y la motilidad [9]. La superficie absortiva del intestino se remodela en respuesta a la dieta: la sobrealimentación (dietas altas en grasa y azúcares) alarga las vellosidades y aumenta la capacidad absortiva mediante la proliferación de células madre intestinales regulada por la vía Wnt y por el metabolismo lipídico dependiente de PPARα; la restricción calórica, paradójicamente, aumenta la proliferación de células madre en las criptas [9]. El intestino también amortigua la carga de fructosa y participa en la gluconeogénesis intestinal durante el ayuno prolongado, que señaliza al hígado y al cerebro a través de un sensor de glucosa portal, reduciendo la producción hepática de glucosa y el apetito [9]. La microbiota, a través de ácidos grasos de cadena corta (butirato, propionato) y otros metabolitos, modula la gluconeogénesis intestinal, la secreción hormonal y la integridad de la barrera, constituyendo otro nexo entre nutrición y homeostasis [3,9].
5. Interacciones: ejercicio en ayunas, disponibilidad de sustratos y adaptación
5.1. Efectos metabólicos del ejercicio en estado de ayuno. El estado nutricional previo modifica profundamente el metabolismo del ejercicio. El metaanálisis de Aird et al. concluye que la alimentación pre-ejercicio mejora el rendimiento en ejercicio aeróbico prolongado (>60 min), mientras que no afecta al rendimiento en ejercicios más cortos ni al interválico de alta intensidad [8]. Por el contrario, el ejercicio en ayunas eleva significativamente los ácidos grasos libres circulantes post-ejercicio (efecto grande, g = 0,7) y activa en mayor medida vías de señalización metabólica: la ingesta de glucosa antes del ejercicio atenúa la fosforilación de AMPK (Thr172), la expresión de SIRT1 y las respuestas de señalización en músculo (STAT3, ERK1/2) y en tejido adiposo (PDK4, ATGL, HSL, CD36, GLUT4, IRS2) [8]. Estos datos apoyan la hipótesis de que el ejercicio en condiciones de baja disponibilidad de glucosa optimiza la señalización adaptativa relacionada con la utilización de lípidos y la biogénesis mitocondrial, aunque los estudios crónicos (p. ej., HIIT en ayunas vs. alimentado) muestran resultados más matizados [8].
5.2. Entrenamiento en ayunas: mayor capacidad oxidativa. El estudio controlado de Van Proeyen et al. comparó 6 semanas de entrenamiento de resistencia isocalórico en ayunas (F) frente a entrenamiento con abundantes carbohidratos (CHO). El entrenamiento en ayunas produjo: mayor aumento de la intensidad de ejercicio correspondiente a la oxidación máxima de grasas (FATmax, +21% vs. +6%), mayor actividad de citrato sintasa (+47%) y de β-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa (+34%), mayor degradación neta de triglicéridos intramiocelulares en fibras tipo I y tipo IIa durante el ejercicio, y previno la caída de la glucemia durante el ejercicio en ayunas, lo que sugiere adaptaciones en la gluconeogénesis hepática [7]. Estos efectos se produjeron con la misma intensidad, duración y aporte energético total, lo que indica que el estado nutricional en el que se entrena modula la magnitud de las adaptaciones musculares [7]. No obstante, el rendimiento en contrarreloj de 60 min fue similar entre grupos, lo que advierte que la mayor capacidad oxidativa no se traduce automáticamente en mejor rendimiento [7].
5.3. Implicaciones integradoras para la salud. En conjunto, la evidencia sugiere que:
- El ayuno intermitente mejora la sensibilidad a la insulina, favorece la oxidación de grasas y reduce peso e inflamación, con mecanismos que implican la activación de AMPK, el aumento de adiponectina, la sincronización circadiana de la ingesta y cambios en la microbiota [1,3,4].
- El ejercicio físico mejora la flexibilidad metabólica mediante biogénesis mitocondrial (PGC-1α/AMPK/CaMK), remodelación epigenética y redox (8-oxoGua/OGG1), secreción de mioquinas y mejoras en la acción de la insulina [2,5,6].
- La nutrición actúa como señal (hexosamina, mTOR, AMPK) y a través de órganos sensores como el tejido adiposo (leptina, adiponectina) y el intestino (incretinas, gluconeogénesis intestinal, microbiota) [9,10].
- La combinación de ayuno y ejercicio potencia la señalización adaptativa ligada a la oxidación de lípidos y a la capacidad oxidativa muscular, pero debe ponderarse con el efecto del estado alimentado sobre el rendimiento en sesiones prolongadas [7,8].
6. Conclusiones
Ejercicio, ayuno y nutrición no son intervenciones independientes, sino moduladores fisiológicos convergentes de una misma red de homeostasis metabólica: comparten sensores (AMPK, mTOR), efectores (PGC-1α, cuerpos cetónicos, mioquinas, adipocinas, incretinas) y mecanismos reguladores (ritmos circadianos, epigenética, microbiota) [1,3,5,6,10]. El ayuno promueve un cambio metabólico hacia la oxidación de lípidos y la cetogénesis, con efectos sensibilizadores de la insulina mediados en parte por la adiponectina [1,4]; el ejercicio induce adaptaciones mitocondriales, epigenéticas y sistémicas que aumentan la flexibilidad metabólica [2,5,6]; y la nutrición modula estas respuestas tanto por la composición de macronutrientes como por el momento de la ingesta [3,7,8]. La investigación futura deberá aclarar los mecanismos moleculares específicos del ayuno intermitente, el papel de los cuerpos cetónicos y las mejores estrategias para integrar el ejercicio en ayunas en programas de salud y rendimiento [1,8].
Referencias:
[1] Rebello CJ et al. From starvation to time-restricted eating: a review of fasting physiology. International Journal of Obesity. 2024;49(1):43-48. DOI: 10.1038/s41366-024-01641-0
[2] Radak Z et al. Epigenetic and "redoxogenetic" adaptation to physical exercise. Free Radical Biology and Medicine. 2024;210:65-74. DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2023.11.005
[3] Patterson RE, Sears DD. Metabolic Effects of Intermittent Fasting. Annual Review of Nutrition. 2017;37(1):371-393. DOI: 10.1146/annurev-nutr-071816-064634
[4] Halberg N et al. Effect of intermittent fasting and refeeding on insulin action in healthy men. Journal of Applied Physiology. 2005;99(6):2128-2136. DOI: 10.1152/japplphysiol.00683.2005
[5] Smith JAB, Murach KA, Dyar KA, Zierath JR. Exercise metabolism and adaptation in skeletal muscle. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2023;24(9):607-632. DOI: 10.1038/s41580-023-00606-x
[6] Little JP, Safdar A, Benton CR, Wright DC. Skeletal muscle and beyond: the role of exercise as a mediator of systemic mitochondrial biogenesis. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. 2011;36(5):598-607. DOI: 10.1139/h11-076
[7] Van Proeyen K et al. Beneficial metabolic adaptations due to endurance exercise training in the fasted state. Journal of Applied Physiology. 2011;110(1):236-245. DOI: 10.1152/japplphysiol.00907.2010
[8] Aird TP, Davies RW, Carson BP. Effects of fasted vs fed-state exercise on performance and post-exercise metabolism: A systematic review and meta-analysis. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 2018;28(5):1476-1493. DOI: 10.1111/sms.13054
[9] Stojanović O, Miguel-Aliaga I, Trajkovski M. Intestinal plasticity and metabolism as regulators of organismal energy homeostasis. Nature Metabolism. 2022;4(11):1444-1458. DOI: 10.1038/s42255-022-00679-6
[10] Marshall S. Role of Insulin, Adipocyte Hormones, and Nutrient-Sensing Pathways in Regulating Fuel Metabolism and Energy Homeostasis: A Nutritional Perspective of Diabetes, Obesity, and Cancer. Science's STKE. 2006;2006(346). DOI: 10.1126/stke.3462006re7