Metabolismo, Concepto y ¿Cómo funciona el Metabolismo?

El metabolismo es un proceso bioquímico que ocurre en el interior de las células de los seres vivos, donde se llevan a cabo diversas reacciones químicas que transforman la energía, mantienen la integridad y permiten la reproducción. Desde el inicio hasta el fin de la vida, todas las formas de organismos, ya sean unicelulares como las algas o complejos como los mamíferos, dependen del adecuado desempeño de un conjunto de reacciones metabólicas reguladas con gran precisión.

Introducción

Las células poseen enzimas o catalizadores particulares que tienen la responsabilidad de iniciar, regular y finalizar cada una de estas reacciones, las cuales a su vez se encuentran sincronizadas con muchas otras que ocurren en el conjunto del cuerpo.

Existen dos procesos metabólicos cruciales que merecen nuestra atención, los cuales son el anabolismo (metabolismo constructivo) o fase biosintética, y el catabolismo o fase degradativa, los cuales se pueden explicar de la siguiente manera:

Se llama anabolismo, o metabolismo constructivo: el anabolismo engloba las reacciones de síntesis que son esenciales para el desarrollo de nuevas células y la conservación de los tejidos corporales. Dentro de las reacciones anabólicas, se encuentra la biosíntesis enzimática de moléculas importantes como los ácidos nucleicos, lípidos, polisacáridos y proteínas, las cuales requieren de la energía química aportada por el ATP.

El catabolismo: es un proceso ininterrumpido encargado de generar la energía necesaria para llevar a cabo todas las actividades físicas internas y externas del organismo. Además de contribuir al mantenimiento de la temperatura corporal, el catabolismo involucra la descomposición de moléculas químicas complejas, como glúcidos, lípidos y proteínas, en sustancias más simples, por ejemplo ácido acético, amoníaco, ácido láctico, dióxido de carbono o urea, las cuales son eliminadas del cuerpo a través de los riñones, el intestino, los pulmones y la piel como productos de desecho. Durante este proceso de degradación se libera energía química que se almacena en forma de ATP hasta que es requerida por los diversos procesos anabólicos.

Las reacciones anabólicas y catabólicas se llevan a cabo a través de las denominadas rutas metabólicas, las cuales se combinan para generar compuestos esenciales y específicos para la vida. La bioquímica ha descubierto la manera en que algunas de estas rutas se entrelazan, aunque hay aspectos más complejos y oscuros que sólo se comprenden parcialmente.

Las rutas anabólicas parten de intermediarios químicos relativamente simples y difusos, y mediante el uso de la energía generada en reacciones enzimáticas, se enfocan en la producción de compuestos finales específicos, principalmente macromoléculas como hidratos de carbono, proteínas y grasas. Por otro lado, las rutas catabólicas se encargan de descomponer las macromoléculas complejas en compuestos químicos más pequeños y simples, que luego son utilizados como bloques estructurales. Para lograr esto, se utilizan secuencias enzimáticas y se lleva a cabo en sentido inverso.

Cuando la actividad del anabolismo es mayor que la del catabolismo, el organismo experimenta un aumento en su tamaño o peso, mientras que si ocurre lo contrario, como en situaciones de ayuno o enfermedad, el organismo experimenta una disminución en su peso. Si ambos procesos están en equilibrio, se considera que el organismo se encuentra en un estado de equilibrio dinámico.

Con el fin de cumplir con las primeras dos leyes de la termodinámica, los organismos vivos no pueden crear ni destruir energía, sino sólo transformarla de una forma a otra. Por lo tanto, la clorofila presente en las plantas captura la energía de la luz solar y la utiliza para la síntesis de células vegetales vivas a partir de sustancias inorgánicas, como agua, dióxido de carbono y amoníaco. Estos compuestos se transforman en productos de alto contenido energético (proteínas, grasas e hidratos de carbono) que son consumidos por los animales herbívoros y carnívoros secundarios, siendo la única fuente de energía y compuestos químicos para la construcción de sus propias células.

En definitiva, todos los seres vivos obtienen su energía del sol. Cada uno, ya sea una planta, un herbívoro o un carnívoro, transmite ciertas instrucciones genéticas durante su ciclo de vida sobre cómo interceptar, transformar y liberar la energía al medio ambiente. Desde un punto de vista termodinámico, el metabolismo engloba los procesos mediante los cuales las células captan y distribuyen químicamente la energía que fluye continuamente en su organismo. Luego, las células devuelven la energía libre al entorno principalmente en forma de calor.

Alimentación y energía

La supervivencia de todos los seres vivos se basa en la obtención de energía a partir de los nutrientes. Las plantas, por ejemplo, producen hidratos de carbono, proteínas y grasas a través de la fotosíntesis, aprovechando la energía del sol. Estas sustancias son almacenadas para su posterior uso, especialmente durante períodos de crecimiento en los que necesitan grandes cantidades de energía.

La cantidad de energía presente en los alimentos se mide en calorías o julios, y en el metabolismo energético se utiliza la kilocaloría como unidad. La kilocaloría es la cantidad de energía necesaria para elevar en 1 ºC la temperatura de 1 kg de agua. En promedio, los hidratos de carbono contienen 4,1 kilocalorías (17 kilojulios) por gramo; las proteínas contienen 4,2 kilocalorías (17,5 kilojulios), mientras que las grasas contienen una cantidad mucho mayor, de 9,3 kilocalorías (39 kilojulios) por gramo.

Los diferentes organismos tienen diferentes requerimientos de alimentos según sus necesidades específicas. Por ejemplo, el zorro ártico depende principalmente de grasas, las cuales son ligeras y de alto rendimiento energético. Las semillas, por su parte, tienen que ser livianas pero almacenar grandes cantidades de energía, por lo que contienen un alto porcentaje de grasas y aceites. En contraste, los árboles tienen un amplio espacio de almacenamiento en sus raíces y utilizan principalmente hidratos de carbono en forma de sacarosa.

Se ha demostrado que los alimentos, especialmente los hidratos de carbono y las grasas, rinden la misma cantidad de energía en forma de calorías por gramo en el cuerpo de un animal que cuando se queman en un calorímetro de laboratorio. De hecho, tanto los sistemas mecánicos como los biológicos liberan grandes cantidades de energía calorífica y cantidades relativamente pequeñas de energía útil. A pesar de esto, el calor no se desperdicia completamente en los organismos vivos, ya que es esencial para mantener la temperatura del cuerpo, especialmente en los animales de sangre caliente, y para acelerar las reacciones metabólicas que a temperaturas más bajas serían demasiado lentas para sostener las funciones orgánicas. Por ejemplo, el músculo animal produce casi una caloría útil por cada cuatro calorías liberadas en forma de calor.

A pesar de que las células vivas obedecen las mismas leyes de transformación de energía que las máquinas, su flexibilidad es mucho mayor. Los organismos vivos tienen dos características exclusivas: la capacidad de consumir sus propios tejidos una vez que todas las demás fuentes de energía se han agotado y la habilidad de liberar la energía de manera controlada a lo largo de cadenas de reacciones químicas en lugar de utilizar compuestos de combustión rápida, como se hace en un motor de automóvil. La energía liberada por una reacción química se utiliza para iniciar otra, lo que resulta en una liberación gradual de energía sin causar fatiga celular excesiva.

Las reacciones químicas que ocurren en los tejidos se dividen en dos categorías: exergónicas y endergónicas. Las reacciones exergónicas, que son típicas del catabolismo, liberan energía de las sustancias que están reaccionando, mientras que las endergónicas, que son características del anabolismo, requieren energía externa para llevarse a cabo. Las reacciones endergónicas pueden activarse mediante la absorción de energía y así iniciar una reacción exergónica. Las reacciones de oxidación en el interior de las células pueden provocar reacciones endergónicas. Cuando dos reacciones químicas activan una a la otra, se dice que están acopladas. El metabolismo es un complejo sistema de innumerables reacciones que absorben o liberan energía, interconectadas entre sí en una intrincada red intracelular de interacciones.

En todas las células vivas, la energía química se transfiere mediante el trifosfato de adenosina (ATP), un compuesto con enlaces fosfato de alta energía. Durante la transferencia de energía a otras moléculas, el ATP pierde uno o dos grupos fosfato, lo que lo convierte en difosfato de adenosina (ADP) o monofosfato de adenosina (AMP). En las plantas, el ATP se utiliza para transferir la energía química de las fuentes fotosintéticas a otros compuestos. A través de la energía solar, las células de las plantas generan energía química, y luego transforman el ADP y el AMP en ATP. Los animales, por otro lado, utilizan la energía química producida por las células heterótrofas para sintetizar ATP.

 

Regulación del metabolismo

Es evidente que los procesos metabólicos están rigurosamente controlados, ya que las células y los tejidos mantienen un equilibrio dinámico durante toda la vida del organismo. Aunque las células y los tejidos mueren constantemente, el metabolismo mantiene un equilibrio casi perfecto, suministrando todos los componentes químicos necesarios para la creación y reparación de células y productos celulares nuevos.

A pesar de que aún se desconocen muchos detalles sobre los procesos metabólicos, los especialistas coinciden en que las enzimas reguladoras o limitantes de la velocidad son fundamentales en dichas reacciones. Cada una de estas moléculas enzimáticas, que influyen en las rutas metabólicas desde sus primeras etapas, presenta un sitio activo específico que se acopla al sustrato o compuesto sobre el que actúa la enzima y se produce un producto. La precisión con que las enzimas limitantes de velocidad y los sustratos interactúan para iniciar reacciones específicas impide que estas se produzcan indiscriminadamente dentro de las células, donde existe una gran variedad de compuestos químicos. Incluso pequeñas cantidades de una enzima de este tipo pueden inducir cambios significativos en el metabolismo celular.

La retroalimentación negativa es una estrategia adicional para regular las rutas metabólicas (también conocida como biofeedback). Por ejemplo, una célula puede detener la producción de un compuesto como el ATP una vez que se ha sintetizado una cantidad suficiente. Esto se logra mediante la acumulación del producto final, que actúa como un inhibidor de las enzimas que impulsan su producción.

El metabolismo, especialmente en los animales más complejos, es controlado por el sistema nervioso, el páncreas, la glándula pituitaria y las glándulas suprarrenales (ver Sistema endocrino). Las hormonas secretadas por estas glándulas ingresan al torrente sanguíneo y afectan a los tejidos específicos, modificando la permeabilidad de las membranas celulares y, por ende, las cantidades de sustancias que ingresan y salen de las células. Las hormonas también influyen en el metabolismo de las plantas, al alterar los puntos activos de las enzimas limitantes de velocidad y modificar las rutas metabólicas.

Aunque las proteínas, los hidratos de carbono y las grasas tienen diferentes composiciones químicas y siguen rutas metabólicas independientes, en una fase determinada del metabolismo, todos ellos producen compuestos de carbono. Estos compuestos experimentan una serie de reacciones oxidativas similares que finalmente producen dióxido de carbono y agua, que se eliminan del organismo. Cada una de estas etapas está formada por una serie de reacciones bioquímicas complejas y convergentes.

Proteínas

Existen múltiples funciones que las proteínas pueden desempeñar en el organismo, como la de transportar sustancias, catalizar reacciones, servir como elementos estructurales, formar parte de los sistemas contráctiles y actuar como reservas nutritivas. Estas proteínas, complejas y formadas por una o varias cadenas de polipéptidos, son absorbidas por el aparato digestivo y descompuestas por hidrólisis en aminoácidos esenciales para el anabolismo celular. Estos aminoácidos pueden sufrir transformaciones químicas que los convierten en compuestos de secreción interna, como hormonas, enzimas digestivas y anticuerpos. Los aminoácidos no utilizados para reponer células y fluidos orgánicos son catabolizados en dos pasos, primero por la desaminación oxidativa, donde se separa la porción de la molécula que contiene nitrógeno, y se combina con carbono y oxígeno para formar productos nitrogenados como la urea, el amoníaco y el ácido úrico. Posteriormente, los aminoácidos experimentan nuevas degradaciones químicas y se unen a compuestos similares derivados del catabolismo de hidratos de carbono y grasas en rutas bioquímicas comunes, hasta que se forman dióxido de carbono y agua como productos finales.

Hidratos de carbono

Los carbohidratos se absorben en el sistema digestivo como azúcares simples, en particular la glucosa, que es el principal combustible para la mayoría de los seres vivos. La concentración de glucosa en sangre se mantiene constante y se cataboliza fácilmente para satisfacer las necesidades energéticas del cuerpo. Durante este proceso, la molécula de glucosa se descompone en compuestos de carbono que se oxidan a dióxido de carbono y agua, y se excretan posteriormente. La glucosa que no se utiliza de inmediato para la producción de energía se almacena en forma de glucógeno (ver Almidón) en el hígado y los músculos. Cuando estas reservas están llenas, la glucosa se convierte en grasa y se deposita en el tejido adiposo. Las plantas también pueden almacenar glucosa en forma de polímeros, como almidón y celulosa. Ver también Metabolismo de carbohidratos.

Grasas

Durante la digestión, las grasas se descomponen en glicerol y ácidos grasos mediante hidrólisis. Posteriormente, los ácidos grasos se transforman en triglicéridos, fosfolípidos y colesterol mediante síntesis, y circulan por la sangre. Estos compuestos se pueden almacenar en células especializadas del tejido adiposo, denominadas adipocitos, o utilizarse como fuente energética en el músculo cardíaco, donde se descomponen en ácidos grasos. Asimismo, como ocurre con la glucosa, su catabolismo da lugar a compuestos carbonados que se oxidan para formar dióxido de carbono y agua.

Vitaminas

Las vitaminas son sustancias orgánicas imprescindibles para promover el metabolismo de proteínas, hidratos de carbono y grasas en los seres vivos. Aunque algunas formas de vida, como las plantas verdes, pueden sintetizar vitaminas en cantidades superiores a las necesarias, la mayoría de los animales no pueden producirlas y, por lo tanto, deben obtenerlas a través de la ingesta de alimentos. Las vitaminas se dividen en dos grupos: solubles en agua y solubles en grasas. Para más información sobre este tema, consulte la sección de nutrición humana.