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CAPÍTULO 8
EL METABOLISMO
8.1. CONCEPTO.
Con este capítulo se inicia uno de los aspectos más importantes a la vez que
interesante de los estudiados en el amplio campo de la bioquímica, se trata del
metabolismo.
No es fácil establecer, ante todo, el concepto de metabolismo pues en verdad tan sólo
al finalizar el estudio de los capítulos correspondientes al metabolismo de los glúcidos,
los lípidos y las proteínas es que estaremos preparados para su interpretación más
cabal. No obstante, es necesario establecer algunos conceptos en relación con este
término.
La vida es el resultado de la evolución de la materia durante millones de años lo que ha
dado lugar a un sistema metabólico altamente desarrollado que se mantiene
intercambiando información y
energía y sustancia con el medio ambiente
constantemente y que, además, posee la propiedad de la autorregulación, es decir, es
un sistema biótico abierto y autorregulado.
Todas las formas de vida, desde el microorganismo más simple, las plantas, los
animales superiores, hasta el hombre se manifiestan como sistemas metabólicos
altamente organizados que necesitan obligatoriamente intercambiar información y
energía y sustancia con el medio que los rodea o entorno.
El metabolismo es la forma de existencia de los mismos permitiendo su crecimiento,
reproducción y el mantenimiento de su integridad.
Del medio toman los productos necesarios, los transforman haciéndolos asimilables y
con ellos forman sus propias estructuras al mismo tiempo que se destina, por otra parte,
considerables cantidades de estos productos para la obtención de la energía química
requerida para todos los procesos vitales del organismo.
Todo esto es el metabolismo; el que esta representado por el conjunto de reacciones,
ciclos y vías metabólicas de cada organismo vivo en un momento determinado.
Metabolismo es sinónimo de vida, donde hay metabolismo hay vida, cuando cesa el
metabolismo, cesa la vida.
El metabolismo esta constituido por dos fases anabolismo y catabolismo o fase
anabólica y fase catabólica. Además, en algunos procesos metabólicos se puede
considerar una fase intermedia o anfibólica.
AI analizar las reacciones particulares podemos observar que estas pueden ser
generalmente de dos tipos, reacciones de síntesis donde se pasa de sustancias
simples a sustancias complejas; estas constituyen el anabolismo y están
caracterizadas por la síntesis y reacciones donde el proceso es a la inversa, o sea,
reacciones de degradación donde las sustancias complejas se degradan en otras mas
simples, que constituyen el catabolismo.
La materia que se encuentra formando parte de los organismos vivos presenta, el mas
alto grado posible de organización. Este grado de organización requiere de cantidades
apreciables de energía la cual es obtenida a partir de la degradación de las sustancias
obtenidas del entorno. La organización de estructuras estables, la formación de
compuestos bioquímicos, la síntesis de las hormonas, de proteínas, de lípidos, etc.,
todo lo cual constituye el anabolismo, requiere de cantidades apreciables de energía,
la cual debe ser producida a partir de la degradación y posterior oxidación de parte de
las sustancias asimiladas (catabolismo).
Ambas reacciones forman un todo y solo podemos verlas aisladas en su estudio
particular, pues para que existan las primeras (anabolismo) son necesarias las
segundas (catabolismo).
Bajo este criterio consideramos a los organismos vivos como sistemas metabólicos
formados por ácidos nucleicos, proteínas, glúcidos, lípidos, vitaminas y minerales en
medio acuoso, con las funciones de asimilación, síntesis, degradación, excreción y
regulación y en constante intercambio de información y de energía y sustancia con el
medio ambiente, lo que permite su crecimiento, reproducción y el mantenimiento de su
integridad. En la figura 8.1 se refleja esta condición.
Figura 8.1 Sistema metabólico
Medio Ambiente
Flujo de información
Flujo de energía y sustancia
Organismos vivos =
A) Formados por:
• Ácidos nucleicos
• Proteínas
• Lípidos
• Glúcidos
• Vitaminas
• Minerales
•HO
2
Sistemas Metabólicos
B) Con las funciones de:
• Asimilación
• Degradación
• Síntesis
• Excreción
• Regulación
C) Lo que le permite mantener:
•El crecimiento
• La reproducción
• La integridad del
sistema
Quiere esto decir, que entre el anabolismo y el catabolismo se establece una unidad y
una interdependencia total. La división entre el anabolismo y el catabolismo se hace
con fines didácticos y haciendo abstracción de uno u otro proceso; sin embargo, esto
no debe llevar a la idea la existencia aislada de ambos procesos.
Dentro de este contexto el flujo de información y el flujo de energía y sustancia son,
dentro del sistema, los dos principios rectores y deben ser analizados en primera
opción para comprender el sistema.
8.2. EL FLUJO DE INFORMACIÓN.
El principio básico fundamental de los organismos vivos radica en la relación:
información- estructura- función, dada por la asociación de los ácidos nucleicos y las
proteínas. Este principio está presente invariablemente en todos los procesos
bioquímicos como ley suprema y con un alcance metodológico fundamental para
conocer y generalizar todos los problemas presentes en la vida, tanto a nivel molecular
como a otro mayor, aunque a veces sea bastante difícil comprenderlo en este último
alcance.
La base de este principio rector es la relación, estructura del DNA - estructura del
RNAm - estructura de la proteína y la actividad biológica de la proteína (función), lo
cual constituye el flujo de información.
Es decir, toda proteína tiene una función asociada a su estructura que a su vez está
condicionada por la información contenida en la estructura del DNA. Dado el carácter
rector de este principio es necesario fundamentarlo en su esencia, para complementar
lo señalado en la estructura de las proteínas y finalmente lo que veremos en la
biosíntesis de las proteínas.
La información requerida para el adecuado desarrollo de un sistema metabólico
(organismo vivo) está contenida en el DNA, en su estructura primaria (secuencia de las
bases púricas y pirimidinas en la cadena polidesoxi ribonucleotídica). Esta información
se reproduce (replicación) y pasa de célula madre a célula hija siendo conservada de
generación en generación. La información contenida en el DNA se trascribe
(trascripción) al RNAm y este determina, en el proceso de biosíntesis de las proteínas
(traducción), la estructura primaria de la proteína. La estructura primaria condiciona la
secundaria y la terciaria (y cuaternaria si la hubiese) y esta la actividad biológica de la
proteína, es decir, su función.
Veamos varios ejemplos sobre esto. La Miosina (junto a otras proteínas) puede
participar en la contracción muscular (función) porque su estructura terciaria lo
posibilita. Esta estructura depende de la primaria y esta a su vez de la información
brindada por el DNA.
La hemoglobina según su estructura terciaria y cuaternaria pueden transportar O 2
(función) esto depende a su vez de la primaria (hay varios ejemplos de la alteración de
esta función por cambios de su estructura primaria) y esta de la información contenida
en el DNA. La láctico deshidrogenasa (proteína enzimática) presenta en su estructura
terciaria un sitio activo que permite reconocer y catalizar la transformación del láctico
en pirúvico (función) esto depende de la primera y esta a su vez del DNA. Ver esta
relación en la figura 8.2
.Figura 8.2 Flujo de información y funciones de las proteínas.
Flujo de información
SISTEMA
METABÓLICO
Funciones
DNA
ENZIMAS
DNA
CONTROL DEL CRECIMIENTO Y DELA
DIFERENCIACION CELULAR
RECEPTORES
RNAm
ESTRUCTURA
S CELULARES
CELULARES
ESCTRUCTURA
MOVIMIENTO COORDINADO
PROTEINAS
TRANSPORTE DE SUSTANCIA
ANTICUERPOS Y DEFENSA
GENERACIÓN Y TRANSMISIÓN DE LOS
IMPULSOS NERVIOSOS
HORMONAS PROTEÍCAS
PROTEÍNAS DE RESERVA
La cantidad de ejemplos serían incontables donde siempre está presente la relación
entre la información contenida en el DNA, la estructura de la proteína; y asociada a
esta la función.
En dependencia de los tipos de funciones clasificamos las proteínas en varios grupos,
tales como enzimas o biocatalizadores, proteínas de transporte, anticuerpos, proteínas
de la contracción muscular y la motilidad, estructurales como el colágeno y la elastina,
receptores, control del crecimiento y otras que a su vez se subdividen con otras
funciones más.
.Es este el principio rector de los sistemas metabólicos. En particular dos grupos de
proteínas se relacionan de forma destacada dentro del flujo de información. Por un lado
las enzimas, encargadas de la catálisis de todas las reacciones de los sistemas
metabólicos lo que produce la transformación de los sustratos y la generación de
innumerables metabolitos que de una manera u otra se relacionan con los ácidos
nucleicos estableciendo un flujo de información entre ellos y regulando la replicación y
la trascripción.
Por otro lado los receptores que establecen los mecanismos de comunicación interna
y externa. Las proteínas que actúan como receptores externos incluyen la captación
de innumerables señales
externas, tales como gustativas, olfatorias, nutrientes,
temperatura, humedad, longitud de ondas, radiaciones, presión de oxigeno, altitud etc.
Igualmente los receptores internos, a nivel de membrana, para la transmisión de los
impulsos nerviosos, hormonales, sinapsis y receptores citoplasmáticos para las
hormonas esteroidales, receptores de osmolaridad y otros. Ver figura 8.3
Figura 8.3 El flujode información, los receptores y el medio ambiente.
Relación del flujo de información con
el medio ambiente
SISTEMA
METABÓLICO
MEDIO
AMBIENTE
DNA
TEMPERATURA
DNA
LUMINOSIDAD
RADIACIONES
RNAm
PRESIÓN
PROTEINAS
RECEPTORES
ALTITUD
HUMEDAD
\
ENZIMAS
PRODUCTOS
NUTRIENTES
OLORES
ETC
El flujo de información tiene en el DNA la biomolécula principal. La información
contenida en el DNA se conserva por medio de la replicación. La replicación es un
proceso biológico fundamental. Mediante la replicación se conserva y se transmite de
generación en generación la información contenida en el DNA para todas las
generaciones siguientes. La herencia constituye la suma de toda la información
contenida en el DNA. De ella una parte se expresa por medio de las proteínas. La
expresión esta condicionada por los factores medio ambientales en primer orden.
En la Biosíntesis de las proteínas haremos referencia a este concepto.
8.3 EL FLUJO DE ENERGÍA Y SUSTANCIA.
8.3.1 Termodinámica y energía libre.
La comprensión cabal del flujo de energía y sustancia, de los principios energéticos del
metabolismo y el papel del ATP en el ciclo energético de la naturaleza en general o de
la célula en particular requiere de algunos elementos de la termodinámica y del papel
de la cadena respiratoria.
La primera ley de la termodinámica es la ley de la conservación de la energía que
establece que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma, por ejemplo, la
energía química puede convertirse en energía lumínica, mecánica, eléctrica, etc., pero
siempre la energía del sistema o del medio o entorno permanece constante. En la
aplicación de ésta ley en el metabolismo el sistema puede estar representado por una
reacción o conjunto de reacciones o un ciclo metabólico determinado. Si una reacción
bioquímica del sistema analizado cede energía, el medio toma o capta esta energía, de
forma que la energía total siempre permanece constante.
La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía del sistema y del entorno
siempre está en aumento. La entropía es una magnitud que mide el grado de desorden
o desorganización y, por supuesto, a mayor desorden mayor entropía. Esta ley plantea
la tendencia de los procesos químicos y físicos a alcanzar el máximo grado de
estabilidad que está dado por el menor grado de organización, es decir, que el
equilibrio de una reacción se establece siempre y cuando la reacción alcance su
máximo de entropía. Esta ley se traduce, en las condiciones bioquímicas celulares, por
el hecho de que sólo es posible al alto grado de organización propia de los sistemas
presentes en las estructuras moleculares de la célula a partir de la desorganización del
entorno.
Estas leyes expresan conceptos que ayudan a comprender las características de los
sistemas biológicos, sin embargo, para establecer la tendencia o la posibilidad de una
reacción de realizarse en uno u otro sentido la medida más útil es la variación o cambio
de la energía libre. La energía libre se representa con la letra G y el cambio por el
símbolo delta. Por ello delta G representa la variación o cambio de la energía libre de
una reacción.
La variación de la energía libre se define como la cantidad de energía de un sistema
que puede realizar trabajo a presión y temperatura constante y determina la tendencia
de una reacción para realizarse en uno u otro sentido.
La variación de la energía libre pude calcularse en condiciones reales (delta G) o en
condiciones estándar (delta G°). En condiciones estándar se refiere a cuando los
elementos reaccionantes y los productos se hallan a concentración molecular de 1.0
mol, presión de 1 atmósfera y temperatura de 25°C. Se comprende la variación de la
energía libre como la de más aplicación pues es la que realmente determina la
dirección de una reacción en las condiciones que prevalecen en la célula. La relación
entre delta G y delta G° está dada por:
Donde:
R - es la constante de los gases
T - temperatura absoluta
In -el logaritmo normal de la constante de equilibrio de la reacción en cuestión.
Ambas magnitudes se expresan en joule por mol -1 (J/mol -1), o en kilojoule por mol-1
(KJ/mol -1) que es la unidad aceptada por el Sistema Internacional (SI) de Medidas
para medir el trabajo, la energía y la cantidad de calor. Hasta el presente, y pensamos
que por un período de tiempo en el futuro, se venía usando para ello la caloría y la
kilocaloría (Kcal.) las cuales deben ser sustituidas paulatinamente por la primera. Una
Kcal es igual a 4,184 KJ. Trataremos de brindar ambos valores.
La variación de energía libre de un sistema está dada por la siguiente ecuación:
Donde:
H - representa la variación de la entalpía o cambio de la energía calórica del sistema.
T - temperatura absoluta
S - la variación de la entropía o grado de desorganización.
Si delta H tiene valor negativo la reacción es exotérmica (desprende calor) y si es
positiva (absorbe calor).
Por otra parte delta G puede tener signo negativo (- delta G) y la reacción entonces es
de tipo exergónica o signo positivo (+ delta G) siendo la reacción endergónica. Una
reacción puede ser exergónica y endotérmica o a la inversa o endergónica y
exotérmica a la vez.
La variación de la energía libre de una reacción está dada por la diferencia entre las
energías libres de los reaccionantes y las energías libres de los productos y la reacción
sólo es posibles espontáneamente si la variación de la energía libre del sistema (delta
G) tiene signo negativo, es decir es exorgónica.
No debemos confundir el cambio energético de una reacción con la liberación de calor.
Como es lógico suponer, las reacciones exorgónicas pueden realizarse solas, pero no
así las endorgónicas, que deben ir acompañadas obligatoriamente de otra reacción
que libera la energía necesaria para que se produzca la reacción endorgónica. De
forma que visto el proceso en su conjunto y como una sola reacción, estas serían de
tipo exorgónicas. Igualmente, al considerar todas las reacciones que ocurren en un
momento dado en un organismo animal como una sola, sería de tipo exorgónico,
liberadora de energía.
Así debemos considerar también el metabolismo: por un lado reacciones de síntesis
(anabolismo) que consumen energía y por otro lado reacciones de degradación
(catabolismo) que liberan energía necesaria para las primeras y donde siempre la
energía liberada tiene que ser mayor que la consumida.
También es necesario considerar el factor concentración dentro de las reacciones,
pues una reacción cuya variación de energía libre estándar sea positiva (+ delta G °)
puede realizarse en el sentido que está escrita siempre y cuando las concentraciones
reales de los elementos reaccionantes y los productos determinen que el valor de
delta G sea negativo, esto es muy importante, pues muchas veces en un tejido, una
reacción se dirige en un sentido y en otro tejido en otro sentido. Por otra parte, una
reacción cuya variación de energía libre sea negativa sólo puede realizar trabajo a
nivel celular si de algún modo puede acoplarse a otra reacción para usar esta
energía, de lo contrario se pierde en forma de calor. Por ello representa tanta
importancia los compuestos como el ATP, que pueden acoplarse a las reacciones que
presentan una alta variación en la energía libre, de modo que la energía química es
conservada y usada posteriormente cuando las condiciones celulares lo requieran. En
la figura 8.4 se representa un esquema sobre el papel de ATP acoplado a una
reacción exorgónica por un lado y a otra endorgónica por el otro.
ADP
En general entre estos compuestos que actúan como mediadores en la transferencia
de energía de una reacción exorgónica a una endorgónica están el ATP y otros con
enlaces fosfatos en su estructura y algunos derivados de la coenzima A. Todos se
caracterizan por poseer algunos enlaces, llamados enlaces de alta energía o macro
energéticos, que le permiten realizan esta función. Veamos a continuación estos
enlaces.
8.3.2 Enlaces de alta energía
En el organismo la energía es tomada por vía química, es decir, por oxidación de las
materias ingeridas. Estas reacciones se producen generalmente por acción enzimática
y la energía liberada se almacena en sustancias que poseen enlaces con alto nivel
energético (enlaces macro energéticos), los que actúan como acumuladores biológicos
de energía. Dentro de ellas las más importantes son el ATP y sus similares.
Estos enlaces del ATP se originan en el proceso de la fosforilación oxidativa acoplada a
la cadena respiratoria a partir de la energía de oxidación de los hidrógenos. También
puede ocurrir que a nivel de determinados sustratos los enlaces químicos que
mantienen unidos los átomos se rompan y reagrupen, con lo cual surgen enlaces ricos
en energía mediante los cuales se puede ceder la energía de los compuestos.
El concepto enlace es en estos casos más amplio y funcional, pues señala la unión
entre determinados grupos de átomos en la molécula.
Los enlaces principales son:
1.
Enlace pirofosfato o fósforo - fósforo. Esta presente en el ATP, UTP, GTP,
CTP y TTP, así como en los nucleótidos difosforados, y en los correspondientes desoxi
nucleótidos di y trifosforados. El más universal de todos estos compuestos es el ATP.
El ATP presenta dos enlaces macro energéticos, del tipo fósforo-fósforo. La hidrólisis
del ATP a ADP y fósforo libera aproximadamente 30,5 KJ (7,3 Kcal.) por mol-1.
La transformación de AMP en adenosina y fósforo libera unas 12,5 KJ (3 Kcal.) que es
más o menos similar para todas las uniones de este ácido con glúcidos u otros
compuestos y no se considera como un enlace rico en energía. La síntesis del ATP a
partir del ADP consume por tanto 30,5 KJ que de forma similar se comportan los demás
nucleótidos trifosforados.
La energía contenida en los enlaces fósforo - fósforo del ATP y otros nucleótidos
similares se explica por el carácter de la unión fósforo - fósforo que resulta un híbrido
de resonancia, además de poseer, a los pH fisiológicos, unas 3,6 cargas eléctricas
negativas por molécula que requieren una alta cantidad de energía para su
estabilización, la cual es liberada al producirse la hidrólisis. En la figura 8.5 se
representa la estructura iónica más real del ATP a los pH fisiológicos del organismo
animal, el cual presenta un total de cuatro cargas negativas por lo que generalmente se
encuentra unido al Mg.
Más adelante al referirnos a la fosforilación oxidativa dentro de la cadena respiratoria
se analizará en detalle la síntesis del ATP.
NH2
2.
Esteres fosfóricos o acil fosfatos. Estos compuestos son producto de la
esterificación del ácido fosfórico con los ácidos orgánicos, presentes por ejemplo en el
carbamil fosfato y en el fosfoglicérico.
La energía liberada por la hidrólisis del grupo fosfato de estos compuestos es del orden
de unas 41,8 KJ (10 Kcal.) por mol-1 aproximadamente. Ejemplo
Estos compuestos poseen la característica de que pueden ceder el grupo fosfato, con
su correspondiente energía, para formar el ATP a partir del ADP, lo que se conoce
como síntesis del ATP a nivel del sustrato. El ejemplo típico es la formación del ATP a
partir del 1-3 difosfato glicérico que ocurre en la vía de la glucólisis.
3.
Enol fosfato. Este enlace está presente en el fosfoenol - pirúvico, compuesto
producido por la vía de la glucólisis con unos 61,9 KJ de liberación de energía por
hidrólisis.
Esta reacción ocurre también acoplada a la síntesis del ATP a partir del ADP.
4. Guanidín fosfato. Se trata de un enlace entre el nitrógeno del grupo guanidín y el
ácido fosfórico. Está presente en la fosfocreatina y otros productos similares con una
energía de hidrólisis de unos 43,1 KJ (10,3 Kcal.) aproximadamente por mol -1.
5. Enlaces acil mercaptos: Son enlaces donde no interviene el fosfato, sino el
azufre, esta presente en todos los derivados de la coenzima A (CoA- SH), como son el
acetil CoA, el succinil CoA y los derivados de ácidos grasos y la metionina activada. Su
energía de hidrólisis oscila entre 27,1 KJ (6,5 Kcal.) a 41.8 KJ (10 Kcal.) por mol -1.
Ejemplo
También en este caso la energía contenida en este compuesto puede ser cedida al
ADP para formar ATP.
De todos estos compuestos analizados el ATP es sin duda el de mayor importancia y
significación, pues está presente en todos los procesos relacionados con la captación,
almacenaje y utilización posterior de la energía. El ATP es un compuesto universal en
el cual se encuentra en todas las formas de vida conocidas; por todo ello es necesario,
como primer paso conocer los mecanismos donde se origina el ATP en el metabolismo
celular; es decir, la cadena respiratoria acoplada a la fosforilación oxidativa, lo cual será
estudiado a continuación, después de ver la relación de las reacciones de oxido reducción con la energía libre.
8.3.3 Delta G de las reacciones de oxido - reducción
Muchas reacciones en el metabolismo son reacciones de óxido - reducción, donde un
compuesto se oxida (agente reductor) y otro se reduce. En toda reacción de óxidoreducción existen dos miembros: uno que pasa a reducido y otro que pasa a oxidado.
Cada "media" reacción tiene su potencial de óxido - reducción característica. En la
tabla 6.1 se presenta el potencial de oxido - reducción de algunas reacciones típicas
del metabolismo.
Por supuesto en las reacciones de oxido - reducción los agentes oxidantes y los
agentes reductores actúan como pares de redox conjugados, donde los electrones (o
los hidrógenos) pasan al agente reductor al agente oxidante, según su potencial de
oxido - reducción respectivo (Tabla 8.1). Por ejemplo, tomando una típica reacción de
oxido - reducción que contiene el par conjugado:
En este tipo de reacciones el valor de delta G viene dado por la ecuación:
Donde:
-n - representa el número de electrones de la reacción (o hidrógenos)
F - la constante de Faraday (= 23,063 cal V-1)
A E - el cambio de potencial de oxido - reducción (potencial del par que contiene el
agente oxidante menos (-) potencial del parque contiene el agente reductor).
8
Fumárico
eNADH
Veamos esto con un ejemplo. En la reacción anterior, el pirúvico es el agente oxidante
(se reduce a láctico) y tiene un potencial de - 0,19 volts, mientras el NADH + H es el
agente reductor (se oxida a NAD) con un potencial de - 0,32 volts, de donde el valor
delta G será:
Delta G = -0,19 - (-0,32) = -0,19 + 0,32 = +0,13 v
Por ello el valor de delta G de la reacción será:
Delta G = -2 (23,036) (+ 0,13)
Delta G = -6000 cal o 6 Kcal. (25,18 KJ)
Y como habíamos establecido anteriormente que las reacciones con delta G negativo
eran exorgónicas, la reacción antes señalada tiene ese carácter y se desplaza en el
sentido que está escrita arriba en condiciones estándar.
Es necesario señalar que el factor concentración es extremadamente importante en las
condiciones prevalecientes en el organismo, pues si bien la tendencia de una reacción
de oxido - reducción ( u otra) está en relación con el valor de delta G° (estándar) el
valor real es el que determina el sentido de la reacción.
Por ejemplo, si en la reacción anteriormente citada se produce un incremento de la
concentración del láctico o disminuye la concentración del pirúvico la reacción se
desplazaría en el sentido contrario a como está escrita. En el estudio del metabolismo
veremos muchos ejemplos como estos.
8.3.4 Ciclo de la energía en la naturaleza
La fuente primaria de toda energía utilizada por los animales, las plantas y todos los
organismos vivos del planeta está en la energía liberada por el sol. Esta es captada por
las plantas en el proceso de fotosíntesis, con la formación de cadenas carbonadas
(glucosa, ácidos grasos, aminoácidos, etc.) que conservan dicha energía y de donde
posteriormente los animales la obtienen para suplir sus necesidades.
Todas las complejas funciones del organismo animal son realizadas por medio de la
energía. Así, el trabajo celular, la biosíntesis, el trabajo osmótico, el trabajo mecánico y
demás funciones orgánicas, son posibles gracias a la energía, la cual toma de los
productos ingeridos, que al ser oxidados en el organismo animal, liberan la energía
contenida en ellos.
En los animales superiores la temperatura se mantiene constante a 37°C, esto hace
que no se pueda utilizar el calor como fuente de energía para realizar el trabajo. Sin
embargo, los animales realizan trabajo; la razón de ello es que la energía producida en
las reacciones químicas a nivel celular es captada en forma de energía química y
utilizada posteriormente para el trabajo celular.
En este aspecto el ATP juega un importantísimo papel como transportador de toda la
energía química requerida en todas las reacciones del metabolismo. Su formación, a
partir del ADP y el fósforo inorgánico, está acoplada en la degradación de las
moléculas que actúan como combustibles y que liberan la energía requerida para ello.
Posteriormente el ATP libera su energía la cual es usada para todo el trabajo celular.
Tal es el ciclo que se establece entre las plantas y los animales y el papel del ATP
como intermediario en los intercambios de energía a nivel celular, tanto en las plantas
como en los animales. En la figura 8.6 se representa un esquema sobre este aspecto.
Figura 8.6 Ciclo de la energía en la naturaleza.
Nótese que la grafica en su parte superior esta representada en forma de cascada,
pues la reacción exergónica (hacia abajo) siempre libera más energía que la capturada
en la endergónica (hacia arriba).
El ciclo energético en su conjunto incluye los siguientes aspectos:
1.
La Fotofosforilación. Es decir, la captación de la energía de las radiaciones
solares en los cloroplastos de las plantas verdes y su transformación en energía
química en forma de ATP. La energía solar es usada para la fotolisis del H2O, la
síntesis de NADPH (Material reducido para la síntesis) y la síntesis del ATP el cual
brinda la energía para la formación de las cadenas carbonadas realizada por los
vegetales durante la fotosíntesis. Este paso libera como producto el O2. Posteriormente
los animales degradan los compuestos orgánicos y acumulan energía química en forma
de ATP para el trabajo celular.
2.
La utilización de la energía química del ATP para la formación de sustancias
orgánicas tales como glúcidos, lípidos, aminoácidos, etc., por los vegetales, donde a
partir del C02 y H2O se forman las cadenas carbonadas que serán posteriormente
utilizadas por los animales.
3.
La respiración celular es las mitocondrias de las células de los animales, donde
estos productos, glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos, son oxidados a CO2 y H2O
liberando su energía que es utilizada para la síntesis del ATP (fosforilación oxidativa).
4.
La utilización de la energía del ATP formado para realizar todo el trabajo químico
o biosintético (síntesis de proteínas, glúcidos, lípidos, etc.), el trabajo mecánico
(contracción muscular), la ampliación de señales y el trabajo osmótico (transporte
activo de Na y K, etc.).
El análisis del flujo de energía y sustancia permite comprender las relaciones
fundamentales entre los vegetales y los animales. Ver Ciclo de carbono en el capitulo 1
El ciclo de la energía y sustancia en la naturaleza es extraordinario por sus magnitudes
y su importancia. Unos ejemplos. Anualmente se utilizan 1019 Kcal. de energía solar
para convertir el CO2 en biomasa, los que representa una 20 veces más que todas las
maquinas del planeta. La energía solar sobre la tierra se calcula en unas 2 por 10 25
Kcal por año.
Enorme responsabilidad en este ciclo recae sobre las algas marinas que consumen
las 2/3 partes del CO2 y producen 3/4 partes del oxigeno y 1/5 de las proteínas, de ahí
la importancia de proteger los océanos.
Más adelante al abordar el tema de la integración metabólica se pondrá de manifiesto
la necesidad de mantener este equilibrio bajo criterios de sostenibilidad como base
para permanencia de todo el sistema biológico.
8.3.5.-Energía bruta y energía metabolizable
A partir de los aspectos analizados se comprende el papel de la energía dentro del
metabolismo. Es importante señalar que toda la energía requerida por un sistema
metabólico debe estar presente y por supuesto suministrada por el entorno. Es decir,
los animales requieren el suministro constante de energía la cual obtienen de los
productos alimenticios ingeridos en la dieta. Los vegetales del sol.
La energía contenida en los alimentos ingeridos por los animales recibe el nombre de
energía bruta (EB) y se obtiene por combustión completa del alimento en base a la
materia seca. La energía bruta de un alimento está dada por la relación que contenga
de carbohidratos, proteínas y grasas. Un gramo de carbohidratos produce por
combustión de 4 a 4,10 Kcal., un gramo de proteínas de 4.5 a 5,5 Kcal., en
dependencia de los aminoácidos que contengan y un gramo de grasas de 9 a 9,45
Kcal. Como es lógico el incremento de proteínas y sobre todo de grasas en la
composición del alimento aumenta el valor energético de los mismos
Estos conceptos son muy aplicados en nutrición para establecer diferentes tipos de
dietas.
Si a la energía bruta (EB) le descontamos la energía eliminada por las heces, energía
fecal (EF) debido a los alimentos sin digerir, así como a las secreciones del aparato
digestivo, restos celulares, etc., se obtiene la energía digestible (ED).
La energía digestible depende del coeficiente de digestibilidad de los alimentos lo cual
se debe fundamentalmente a la composición química de la dieta, su solubilidad y
posibilidades de hidrólisis por las enzimas del aparato digestivo de cada especie
animal. La energía digestible varía mucho en dependencia del alimento y es un
concepto de mayor utilidad que el de energía bruta. Las tablas de digestibilidad de los
alimentos ofrecen estos valores, generalmente a partir de la energía bruta.
Si de la energía digestible descontamos la energía urinaria debida a productos
absorbidos no oxidados y a la energía perdida por los productos gaseosos de la
digestión, sobre todo el metano en los rumiante, obtenemos la energía metabolizable
(EM).
La energía metabolizable representa la suma de la energía de todos los productos
asimilados una vez descontadas las perdidas anteriores. En los no rumiantes se acepta
un 95% como promedio a partir de la energía digestible, mientras en los rumiantes el
valor es de un 83%. Es un índice de gran valor pues a partir de ella, restando la energía
por el incremento del calor, se obtiene la energía neta (EN) del metabolismo
La energía neta responde a la energía usada directamente en las funciones celulares
tanto la de mantenimiento (EN de mantenimiento) es decir la energía del metabolismo
basal, actividad corporal, etc., y la energía neta de producción (EN de producción)
referida a la energía para crecer, engorde, trabajo, producción de leche, lana,
reproducción, etc.
Por supuesto todos estos conceptos tienen una utilidad práctica de los sistemas de
alimentación, sobre todo el concepto de energía digestible.
A nivel metabólico como ya habíamos expresado se usa el término de energía libre
para ver las tendencias de las reacciones.
Se refiere a la energía capaz de realizar trabajo y representadas por las Kcal. captadas
en los enlaces macro energéticos del ATP a partir de la oxidación de los compuestos
orgánicos, ya sean glucosa, ácidos grasos o aminoácidos.
Es decir, son conceptos diferentes pues cuando hablamos de energía bruta o energía
metabolizable se refiere a energía calórica, de combustión, mientras la energía del
ATP es energía química. Por ejemplo
1 gramo de glucosa produce 3,76 Kcal. de EB de combustión. Mientras la energía
química producida dentro del metabolismo y obtenida en forma de enlaces macro
energéticos del ATP es de1.58 Kcal. Lo que representa un 40% de captación de la
energía de la glucosa. Es decir un mol de glucosa, (180 gramos) producen 38 mol de
ATP. Cada ATP produce 7.5 Kcal. de hidrólisis lo que en total representa 285 Kcal (38
x7.5), que partido por 180 ( el valor del mol de la glucosa) equivale al 1.58 Kcal. que
representa el 40% antes señalado.
Por otra parte 1 gramo de ácido palmitito produce 9,35 Kcal. de EB de combustión .
Mientras la energía química producida dentro del metabolismo y obtenida en forma de
enlaces macro energéticos del ATP es de 3.77 Kcal. Lo que representa igualmente un
40% de captación de la energía. Es decir un mol de ácido palmítico (256 gramos)
producen 129 mol de ATP. Cada ATP produce 7.5 Kcal. de hidrólisis lo que en total
representa 967 Kcal (129 x7.5), que partido por 256 ( el valor del mol del ácido
palmítico) equivale al 3.77 de igual manera un 40%.
Es decir, hay una captación de un 40% de energía química de la glucosa y del ácido
palmítico de la energía de combustión total de estos compuestos, lo que se considera
una alta eficiencia.
Estos concepto son muy útiles a la hora de entender el flujo energético en la naturaleza
pues permite comprender que en el paso de los compuestos por todos los procesos
metabólicos, por ejemplo de la glucosa al C02 hay unas 21 reacciones, se va liberando
la energía en forma de calor e incrementando la entropía, en definitiva cumpliendo la
2da ley de la termodinámica.
No toda la energía captada en forma de ATP se usa para realizar trabajo, pues una
parte considerable de la energía del ATP se desprende en forma de calor.
8.4 LA CADENA RESPIRATORIA Y LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
8.4.1 Introducción
La cadena respiratoria o sistema de transporte electrónico está constituida por una
serie de reacciones enzimáticas de oxidación - reducción que se realizan a nivel de las
mitocondrias de todas las células del metabolismo aerobio. La mitocondria ha sido
llamada "planta motriz", ya que a este nivel es donde gran parte de la energía derivada
de la oxidación es capturada en forma de un intermediario de un macro energético, el
ATP. La energía útil liberada en la oxidación de los glúcidos, los lípidos y los
aminoácidos se produce en las mitocondrias.
Para ello se dispone de una serie de enzimas que actúan como catalizadores que
intervienen en el transporte de electrones hasta su reacción final con el 0 2 para formar
H20, por tanto la oxidación de los hidrógenos capturados por el NAD contenidos en las
sustancias, es el principal objetivo de la cadena respiratoria. Estas enzimas son las
llamadas oxidorreductasas y las principales son las deshidrogenasas con el NAD, la
coenzima Q y el FAD de coenzimas y los citocromos, así como otras de carácter
auxiliar, encargadas de aportar material reducido a la cadena respiratoria.
El origen de las mitocondrias en los organismos de metabolismo oxidativo aerobio es
fundamental para la captación de la energía. Recordemos que la vida surgió y se
desarrollo inicialmente en un medio anaerobio donde el oxigeno, con su gran poder
reductor, no estaba presente. Algunas de estas formas de vidas primitivas comenzaron
a liberar 02 como producto de desecho de su metabolismo al producirse la fotolisis del
agua, durante la captación de la energía solar. De esta forma se enriqueció, hace unos
2 mil millones de años, la atmósfera primitiva con este gas, sumamente agresivo por
su poder oxidante, pero indispensable para la obtención de la energía química
mediante la oxidación de los compuestos orgánicos. Otras formas de vida adquirieron
entonces la capacidad de utilizar el 02 como elemento oxidante en su proceso
metabólico, especialmente en la cadena respiratoria, surgiendo así el metabolismo
aerobio.
Algunos autores (Margulis y Sangen, 1986) sugieren que ambas células establecieron
relaciones de endosimbiosis dando lugar a las células actuales de los eucariontes
como las conocemos en el presente.
Las mitocondrias serian el producto de la evolución de la primitiva célula consumidora
de oxigeno, que como sabemos tiene doble membrana, DNA y síntesis proteica
propia.
Las mitocondrias son numerosas en todas las células animales y vegetales. La célula
hepática tiene más de 800 mitocondrias representando aproximadamente el 20% de la
masa celular, con crecimiento y sistema de reproducción propio.
La membrana interna de cada mitocondria es unas 10 veces superior a la externa por
lo que presentan numerosos repliegues que constituyen las crestas mitocondriales
donde está la cadena respiratoria, unas 20 000 por mitocondria, encargadas de la
transducción de la energía.
En los animales superiores las mitocondrias se adquieren por vía materna, por los
óvulos. Ya se conocen varias enfermedades metabólicas ligadas al DNA de las
mitocondrias y han surgido también varias terapias asociadas a la transferencia de
mitocondrias. La existencia de personas con herencia de tres progenitores es ya un
hecho, a partir de la herencia paterna y también por herencia materna mitocondrial de
dos óvulos de mujeres diferentes.
8.4.2 Organización de la cadena respiratoria
La organización de los elementos que forman parte de una cadena respiratoria
"modelo" o "típica" dentro de las mitocondrias ha sido objeto de múltiples estudios. El
establecimiento de la secuencia de reacciones a partir de la captación del par de
hidrógeno o "equivalente de reducción" de los sustratos por el NAD oxidado hasta el
oxígeno a veces presenta serias dificultades. Actualmente se sabe que la cadena se
inicia por las enzimas que trabajan con el NADH2 que es la forma en que se recogen
los electrones de muchos sustratos. Una flavoenzima FAD dependiente está situada
bien a continuación o en un lugar destacado de la cadena encargada de oxidar al NAD
reducido y reducir al sistema de los citocromos que se encuentran al final del proceso;
sobre todo el citocromo oxidasa que está en contacto con el 0 2. Muchos sustratos son
deshidrogenados directamente por el sistema de las flavoenzimas FAD y FMN
dependientes Por otra parte en muchos sistemas transportadores de electrones de las
mitocondrias de los animales y de otros organismos, se han encontrado, en la
secuencia de las reacciones , a la coenzima Q y a otras enzimas ferro - sulfuradas. Es
de destacar también los resultados encontrados en la explicación de los mecanismos
de fosforilación oxidativa (acoplada a la cadena respiratoria) donde se señala la
existencia de tres bloques formados cada uno por un transportador de hidrógeno y uno
de electrones, dentro de la cadena respiratoria como explicación más lógica a la
síntesis del ATP.
Prescindiendo de todo lo demás podemos concluir que a nivel de la cadena respiratoria
ocurre fundamentalmente un proceso de óxido - reducción donde el NADH2 o el FADH2
(reducidos) son oxidados por el oxígeno molecular formando finalmente H 20.
El proceso esquemático aparece resumido en la figura 8.7.
NADH2
FADH2
NAD
FAD
Cada vez que se desprenden dos hidrógenos de un sustrato, son llevados a media
molécula de oxígeno y se forma una molécula de agua.
La reacción de carácter exergónico libera energía, en el orden de aproximadamente
209 KJ (50 Kcal). Esta energía liberada en esta reacción exorgónica es utilizada para la
síntesis del fosfato macro energético, el ATP, que es una reacción endorgónica que
necesita energía libre para realizarse. La formación de un enlace macro energético del
ATP a partir del ADP y el fósforo inorgánico requiere, como señalamos anteriormente,
30.5 KJ (7,3 Kcal.). De forma que éste proceso libera energía para sintetizar varios de
estos enlaces, utilizando para ello 91.5 KJ (21,9 Kcal.) que se almacenan en el ATP. El
resto se libera en forma de calor, lo que ayuda a mantener la temperatura corporal.
Consideremos ahora uno de los aspectos principales de este proceso, la fosforilación
oxidativa donde se produce, acoplado al mecanismo de oxido - reducción, la captación
de energía para la síntesis de ATP.
En la figura 8.8 un esquema sobre la cadena respiratoria.
oxidasa
oxidasa
-
8.4.3. Fosforilación oxidativa
La fosforilación oxidativa es el proceso mediante el cual la energía liberada por la
oxidación del NADH2 en la cadena respiratoria es utilizada para la fosforilación del ADP
a partir de la incorporación de un fósforo inorgánico (PO 4H3) con la consecuente
formación del ATP y que, en resumen, podemos reflejar como:
Debemos recordar que en el ATP está presente la energía química requerida para todo
el trabajo celular, ya sea osmótico, mecánico, de ampliación de señales o biosintético.
En este sentido el ATP constituye el núcleo central de todo el proceso de captación de
energía y de todo el ciclo energético de la naturaleza.
En relación con estos aspectos tiene vital significación el proceso de fosforilación
oxidativa, por cuanto permite la captación de energía liberada en la cadena respiratoria
para la síntesis del ATP, que en esencia es la única forma posible de utilización de la
energía por los animales para el trabajo celular.
La teoría quimiosmótica formulada por Mitchell en 1968 supone que la energía liberada
por el flujo de electrones en la cadena respiratoria es utilizada para la separación de los
protones y los electrones de cada lado de la membrana interna de la mitocondria,
explicando satisfactoriamente muchos aspectos hasta ahora no bien dilucidados.
Según la misma, la membrana interna de la mitocondria posee un sistema de
translocación selectiva de protones provenientes de la cadena respiratoria. Los
protones son transferidos de la matriz mitocondrial al espacio externo de la membrana
interna. La disminución de la concentración de H+ en la matriz mitocondrial se
acompaña de un aumento de la alcalinidad (OH-) en el medio interno y un aumento de
la acidez en el medio externo de dicha membrana. La energía requerida para ello está
dada por la transferencia de electrones en la cadena respiratoria. De esta manera el
proceso de fosforilación oxidativa se acopla a la cadena respiratoria.
Según estos criterios la cadena respiratoria está formada por tres bloques de
transportadores que se corresponden con tres sitios de acoplamiento. Cada bloque
está formado por un transportador de hidrógeno y uno de electrones. Recuérdese que
un hidrógeno (H) está formado por un H+ y un electrón. De forma que cada
transportador de H cede el electrón al transportador de electrones y el H + al exterior de
la membrana. El primer bloque está representado por el NAD y una deshidrogenasa
flavoprotéica con hierro no hemínico y azufre en su estructura, que actúa como
aceptador de electrones y simbolizada por FNH (hierro no hemínico). El segundo
bloque está representado por las deshidrogenasas que actúan como el FAD y FMN y el
citocromo B y el tercer bloque por la coenzima Q, los citocromos C y citocromo oxidasa.
De esta manera siempre que se produce el transporte de H se libera el H+ al exterior de
la membrana interna y el electrón es captado por el transportador de electrones (figura
8.8).
Por la oxidación total de una molécula de NADH2 son transferidos 6H+ al exterior. El
potencial creado por dos H+ es requerido para formar una molécula de ATP a partir del
ADP y el fósforo inorgánico.
La membrana interna de la mitocondria presenta una ATP sintasa que puede actuar de
forma reversible. Esta ATP asa presenta un sitio para el ADP hacia el lado interno y un
sitio para el fósforo inorgánico hacia el lado externo. El fósforo aportaría OH- para
neutralizar el exceso de H+ del exterior, mientras el ADP aportaría el H+ para la
neutralización de los OH- del medio interno, quedando creadas las condiciones para la
síntesis de ATP (figura 8.9). El potencial creado es de unas 3.5 unidades de diferencia
de pH o un potencial de 210mV o una combinación de los dos.
En esta teoría la membrana constituye una parte integral del sistema y su integridad es
necesaria para que se produzca la síntesis del ATP. Otra característica de esta
hipótesis es que requiere de reacciones vectoriales a través de la membrana interna
mitocondrial. Las reacciones en que se absorbe H+ se producen en la cara interna de
la membrana, mientras que las reacciones que liberan H+ se producen en la cara
externa.
Esto supone también que los centros activos de la ATP sintasa posean una orientación
específica. (Figura 8.10).
sintasa
OH
H
De esta manera hemos visto que el transporte electrónico mitocondrial genera un
gradiente de H+ rico en energía, mientras la fosforilación del ADP para formar ATP
utiliza continuamente esta energía de forma que el resultado puede observarse es poco
o ningún gradiente neto de H+. La concentración de estos protones de hidrógeno en le
espacio intramembranal de la mitocondria crearía la fuerza proto motriz para la síntesis
del ATP
Es decir, la cadena respiratoria produce un flujo de H+ hacia el exterior de la membrana
interna de la mitocondria y crea un potencial capaz de revertir la acción de la ATP
sintasa, de esta manera se integran los dos procesos
La teoría quimiosmótica al parecer resuelve la mayoría de los problemas planteados
para explicar la síntesis del ATP a nivel de la cadena respiratoria.
Existen numerosos compuestos capaces de inhibir la cadena respiratoria, bien
inhibiendo el transporte de O2 a nivel de la hemoglobina, o inhibiendo los mecanismos
de oxido - reducción en la cadena respiratoria. Otro grupo de sustancias produce un
desacoplamiento entre la oxidación - reducción y la fosforilación oxidativa. Entre los
primeros se encuentran el ácido cianhídrico, el cianuro de potasio, el monóxido de
carbono y otros compuestos que inhiben el transporte de oxigeno. Otros como los
barbitúricos, algunos esteroides y los mercuriales afectan la oxidación de los sustratos
al ligarse a ciertas deshidrogenasas que actúan con el NAD. Los desacopladores
disocian la oxidación de la fosforilación, lo que trae como resultado una respiración no
controlada. El más usado ha sido el 2-4 dinitro fenol (DNF). En este caso el resultado
es que la concentración de ADP y fósforo inorgánico no controla la velocidad de la
respiración, como ocurre normalmente.
sintasa
8.4.4.-El estrés oxidativo
Ligado a los procesos de oxidación en las mitocondrias esta el estrés oxidativo.
El estrés oxidativo se produce par la presencia de "especies reactivas del oxígeno" muy
agresivas, bien bajo la forma de radicales libres u otras, que alteran el equilibrio
oxidativo de la célula
Un radical libre es cualquier átomo o molécula que contiene uno a más electrones sin
parear. Los electrones sin parear alteran la reactividad química de un átomo o
molécula, haciendo a este mas reactivo que el correspondiente no radical.
El mas importante aceptador de electrones es el oxigeno molecular (0 2) el cual, en
virtud de su naturaleza, fácilmente acepta electrones dando lugar a una serie de
especies reducidas llamadas especies reactivas del oxigeno. El paso del O 2 por
incorporación de electrones, según se ha visto en la cadena respiratoria, al H2O es
sumamente complejo lo que da lugar a que escapen algunas de estas especies
reactivas del oxigeno
Principales especies reactivas del oxigeno
Oxigeno Singlete. Primer estado de excitación del O2
Súper óxido. Estado de reducción con un electrón, formado en muchas reacciones de
auto oxidación
Perhidroxil. Forma protonada del O2, más liposoluble
Peróxido de Hidrogeno. Estado de reducción con dos electrones, formado a partir del
O2 por dismutación o directamente desde el O2.
Hidroxil. Estado de reducción con tres electrones; es altamente reactivo
Radical dioxil. Formado por el hidroperóxido
hidrogeno
orgánico (ROOH) por extracción del
Estas especies reactivas del oxigeno son formadas par varias vías. Las principales
son.
1. Formación de súper óxido por auto oxidación por medio de las
Hemoglobinas, Glutatión, Catecolaminas y otros procesos.
Hidroquinonas,
2. Formación de súper óxido por enzimas Flavín dependiente, reducción del oxigeno
fotosintético, cadena respiratoria mitocondrial, cadena microsomal, reducción del O 2
por el NADPH -dependiente en los granulocitos y los macrófagos
3. Formación de súper óxido por factores físicos. Ultrasonido, Luz ultravioleta, Rayos
X, rayos gamma
4. Formación del súper óxido incrementada por Xenobióticos,
Defensa contra el estrés oxidativo. Los antioxidantes.
La detoxificación de las especies reactivas del oxigeno es uno de los prerrequisitos de
la vida aerobia. El contrarrestar las reacciones potencialmente peligrosas iniciadas por
los metabolismos del 02 incluye varios niveles de protección: Los principales son.
I. Sistemas no enzimáticos. Alfa -tocoferol (Vitamina E), Ácido Ascórbico (Vitamina
C), Beta -carotenos (Vitamina
A),
Ácido Úrico y las proteínas plasmáticas
(Ceruloplasmina, etc.)
II. Sistemas enzimáticos
Superóxido dismutasa (SOD), Glutatión peroxidasa (GSH) y la Catalasa
Antioxidantes no enzimáticos.
El alfa –tocoferol o vitamina E es el antioxidante liposoluble más importante del
metabolismo. Actúa inhibiendo el paso de propagación lipídica. El alfa -tocoferol tiene la
capacidad para neutralizar radicales peroxil formados en la propagación.
Especialmente activo en la protección de los ácidos grasos poliinsaturados de la
membrana.
Ácido ascórbico o vitamina C. Participa en muchas actividades de naturaleza
antioxidante, es considerado el más importante antioxidante del medio extracelular. Su
accionar antioxidante recae sobre el dañino súper óxido, radical hidroxilo, peroxido de
hidrogeno, radical peroxil y oxigeno singlete.
Se observa también en lípidos del plasma que la vitamina C es capaz de inhibir la per
oxidación lipídica iniciada por el radical peroxil de forma mas rápida y efectiva que otros
componentes del plasma (Ácido, úrico, Alfa -tocoferol, etc.)
Beta-carotenos (Vitamina A). Su actividad antioxidante fundamental esta dirigida hacia
el oxigeno Singlete. Recientemente se ha reportado la posibilidad de que el beta caroteno (igual que el alfa -tocoferol), inhiba la per oxidación lipídica al reaccionar con
los radicales Hidroxil.
Ácido úrico. Es un eficaz eliminador de radicales hidróxidos, aniones súper óxidos y
oxigeno Singlete. Muestra una actividad antioxidante con elevada efectividad cuando la
per oxidación lipídica es iniciada con una fuente de radical soluble en agua.
Las vitaminas A, E y C son tres potentes antioxidantes.
La presencia de muchos antioxidantes en productos de origen vegetal es potenciada en
la actualidad en la alimentación
Antioxidantes enzimáticos.
Las celulas aerobias contienen la enzima Superóxido dismutasa (SOD) que convierte al
superóxido en peroxido de hidrogeno y en oxigeno molecular
El peroxido de hidrogeno formando por la SOD y otras enzimas se descompone por la
Glutatión peroxidasa y la Catalasa,
La Glutatión peroxidasa es la enzima que mas H202 remueve del formado por la SOD
en el citoplasma y la mitocondria, por medio de la oxidación del glutatión reducido
(GSH).
De esta forma en general se controla los radicales libres y las especies reactivas del
oxigeno e indican la importancia de este equilibrio y de los agentes antioxidantes
Estas tres enzimas. Superóxido dismutasa, Glutatión peroxidasa y Catalasa son las
principales barreras en contra de las especies reactivan del oxigeno.
Estas especies reactivas del 02 sean radicales libres o no, producen daños marcados
en muchos compuestos de la célula. Se citan alteraciones en las bases púricas y
pirimidicas de los ácidos nucleicos, sobre todo en el DNA, que puede producir errores
en la replicación y en la trascripción.
Igualmente se producen daños en los radicales de los aminoácidos y las proteínas
especialmente en los de la metionina, la cisteína, la histidina, el triptófano, la lisina y
otros mas que trae alteraciones es la estructura de proteínas y en muchos casos
perdida de la función.
Los cambios en la fracción lipídica son muy señalados. Los ácidos grasos
poliinsaturados de la membrana son especialmente afectados, así como los
precursores de las prostaglandinas, los trombóxanos y la prostaciclina.
La per oxidación de los lípidos es muy marcada en los ácidos grasos poliinsaturados
con producción de hidroxi aldehídos, hidroxi ácido, cetoácidos, cetohidroxiácidos, etc.,
que producen trastornos a nivel de la membrana.
A partir del colesterol se producen el epóxido y el hidroperóxido de colesterol, con
efectos mutágenos. También la peroxidación lipídica se ha identificado con alteraciones
ateroescleroticas con cambios en las lipoproteínas de baja densidad (LDL) e
incremento del colesterol.
Analizado lo correspondiente al flujo de información y al flujo de energía y sustancia de
forma integral veamos los objetivos generales del metabolismo.
8. 5. OBJETIVOS GENERALES DEL METABOLISMO
En el conjunto de reacción, ciclos y vías metabólicas presentes en un organismo vivo
se pueden identificar cinco funciones u objetivos básicos, estos son:
La asimilación de los productos requeridos.
La degradación de compuestos para obtener energía.
La síntesis o trabajo biosintético
La excreción de los productos de desechos
La autorregulación de todo proceso.
En estos cinco objetivos básicos están presentes todos los procesos metabólicos que
tienen lugar en un organismo vivo, relacionados con el flujo de información y un flujo de
energía y sustancia
Desarrollemos a continuación estas 5 funciones u objetivos del metabolismo.
En primer lugar el metabolismo debe asegurar la asimilación de todos los productos
necesarios para la célula. Esto al parecer es simple, sin embargo, tiene su complejidad.
Como es conocido los animales no pueden usar los productos tal como se presentan
en los alimentos. Es decir, el animal tiene que transformar las proteínas, los
carbohidratos, los lípidos, etc., presentes en la dieta, en productos que él pueda
usarlos, en sus elementos constitutivos, tales como aminoácidos, monoglúcidos, ácidos
grasos, glicerol, etc. Para ello el primer proceso metabólico a considerar es la hidrólisis
y absorción de los elementos ingeridos. Esto se hace posible por la existencia a lo largo
del tubo digestivo de sistemas enzimáticos pertenecientes a las hidrolasas, que
hidrolizan las proteínas, las grasas, los carbohidratos, etc., liberando sus elementos
estructurales, los cuales son absorbidos. Para este aspecto también el organismo
animal dispone de sistemas especiales de transporte activo que aseguren el paso a la
sangre y su posterior distribución a la célula de todos los elementos requeridos que van
desde aminoácidos, la glucosa y los ácidos grasos hasta el agua, los minerales, las
vitaminas y otros factores más. No debemos olvidar que el metabolismo, a nivel celular,
requiere el transporte de O2, por lo que existe un sistema encargado de su captación y
su posterior traslado a las células. Con todo esto se cumple el primer objetivo.
El segundo objetivo del metabolismo estaba dado por la necesidad de la célula de
disponer de fuentes de energía química para realizar todo el trabajo celular; es decir,
asegurar la síntesis de ATP. En líneas generales esto está formado por las diferentes
vías catabólicas que van degradando las sustancias combustibles utilizadas para éste
fin. ¿Cómo está organizado este aspecto? En primer lugar los principales compuestos
combustibles tienen vías oxidativas particulares, que confluyen en una vía de oxidación
común final. Estas vías catabólicas son la desaminación oxidativa para los
aminoácidos, la glucólisis para la glucosa y la beta oxidación para los ácidos grasos.
Los productos finales para estas tres vías metabólicas confluyen en una vía común final
conocida como ciclo de Krebs o ciclo Tricarboxílico. Todas estas vías tienen como
función principal aportar equivalentes de reducción, en forma de NADH2 o FADH2 a la
cadena respiratoria para la síntesis de ATP
En estos aspectos no se debe ser absoluto pues muchos de estos productos finales,
son a su vez, punto de partida para la síntesis de una innumerable cantidad de
compuestos; sin embargo, la tendencia general de estas vías es oxidar los compuestos
a CO2 y H2O. De esta manera se asegura, por combustión química la energía requerida
para todos los procesos celulares.
Pasemos ahora al siguiente objetivo conocido como trabajo biosintético, o sea, la
formación de las sustancias y estructuras propias de cada animal en partícular. En este
proceso, que a grandes rasgos constituye el anabolismo, se forman todos los
elementos requeridos para la célula.
En primer lugar está la biosíntesis proteica, mediante la cual se asegura la
disponibilidad de todas las proteínas necesarias para las funciones celulares. Este
proceso es, sin duda, el más importante dentro de todo el trabajo biosintético dada las
funciones de las proteínas y su participación en las estructuras celulares y de los
tejidos. Para esto se utilizan grandes cantidades de ATP.
Por otra parte, el organismo requiere mantener reservas de materiales energéticos
tales como el glucógeno y los lípidos, lo cual se realiza por la vía de la glucogénesis y
la lipogénesis, respectivamente.
Otras muchas sustancias de estructura variada deben ser sintetizadas por las células
para asegurar las funciones del organismo en general; entre otras tenemos la síntesis
de bases púricas y pirimídicas y de ácidos nucleicos; la síntesis de hormonas, la
síntesis de porfirina, la síntesis de creatina; prostaglandinas; glúcidos y lípidos
estructurales complejos, etc. Esto sin olvidar que algunos tejidos especializados, tales
como la glándula mamaria, gónadas, etc., realizan un trabajo sintético especial pues
producen secreciones que cumplen importantes funciones biológicas. Todo este
enorme trabajo biosintético requiere el aporte de cantidades apreciables de ATP.
Producto de todo este trabajo bioquímico se producen productos de desechos que
mediante el metabolismo se deben asegurar su excreción al exterior. Con vista a ellos
se producen determinada vías metabólicas, tales como, por ejemplo el ciclo de la urea
para eliminar el amoniaco (NH3); la excreción del ácido úrico procedente de las bases
púricas ; la eliminación de la bilirrubina que se origina en el catabolismo de las
porfirinas; de hormonas inactivas, de CO2 etc., sin olvidar la necesidad de neutralizar y
eliminar al exterior ciertas sustancias que entran al organismo junto a los demás
compuestos y que no tienen un uso fisiológico, u otras que por entrar en exceso
también deben ser eliminadas y en algunos casos detoxicadas. Todo este trabajo de
eliminación de productos de desechos consume cantidades apreciables de ATP
también.
En la figura 8.11 se establece algunas de las relaciones antes referidas.
Figura 8.11 Relaciones en el metabolismo.
Veamos a continuación como se cumple el último de los objetivos planteados, es decir
la autorregulación del metabolismo el cual ocurre por la interrelación de las enzimas,
las hormonas el sistema nervioso.
8.6 LA REGULACIÓN DEL METABOLISMO
8.6.1 Regulación bioquímica celular
Todos los procesos metabólicos en los animales domésticos están perfectamente
controlados y regulados, lo que asegura el mantenimiento de las condiciones
necesarias para el desarrollo adecuado de las funciones orgánicas.
Los elementos a controlar y a regular en el organismo de un animal superior
constituyen miles de sistemas y van desde el nivel de oxidación de una glucosa a la
síntesis de una proteína hasta la regulación del volumen acuoso, la concentración
iónica, la presión sanguínea y mucho más. Todos estos sistemas tienen la
responsabilidad de mantener, dentro de los límites fisiológicos, la invariabilidad del
medio interno manteniendo las condiciones constantes del mismo, o sea, la
homeostasis.
En el organismo animal los mecanismos de control y regulación de las actividades
metabólicas pueden ser analizados desde diferentes planos. En primer lugar la
regulación bioquímica celular, fundamentalmente enzimatica, en segundo lugar, la
regulación hormonal y, en tercer lugar, la regulación nerviosa.
La regulación bioquímica a nivel de cada célula está influenciada por múltiples factores
y condicionada, en primer lugar, a las necesidades de energía y estructuras para
mantener el trabajo celular.
A este nivel debemos considerar que la velocidad de una reacción bioquímica puede
depender del pH, temperatura, concentración de sustratos y productos u otros
elementos que ejercen su acción local en cada célula.
Por otra parte, muchas enzimas se encuentran asociadas a nivel molecular formando
sistema multienzimáticos, que catalizan las vías metabólicas en su conjunto. Por
ejemplo, la vía de la glucólisis, el ciclo de Krebs o la cadena respiratoria son vías que
incluyen 10 o 12 reacciones, que requieren de otras tantas enzimas para su realización.
En estos casos la síntesis de estas enzimas está coordinada por factores genéticos,
como es el caso de OPERON, que determina la velocidad de la vía en cuestión.
A nivel celular existen también otros mecanismos moleculares representados por la
activación o inactivación de las enzimas de determinada vía. A modo de ejemplo
citamos el caso de la degradación y la síntesis del glucógeno, según será analizado en
el metabolismo de los glúcidos. Este mecanismo actúa por la incorporación de
determinados radiales, grupos fosfatos, etc., en determinadas zonas del sitio activo de
las enzimas activándolas e inactivándolas y con ello regulando el proceso metabólico
que ellas catalizan.
Por último, como mecanismo de regulación celular haremos referencia a la regulación
alostérica. En los sistemas multienzimáticos se presentan enzimas que tienen el
carácter de enzimas reguladoras, pues el estado de la misma determina la velocidad de
reacción del sistema, son las llamadas enzimas claves o llaves de una determinada vía.
Generalmente estas enzimas presentan carácter alostérico y muchas son
multivalentes, es decir, que pueden responder a dos o más metabolitos. Supongamos
el caso de un sistema multienzimático donde un producto A por una serie de pasos
catalizados por diferentes enzimas se transforma en F según la reacción:
Si la enzima inicial E u otra dentro de esta serie de reacciones presenta carácter
alostérico puede darse el caso de que F, que es el producto final de la secuencia de
reacciones, actúe a su vez como un factor de regulación del proceso inhibiendo
alostéricamente a la enzima clave de la vía metabólica en cuestión. En este tipo de
regulación la concentración del factor de regulación es determinante, pues la inhibición
del proceso depende en mucho de la concentración real del inhibidor alostérico.
Por otra parte generalmente F es el sustrato inicial de otra serie de reacciones
colaterales, por lo que al disminuir su concentración por esta u otra vía se produciría la
detención de la inhibición alostérica inicial y la secuencia de reacciones se iniciaría de
nuevo. Esto como es lógico estaría extremadamente interrelacionado a nivel celular y
en definitiva por todo ello, junto a otros factores, el metabolismo en su conjunto
presenta un estado armónico.
Al estudiar las principales vías metabólicas se harán referencia, en cada caso, a los
factores reguladores de este tipo y más tarde en el tema de la integración metabólica
podemos concluir este aspecto
Podemos ahora considerar el efecto de las hormonas sobre todo el metabolismo.
8.6.2 Regulación hormonal
Las hormonas son sustancias producidas generalmente por órganos de secreción
interna o endocrinas, que después de producidas son transportadas por la circulación y
que actúan en diferentes órganos y tejidos del organismo. Etimológicamente, hormona
significa excitación o estímulo. Son, por tanto, sustancias reguladoras de las
actividades del organismo, las cuales actúan modificando la velocidad de reacción
metabólica en la célula o tejidos efectores. La acción puede ser excitar o inhibir y, en
resumen, controlar los procesos metabólicos, aunque se diferencias bastante de las
enzimas, ya que actúan en órganos distintos al que las produce, son vertidas en la
circulación y estructuralmente no siempre son de carácter proteico.
Mecanismo general de la acción hormonal
Muchas hormonas incluyendo a los esteroides y las del tiroides, pueden actuar a nivel
del núcleo celular, estimulando la producción del ácido ribonucléico (RNA), el cual, a su
vez, produce la síntesis de una enzima o grupos de enzimas que actúan en una vía
metabólica específica. Las hormonas esteroides, por ejemplo, incrementan la síntesis
de RNA total, incluyendo el RNA mensajero y de transferencia, lo que repercutiría en la
síntesis proteica. Esto puede ser demostrado pues el incremento de la actividad de una
enzima, producto de la administración de las hormonas, puede ser bloqueado por la
administración de inhibidores de la síntesis del RNA. Muchas veces la acción hormonal
se efectúa a nivel de la traducción de la información del RNA mensajero a los sitios o
mecanismos que intervienen en la producción ribosómica de la proteína enzimática; por
ejemplo, los ribosomas de animales tratados con hormonas de crecimiento (STH)
poseen una capacidad modificada para sintetizar proteínas en presencia del RNA
mensajero.
Las hormonas no esteroidales, por el contrario, tienen otro mecanismo de acción. Estas
hormonas dependen de receptores específicos (proteínas) en la membrana celular. La
unión de la hormona con el receptor produce un cambio conformacional que le permite
activar a las proteínas G de membrana, que a su vez activan enzimas de tipo de las
ciclasas y la fosfatasas y estas producen los segundos mensajeros. Entre los segundos
mensajeros más conocidos está el AMP cíclico. Otros mensajeros de similar
constitución son el GMP cíclico y el CMP cíclico.
Entre las hormonas que actúan por medio del AMPc están la ACTH, TSH, LH, FSH,
vasopresina, glucagón, adrenalina y varios factores hipotalámicos. En este sentido el
AMP cíclico actúa como mediador químico intracelular de muchas hormonas. El AMP
cíclico se produce por acción enzimática de la adenil ciclasa sobre el ATP (figura 8.12).
Algunas hormonas, en especial la insulina, provocan la síntesis de otro nucleótido
cíclico, el GMP cíclico. Estos mecanismos pueden variar su importancia cuando la
acción hormonal es estudiada en diferentes tejidos; por ejemplo, la insulina tiene un
efecto rápido sobre el transporte de membrana en los tejidos adiposo y muscular, pero
su acción es más lenta en el hígado, lo que indica a nivel nuclear o de traducción;
finalmente, todos estos sistemas están íntimamente relacionados.
FIGURA 8.11 Relación hormonal con el AMP cíclico.
Las hormonas ejercen una fuerte acción reguladora sobre el nivel del metabolismo en
general y sobre muchas vías metabólicas en particular. Tenemos el caso, por ejemplo,
de las hormonas de la tiroides, que estimulan el metabolismo general de todo el
organismo, mientras que la adrenalina estimula particularmente la glucogenólisis y
otros procesos. Otra vía de formación de segundos mensajeros es la que tiene lugar a
partir de los fosfolípidos, en particular el fosfatidil inositol. (Figura 8.12). El fosfatidil
inositol es fosforilado a partir del ATP originando el fosfatidil inositol di fosfato, que por
acción de la fosfolipasa C origina el trifosfato de inositol (IP3) y el Diacil glicerol (DG)
ambos son segundos mensajeros de varias hormonas. Al estudiar las vías metabólicas,
analizaremos cada caso en detalle y comprobaremos la gran armonía que existe en
todo el sistema.
Figura 8.12 Formación del IP3 y el DG
8.6.3 Regulación nerviosa
Aunque el efecto de la regulación nerviosa del metabolismo corresponde a los cursos
de fisiología trataremos de dar una idea general sobre estos aspectos. El sistema
nervioso es el máximo regulador y controlador de todas las funciones vitales. Los
estímulos internos y externos son captados y analizados por el sistema nervioso, el que
determina en cada caso la conducta a seguir.
En el caso particular del metabolismo es de destacar la acción del hipotálamo el cual
controla, en gran medida, la acción de la hipófisis y por medio de ésta casi todo el
sistema endocrino.
Gran importancia presenta también el control directo del sistema nervioso sobre la
secreción de adrenalina, que a su vez tiene un efecto directo sobre la fase metabólica
del organismo en general.
En todo este proceso de regulación del metabolismo los mecanismos de
retroalimentación (feedback) presentan una marcada importancia, sobre todo en la
regulación hormonal. En este sentido se puede hablar de una doble regulación, pues si
bien todo el metabolismo es regulado por los factores antes mencionados en su
conjunto, no es menos cierto que el nivel metabólico ejerce un factor controlador y
regulador de muchas actividades nerviosas y hormonales, lo cual se pone de
manifiesto en la figura 8.13.
Todos estos elementos serán analizados en los próximos capítulos donde abordaremos
el estudio particular de las líneas metabólicas antes señaladas. De igual manera, al
concluir estos aspectos analizaremos de forma conjunta todas las interrelaciones
presentes entre las diferentes vías metabólicas y concluiremos en el capítulo 11, en la
parte correspondiente a la integración metabólica con estos aspectos relacionados con
la regulación del metabolismo.
FIGURA 8.13. Interrelación de los sistemas reguladores con el metabolismo.