Metabolismo, conjunto de reacciones químicas que tienen lugar dentro de las células de los organismos vivos, las cuales transforman energía, conservan su identidad y se reproducen. Todas las formas de vida, desde las algas unicelulares hasta los mamíferos, dependen de la realización simultánea de centenares de reacciones metabólicas reguladas con absoluta precisión, desde el nacimiento y la maduración hasta la muerte. Las células tienen una serie de enzimas o catalizadores específicos que se encargan de activar, controlar y terminar todas estas reacciones, cada una de las cuales está a su vez coordinada con muchas otras que se producen en todo el organismo.
| ANABOLISMO Y CATABOLISMO |
Anabolismo y catabolismo
Las pautas de crecimiento y degradación de un organismo son consecuencia del equilibrio entre las fuerzas opuestas del anabolismo (síntesis) y el catabolismo (destrucción). Ambos procesos actúan durante toda la vida del organismo. Las primeras fases de la vida de una planta constituyen un periodo de crecimiento, caracterizado por el predominio de la actividad anabólica sobre la catabólica. Cuando anabolismo y catabolismo se igualan, la planta se estabiliza. Y cuando el catabolismo supera al anabolismo, se marchita y muere.
Hay dos grandes procesos metabólicos: anabolismo o fase biosintética y catabolismo o fase degradativa. Se llama anabolismo, o metabolismo constructivo, al conjunto de las reacciones de síntesis necesarias para el crecimiento de nuevas células y el mantenimiento de todos los tejidos. Las reacciones anabólicas incluyen la biosíntesis enzimática de los ácidos nucleicos, los lípidos, los polisacáridos y las proteínas; todos estos procesos necesitan la energía química suministrada por el ATP. El catabolismo es un proceso continuo centrado en la producción de la energía necesaria para la realización de todas las actividades físicas externas e internas. El catabolismo engloba también el mantenimiento de la temperatura corporal e implica la degradación de las moléculas químicas complejas (glúcidos, lípidos y proteínas) en sustancias más sencillas (ácido acético, amoníaco, ácido láctico, dióxido de carbono o urea), que constituyen los productos de desecho expulsados del cuerpo a través de los riñones, el intestino, los pulmones y la piel. En dicha degradación se libera energía química que es almacenada en forma de ATP hasta que es requerida por los diferentes procesos anabólicos.
Las reacciones anabólicas y catabólicas siguen lo que se llaman rutas metabólicas; ambos tipos de rutas se combinan unas con otras para producir compuestos finales específicos y esenciales para la vida. La bioquímica ha determinado la forma en que se entretejen algunas de estas rutas, pero muchos de los aspectos más complejos y ocultos se conocen sólo en parte. En esencia, las rutas anabólicas parten de compuestos químicos relativamente simples y difusos llamados intermediarios. Estas vías utilizan la energía que se obtiene en las reacciones catalizadas por enzimas y se orientan hacia la producción de compuestos finales específicos, en especial macromoléculas en forma de hidratos de carbono, proteínas y grasas. Valiéndose de otras secuencias enzimáticas y moviéndose en sentido contrario, las rutas catabólicas disgregan las macromoléculas complejas en compuestos químicos menores que se utilizan como bloques estructurales relativamente simples.
Cuando el anabolismo supera en actividad al catabolismo, el organismo crece o gana peso; si es el catabolismo el que supera al anabolismo, como ocurre en periodos de ayuno o enfermedad, el organismo pierde peso. Cuando ambos procesos están equilibrados, se dice que el organismo se encuentra en equilibrio dinámico.
| FUENTES DE ENERGÍA METABÓLICA |
Para no incumplir las dos primeras leyes de la termodinámica, el organismo vivo no puede ni crear ni destruir energía, sólo transformarla de unas formas en otras. Así, la clorofila vegetal, que se encuentra en la base de la red trófica, captura la energía de la luz solar y la utiliza para alimentar la síntesis de células vegetales vivas a partir de sustancias inorgánicas como dióxido de carbono, agua y amoníaco. Esta energía, en forma de productos de alto contenido energético (hidratos de carbono, grasas y proteínas) es ingerida por los animales herbívoros y por los carnívoros secundarios, para los que constituye la única fuente energética y de compuestos químicos para la construcción de células.
Por tanto, en última instancia, todos los organismos vivos obtienen la energía del Sol. Cuando se reproduce, cada uno —sea una planta verde, un herbívoro o un carnívoro— transmite ciertas instrucciones genéticas sobre la forma de interceptar, transformar y liberar la energía al medio ambiente durante su ciclo vital. Desde el punto de vista termodinámico, el metabolismo abarca los procesos por medio de los cuales las células interceptan químicamente y distribuyen la energía que de forma constante pasa por su organismo. Las células devuelven la energía libre al entrono fundamentalmente en forma de calor.
| ALIMENTACIÓN Y ENERGÍA |
Todos los organismos dependen de la energía contenida en los alimentos para vivir. Las plantas sintetizan hidratos de carbono, grasas y proteínas durante los periodos en que reciben luz solar, y almacenan estos compuestos para utilizarlos cuando el crecimiento les obliga a consumir grandes cantidades de energía.
La energía que contienen los alimentos se expresa en calorías o julios; en el metabolismo energético, la unidad utilizada suele ser la kilocaloría, que es la cantidad de energía necesaria para elevar en 1 ºC la temperatura de 1 kg de agua. Los hidratos de carbono tienen un contenido medio de 4,1 kilocalorías (17 kilojulios) por gramo; las proteínas de 4,2 kilocalorías (17,5 kilojulios), y las grasas de 9,3 kilocalorías (39 kilojulios). Los organismos recurren a unos u otros tipos de alimentos para satisfacer necesidades especiales. El zorro ártico, por ejemplo, depende casi exclusivamente de las grasas, ligeras y de elevado rendimiento energético. Las semillas, que deben pesar poco y, al mismo tiempo, almacenar grandes cantidades de energía, contienen casi siempre un elevado porcentaje de grasas y aceites. Por el contrario, los árboles cuentan con abundante espacio de almacenamiento en las raíces, y utilizan casi exclusivamente hidratos de carbono en forma de sacarosa.
Cuando los alimentos, en especial hidratos de carbono y grasas, se queman en el organismo animal, rinden la misma cantidad de calorías por gramo que cuando arden rápidamente en un calorímetro de laboratorio. Los aparatos mecánicos desarrollan la misma cantidad de calorías por gramo de combustible que los organismos vivientes. Tanto los sistemas mecánicos como los orgánicos desprenden también grandes cantidades de energía calorífica y proporciones pequeñas de energía útil. El músculo animal rinde casi una caloría útil por cada cuatro desprendidas en forma de calor. Pero, en los organismos animales el calor no se desperdicia por completo, pues es muy necesario —sobre todo en los animales de sangre caliente— para conservar la temperatura del cuerpo y para inducir las reacciones metabólicas, que a temperaturas más bajas serían demasiado lentas y no podrían sostener las funciones orgánicas.
Aunque las células vivas se ajustan a las mismas leyes de transformación de la energía que las máquinas, son mucho más versátiles. Una característica exclusiva de los organismos vivos es la capacidad para consumir los propios tejidos una vez agotadas todas las demás fuentes de energía; otra es que, en lugar de liberar la energía de manera radical utilizando compuestos de combustión rápida, como ocurre en un motor de automóvil, la liberan paso a paso a lo largo de cadenas de reacciones químicas. La energía que desprende una reacción sirve para iniciar otra, de modo que se libera poco a poco a costa de una fatiga celular mínima.
| USO Y TRANSFERENCIA DE ENERGÍA |
Las reacciones químicas que tienen lugar en los tejidos, sujetos tanto a degradación catabólica como a nueva síntesis anabólica, son exergónicas o endergónicas. Las primeras, propias del catabolismo, liberan energía a partir del sistema de sustancias en reacción; las endergónicas, que ocurren durante el anabolismo, necesitan tomar energía del exterior. Cuando las sustancias que intervienen en una reacción endergónica han absorbido energía, pueden iniciar una reacción exergónica. Las reacciones oxidativas desencadenan reacciones endergónicas dentro de las células. Cuando una reacción química activa otra, se dice que ambas están acopladas. El metabolismo es un conjunto de innumerables reacciones que desprenden o absorben energía, conectadas unas a otras en una compleja red intracelular de interrelaciones.
La energía química se intercambia en todas las células vivas por medio de trifosfato de adenosina o ATP, un compuesto que tiene enlaces fosfato ricos en energía. Las plantas utilizan ATP para transferir energía química desde las fuentes fotosintéticas. Al transferir energía a otras moléculas, el ATP pierde uno o dos de sus grupos fosfato, y se transforma en difosfato de adenosina (ADP) o monofosfato de adenosina (AMP). Las plantas transforman estos dos compuestos de nuevo en ATP a expensas de la energía química generada en las células fotosintéticas a partir de energía solar, mientras que los animales utilizan la energía química producida en las células heterotróficas.
| REGULACIÓN DEL METABOLISMO |
El hecho de que células y tejidos mantengan el equilibrio dinámico durante la vida del organismo demuestra con claridad que los procesos metabólicos están sujetos a un control exacto. Células y tejidos mueren continuamente, pero el metabolismo aporta, en un equilibrio casi perfecto, todos los ingredientes químicos necesarios para reponer y crear células y productos celulares nuevos.
Aunque todavía queda mucho por averiguar sobre los procesos metabólicos, los investigadores están de acuerdo en que las enzimas reguladoras o limitadoras de velocidad son elementos primordiales de estas reacciones. Cada una de estas moléculas enzimáticas, que influyen sobre las rutas metabólicas desde sus primeras etapas, tiene un punto específico o activo que encaja en el sustrato o compuesto sobre el cual actúa la enzima y se forma un producto. La precisión con que las enzimas limitadoras de la velocidad y los sustratos se acoplan para iniciar reacciones específicas impide que las reacciones se produzcan de forma indiscriminada dentro de las células, donde hay un continuo fluir de compuestos químicos muy diversos. Cantidades mínimas de una enzima de este tipo pueden inducir cambios profundos en el metabolismo celular.
Otra forma de controlar las rutas metabólicas es la retroalimentación negativa (véase Bio-feed-back). Así, cuando una célula ha sintetizado una cantidad equilibrada de un compuesto, como ATP, la acumulación de dicho producto inhibe a las enzimas que activan su producción.
El metabolismo, sobre todo en los animales superiores, está también regulado por el sistema nervioso, el páncreas, la glándula pituitaria y las glándulas suprarrenales (véase Sistema endocrino). Las hormonas que se vierten en el torrente sanguíneo, alcanzan los tejidos diana y en muchos casos modifican la permeabilidad de las membranas celulares; alteran de ese modo las cantidades de sustancias que entran en las células y salen de ellas. Las hormonas, que también afectan al metabolismo vegetal, cambian las rutas metabólicas, para ello modifican los puntos catalíticos de las enzimas limitantes de la velocidad.
| METABOLISMO DE LOS ALIMENTOS |
Aunque los tres tipos principales de alimentos —proteínas, hidratos de carbono y grasas— tienen distintas composiciones químicas y siguen rutas bioquímicas independientes, en cierta fase de las reacciones metabólicas todos ellos forman compuestos de carbono. Estos compuestos siguen la misma pauta de reacciones oxidativas que terminan por rendir dióxido de carbono y agua, que se excretan del organismo. Cada etapa está formada por varias reacciones bioquímicas muy complejas y convergentes.
| Proteínas |
Las proteínas poseen una gran variedad de funciones: pueden actuar como vehículos de transporte, como catalizadores, como elementos estructurales, en los sistemas contráctiles y como elementos nutritivos de reserva. Las proteínas complejas, compuestas por una o varias cadenas polipeptídicas, se absorben en el aparato digestivo y se descomponen por hidrólisis en veinte aminoácidos esenciales, necesarios para el anabolismo celular. Los aminoácidos pueden experimentar nuevas alteraciones químicas que los transforman en compuestos de secreción interna, como hormonas, enzimas digestivas y elementos de protección (anticuerpos). Los aminoácidos que no hacen falta para reponer las células y fluidos orgánicos se catabolizan en dos pasos. El primero es la desaminación oxidativa, que consiste en la separación de la porción de la molécula que contiene nitrógeno, que a continuación se combina con carbono y oxígeno para formar urea, amoníaco y ácido úrico, que son los productos nitrogenados del metabolismo proteico. Después de la desaminación, los aminoácidos experimentan nuevas degradaciones químicas y forman nuevos compuestos que a su vez son catabolizados con frecuencia en rutas bioquímicas comunes a las que se unen compuestos similares derivados del catabolismo de hidratos de carbono y grasas. Los productos finales de estas porciones proteicas son dióxido de carbono y agua.
| Hidratos de carbono |
Los hidratos de carbono se absorben en el aparato digestivo en forma de azúcares simples, en especial glucosa, el principal combustible de la mayoría de los organismos vivos. Ésta se mantiene en la sangre a concentración aproximadamente constante y se cataboliza con facilidad para satisfacer las necesidades energéticas del organismo. En este proceso, la molécula de glucosa se descompone en compuestos de carbono que se oxidan a dióxido de carbono y agua, y a continuación se excretan. La glucosa que no se utiliza inmediatamente para la producción de energía se almacena en forma de glucógeno (véase Almidón) en el hígado y los músculos. Cuando estas reservas se colman, la glucosa se convierte en grasa y se deposita en el tejido adiposo. Las plantas también son capaces de almacenar glucosa pero en forma de polímeros, almidón y celulosa. Véase también Metabolismo de glúcidos.
| Grasas |
En la digestión, las grasas se hidrolizan o descomponen en glicerina y ácidos grasos. A continuación, éstos se transforman mediante síntesis en triglicéridos, compuestos de colesterol y fosfolípidos, que son grasas combinadas con fósforo que circulan en la sangre. Las grasas pueden sintetizarse en las estructuras del organismo o almacenarse en el tejido adiposo en grandes células especializadas en el almacenamiento de grasa (adipocitos), de las que se toman cuando es necesario. En las fibras del músculo cardiaco se encuentran también pequeñas gotas de grasa que son utilizadas como fuente energética al transformarse en ácidos grasos. Como la glucosa, su catabolismo da lugar a compuestos carbonados que se descomponen en dióxido de carbono y agua.
| Vitaminas |
Las vitaminas son compuestos orgánicos esenciales para estimular el metabolismo de aminoácidos, hidratos de carbono y grasas en los organismos vivientes. Algunos de tales organismos, en particular las plantas verdes, sintetizan vitaminas, a menudo en cantidades superiores a las que necesitan. Salvo algunas excepciones, los animales no pueden sintetizar estas sustancias, y deben ingerirlas con los alimentos. Se clasifican en hidrosolubles y liposolubles. Véase Nutrición humana.
| ERRORES METABÓLICOS CONGÉNITOS |
Si una enzima falta del organismo a consecuencia de algún defecto hereditario, queda bloqueada la transformación química que debería regular. En consecuencia, hay productos celulares que dejan de sintetizarse o catabolizarse, de modo que se acumula una cantidad excesiva de otro producto metabólico que lesiona los tejidos, o impide que ciertos materiales intracelulares atraviesen la membrana celular.
Aunque el efecto de ciertos errores metabólicos se manifiesta en la primera infancia, otros sólo se observan en la madurez. Algunos de estos errores pueden ser mortales, otros no parecen ejercer ningún efecto nocivo y otros son persistentes. La enfermedad llamada fenilcetonuria se debe a un error en el metabolismo de los aminoácidos; afecta a los lactantes y determina el bloqueo del metabolismo del aminoácido fenilalanina; los productos metabólicos acumulados (fenilpiruvato) pueden causar un retraso en el desarrollo cerebral normal. La galactosemia es un error del metabolismo de los hidratos de carbono que consiste en la ausencia de la enzima necesaria para que la galactosa se transforme en glucosa; la consiguiente incapacidad para metabolizar los azúcares de la leche determina la acumulación de galactosa en la sangre, lo que puede lesionar el cerebro y el hígado, y favorecer la formación de cataratas y el retraso mental. Véase también Anomalías congénitas; Anomalías genéticas.
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