Metabolismo

El metabolismo (del griego [metabol], cambio) es el conjunto de reacciones bioqumicas y procesos fsico-qumicos que ocurren en una clula y en el organismo.1Estos complejos procesos interrelacionados son la base de la vida, a escala molecular, y permiten las diversas actividades de las clulas: crecer, reproducirse, mantener sus estructuras, responder a estmulos, etc.

El metabolismo se divide en dos procesos conjugados: catabolismo y anabolismo. Las reacciones catablicas liberan energa; un ejemplo es la gluclisis, un proceso de degradacin de compuestos como la glucosa, cuya reaccin resulta en la liberacin de la energa retenida en sus enlaces qumicos. Las reacciones anablicas, en cambio, utilizan esta energa liberada para recomponer enlaces qumicos y construir componentes de las clulas como lo son las protenas y los cidos nuclicos. El catabolismo y el anabolismo son procesos acoplados que hacen al metabolismo en conjunto, puesto que cada uno depende del otro.

Este proceso se realiza en las personas con unas enzimas localizadas en el hgado. En el caso de las drogas psicoactivas a menudo lo que se trata simplemente es de eliminar su capacidad de pasar a travs de las membranas de lpidos, de forma que ya no puedan pasar la barrera hematoenceflica, con lo que no alcanzan el sistema nervioso central, por tanto, la importancia del hgado y el porqu este rgano se ve afectado comnmente en los casos de consumo masivo o continuado de drogas.

La economa que la actividad celular impone sobre sus recursos obliga a organizar estrictamente las reacciones qumicas del metabolismo en vas o rutas metablicas, donde un compuesto qumico (sustrato) es transformado en otro (producto), y este a su vez funciona como sustrato para generar otro producto, siguiendo una secuencia de reacciones bajo la intervencin de diferentes enzimas (generalmente una para cada sustrato-reaccin). Las enzimas son cruciales en el metabolismo porque agilizan las reacciones fsico-qumicas, pues hacen que posibles reacciones termodinmicas deseadas pero "no favorables", mediante un acoplamiento, resulten en reacciones favorables. Las enzimas tambin se comportan como factores reguladores de las vas metablicas, modificando su funcionalidad y por ende, la actividad completa de la va metablica en respuesta al ambiente y necesidades de la clula, o segn seales de otras clulas.

El metabolismo de un organismo determina las sustancias que encontrar nutritivas y cules encontrar txicas. Por ejemplo, algunas procariotas utilizan sulfuro de hidrgenocomo nutriente, pero este gas es venenoso para los animales.2 La velocidad del

metabolismo, el rango metablico, tambin influye en cunto alimento va a requerir unorganismo.

Una caracterstica del metabolismo es la similitud de las rutas metablicas bsicas incluso entre especies muy diferentes. Por ejemplo: la secuencia de pasos qumicos en una va metablica como el ciclo de Krebs es universal entre clulas vivientes tan diversas como la bacteria unicelular Escherichia coli y organismos pluricelulares como el elefante.3Esta estructura metablica compartida es probablemente el resultado de la alta eficiencia de estas rutas, y de su temprana aparicin en la historia evolutiva.4 5

Investigacin y Manipulacin

Clsicamente, el metabolismo se estudia por una aproximacin centrada en una ruta metablica especfica. La utilizacin de los diversos elementos en el organismo son valiosos en todas las categoras histolgicas, de tejidos a clulas, que definen las rutas de precursores hacia su producto final.6 Las enzimas que catabolizan estas reacciones qumicas pueden ser purificadas y as estudiar su cintica enzimtica y las respuestas que presentan frente a diversos inhibidores. Otro tipo de estudio que se puede llevar a cabo en paralelo es la identificacin de los metabolitos presentes en una clula o tejido; al estudio de todo el conjunto de estas molculas se le denomina metabolmica. Estos estudios ofrecen una visin de las estructuras y funciones de rutas metablicas simples, pero son inadecuados cuando se quieren aplicar a sistemas ms complejos como el metabolismo global de la clula.7

En la imagen de la derecha se puede apreciar la complejidad de una red metablica celular que muestra interacciones entre tan solo 43 protenas y 40 metabolitos: esta secuencia de genomas provee listas que contienen hasta 45.000 genes.8 Sin embargo, es posible usar esta informacin para reconstruir redes completas de comportamientos bioqumicos y producir ms modelos matemticos holsticos que puedan explicar y predecir su comportamiento.9 Estos modelos son mucho ms efectivos cuando se usan para integrar la informacin obtenida de las rutas y de los metabolitos mediante mtodos clsicos con los datos deexpresin gnica obtenidos mediante estudios de protemica y de chips de ADN.10

Una de las aplicaciones tecnolgicas de esta informacin es la ingeniera metablica. Con esta tecnologa, organismos como laslevaduras, las plantas o las bacterias son modificados

genticamente para hacerlos ms tiles en algn campo de labiotecnologa, como puede ser la produccin de drogas, antibiticos o qumicos industriales.11 12 13 Estas modificaciones genticas tienen como objetivo reducir la cantidad de energa usada para producir el producto, incrementar los beneficios y reducir la produccin de desechos.

Biomolculas Principales

La mayor parte de las estructuras que componen a los animales, plantas y microbios pertenecen a alguno de estos tres tipos de molculas bsicas: aminocidos, glcidos y lpidos (tambin denominados grasas). Como estas molculas son vitales para la vida, el metabolismo se centra en sintetizar estas molculas, en la construccin de clulas y tejidos, o en degradarlas y utilizarlas como recurso energtico en la digestin. Muchas biomolculas pueden interaccionar entre s para crear polmeros como el ADN(cido desoxirribonucleico) y las protenas. Estas macromolculas son esenciales en los organismos vivos. En la siguiente tabla se muestran los biopolmeros ms comunes:

Tipo de molcula Nombre de forma de monmero Nombre de formas de polmero

Protenas Aminocidos Polipptidos

Carbohidratos Monosacridos Polisacridos

cidos nucleicos Nucletidos Polinucletidos

Aminocidos y protenas

Las protenas estn compuestas por los aminocidos, dispuestos en una cadena lineal y unidos por enlaces peptdicos. Las enzimas son protenas que catalizan las reacciones

qumicas en el metabolismo. Otras protenas tienen funciones estructurales o mecnicas, como las protenas del citoesqueleto que forman un sistema de andamiaje para mantener la forma de la clula.15 16 Las protenas tambin son partcipes de la comunicacin celular, la respuesta inmune, la adhesin celular y el ciclo celular.17

Lpidos

Los lpidos son las biomolculas que presentan ms biodiversidad. Su funcin estructural bsica es formar parte de las membranas biolgicas como la membrana celular, o bien como recurso energtico.17 Los lpidos son definidos normalmente como molculas hidrofbicas o anfipticas, que se disuelven en solventes orgnicos como la bencina o elcloroformo.18 Las grasas son un grupo de compuestos que incluyen cidos grasos y glicerol; una molcula de glicerol junto a tres cidos grasos ster dan lugar a una molcula de triglicrido.19 Se pueden dar variaciones de esta estructura bsica, que incluyen cadenas laterales como la esfingosina de los esfingolpidos y los grupos hidroflicos tales como los grupos fosfato en los fosfolpidos. Esteroides como el colesterol son otra clase mayor de lpidos sintetizados en las clulas.20

Carbohidratos

Los carbohidratos son aldehdos o cetonas con grupos hidroxilo que pueden existir como cadenas o anillos. Los carbohidratos son las molculas biolgicas ms abundantes, y presentan varios papeles en la clula; algunos actan como molculas de almacenamiento deenerga (almidn y glucgeno) o como componentes estructurales (celulosa en las plantas, quitina en los animales).17 Los carbohidratos bsicos son llamados monosacridos e incluyen galactosa, fructosa, y el ms importante la glucosa. Los monosacridos pueden sintetizarse y formar polisacridos.21

Nucletidos

Los polmeros de ADN (cido desoxirribonuclico) y ARN (cido ribonuclico) son cadenas de nucletidos. Estas molculas son crticas para el almacenamiento y uso de la informacin gentica por el proceso de transcripcin y biosntesis de protenas.17 Esta

informacin se encuentra protegida por un mecanismo de reparacin del ADN y duplicada por un mecanismo de replicacin del ADN. Algunos virustienen un genoma de ARN, por ejemplo el HIV, y utilizan retrotranscripcin para crear ADN a partir de su genoma viral de ARN;22 estos virus son denominados retrovirus. El ARN de ribozimas como los ribosomas es similar a las enzimas y puede catabolizar reacciones qumicas. Los nuclesidos individuales son sintentizados mediante la unin de bases nitrogenadas con ribosa. Estas bases son anillos heterocclicos que contienen nitrgeno y, segn presenten un anillo o dos, pueden ser clasificadas como pirimidinas o purinas, respectivamente. Los nucletidos tambin actan como coenzimas en reacciones metablicas de transferencia en grupo.23

Coenzimas

El metabolismo conlleva un gran nmero de reacciones qumicas, pero la gran mayora presenta alguno de los mecanismos de catlisis bsicos de reaccin de transferencia en grupo.24 Esta qumica comn permite a las clulas utilizar una pequea coleccin de intermediarios metablicos para trasladar grupos qumicos funcionales entre diferentes reacciones.23 Estos intermediarios de transferencia de grupos son denominados coenzimas. Cada clase de reaccin de grupo es llevada a cabo por una coenzima en particular, que es el sustrato para un grupo de enzimas que lo producen, y un grupo de enzimas que lo consumen. Estas coenzimas son, por ende, continuamente creadas, consumidas y luego recicladas.25

La coenzima ms importante es el adenosn trifosfato (ATP). Este nucletido es usado para transferir energa qumica entre distintas reacciones qumicas. Solo hay una pequea parte de ATP en las clulas, pero como es continuamente regenerado, el cuerpo humano puede llegar a utilizar su propio peso en ATP por da.25 El ATP acta como una conexin entre el catabolismo y el anabolismo, con reacciones catablicas que generan ATP y reacciones anablicas que lo consumen. Tambin es til para transportar grupos fosfato en reacciones defosforilacin.

Una vitamina es un compuesto orgnico necesitado en pequeas cantidades que no puede ser sintetizado en las clulas. En la nutricin humana, la mayora de las vitaminas trabajan como coenzimas modificadas; por ejemplo, todas las vitaminas hidrosolubles son fosforiladas o acopladas a nucletidos cuando son utilizadas por las clulas.26

La nicotinamida adenina dinucletido (NAD), un derivado de la vitamina B, es una importante coenzima que acta como aceptor de protones. Cientos de deshidrogenasas eliminan electrones de sus sustratos y reducen el NAD+ en NADH. Esta forma reducida de

coenzima es luego un sustrato para cualquier componente en la clula que necesite reducir su sustrato.27 El NAD existe en dos formas relacionadas en la clula, NADH y NADPH. El NAD+/NADH es ms importante en reacciones catablicas, mientras que el NADP+/NADPH es principalmente utilizado en reacciones anablicas.

Minerales y cofactores

Los elementos inorgnicos juegan un rol crtico en el metabolismo; algunos son abundantes (sodio y potasio, por ejemplo), mientras que otros actan a concentraciones mnimas. Alrededor del 99 % de la masa de un mamfero se encuentra compuesta por los elementos carbono, nitrgeno, calcio, sodio, cloro, potasio, hidrgeno, oxgeno y azufre.28 Los compuestos orgnicos(protenas, lpidos y carbohidratos) contienen, en su mayora, carbono y nitrgeno, mientras que la mayora del oxgeno y del hidrgeno estn presentes en el agua.28

Los elementos inorgnicos actan como electrolitos inicos. Los iones de mayor importancia son sodio, potasio, calcio,magnesio, cloruro y fosfato, y el ion orgnico bicarbonato. El gradiente inico a lo largo de las membranas de la clula mantienen la presin osmtica y el pH.29 Los iones son tambin crticos para nervios y msculos ya que el potencial de accinen estos tejidos es producido por el intercambio de electrolitos entre el fluido extracelular y el citosol.30 Los electrolitos entran y salen de la clula a travs de protenas en la membrana plasmtica, denominadas canales inicos. Por ejemplo, la contraccin muscular depende del movimiento del calcio, sodio y potasio a travs de los canales inicos en la membrana y los tbulos T.31

Los metales de transicin se encuentran presentes en el organismo principalmente como zinc y hierro, que son los ms abundantes.32 33 Estos metales son usados en algunas protenas como cofactores y son esenciales para la actividad de enzimas como la catalasa y protenas transportadoras del oxgeno como la hemoglobina.34 Estos cofactores estn estrechamente ligadosa una protena; a pesar de que los cofactores de enzimas pueden ser modificados durante la catlisis, siempre tienden a volver al estado original antes de que la catlisis tuviera lugar. Los micronutrientes son captados por los organismos por medio de trasportadores especficos y protenas de almacenamiento especficas tales como la ferritina o la metalotionena, mientras no son utilizadas

Catabolismo

El catabolismo es el conjunto de procesos metablicos que liberan energa. Estos incluyen degradacin y oxidacin de molculas de alimento, as como reacciones que retienen la energa del Sol. El propsito de estas reacciones catablicas es proveer energa, poder reductor y componentes necesitados por reacciones anablicas. La naturaleza de estas reacciones catablicas difiere de organismo en organismo. Sin embargo, estas diferentes formas de catabolismo dependen de reacciones de reduccin-oxidacin que involucran transferencia de electrones de molculas donantes (como las molculas orgnicas, agua, amonaco, sulfuro de hidrgeno e iones ferrosos), a aceptores de dichos electrones como el oxgeno, el nitrato o el sulfato.37

En los animales, estas reacciones conllevan la degradacin de molculas orgnicas complejas a otras ms simples, como dixido de carbono y agua. En organismosfotosintticos como plantas y cianobacterias, estas transferencias de electrones no liberan energa, pero son usadas como un medio para almacenar energa solar.38

El conjunto de reacciones catablicas ms comn en animales puede ser separado en tres etapas distintas. En la primera, molculas orgnicas grandes como las protenas, polisacridos o lpidos son digeridos en componentes ms pequeos fuera de las clulas. Luego, estas molculas pequeas son llevadas a las clulas y convertidas en molculas an ms pequeas, generalmente acetilos que se unen covalentemente a la coenzima A, para formar la acetil-coenzima A, que libera energa. Finalmente, el grupo acetil en la molcula de acetil CoA es oxidado a agua y dixido de carbono, liberando energa que se retiene al reducir la coenzima nicotinamida adenina dinucletido (NAD+) en NADH.

Digestin

Las macromolculas como el almidn, la celulosa o las protenas no pueden ser tomadas por las clulas automticamente, por lo que necesitan que se degraden en unidades ms simples antes de usarlas en el metabolismo celular. Muchas enzimas digieren estos polmeros. Estas enzimas incluyen peptidasa que digiere protenas en aminocidos,glicosil hidrolasas que digieren polisacridos en disacridos y monosacridos, y lipasas que digieren los triglicridos en cidos grasos y glicerol.

Los microbios simplemente secretan enzimas digestivas en sus alrededores39 40 mientras que los animales secretan estas enzimas desde clulas especializadas al aparato digestivo.41 Los aminocidos, monosacridos, y triglicridos liberados por estas enzimas.

Aminocidos y protenasLpidosCarbohidratosNucletidosCoenzimasMinerales y cofactoresDigestin