Download CAPITULO 8
Document related concepts
Transcript
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.