El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en las células del cuerpo para convertir los alimentos en energía. Tu cuerpo necesita esta energía para hacer de todo, desde moverse y pensar hasta crecer. Miles de reacciones metabólicas ocurren al mismo tiempo, todas ellas controladas por el cuerpo, para que nuestras células se mantengan sanas y funcionen bien. Las grasas se transforman en ácidos grasos, mientras que los carbohidratos (hidratos de carbono) se convierten en azúcares simples, como la glucosa. El cuerpo puede entonces utilizar los aminoácidos, los ácidos grasos y los azúcares simples como fuentes de energía cuando sea necesario.
La sangre absorbe estas formas más simples de nutrientes y las lleva a las células. Una vez que entran en las células, otras enzimas aceleran o controlan las reacciones químicas implicadas en la descomposición o "metabolización" de estas sustancias. El cuerpo puede utilizar la energía de inmediato o almacenarla en los tejidos corporales, especialmente en el hígado, los músculos y la grasa corporal, para usarla posteriormente.
Las Dos Vertientes del Metabolismo: Anabolismo y Catabolismo
El metabolismo se divide en dos vertientes que ocurren simultáneamente: el anabolismo y el catabolismo.
Anabolismo: El Metabolismo Constructivo
El anabolismo, o metabolismo constructivo, consiste fundamentalmente en fabricar y almacenar. Ayuda al cuerpo a generar nuevas células, reparar tejidos y almacenar energía para más adelante. En el anabolismo, se utilizan pequeños componentes básicos para crear moléculas más grandes y complejas de carbohidratos, proteínas y grasas. Es el conjunto de procesos metabólicos constructivos en los que la energía liberada por el catabolismo se utiliza para sintetizar moléculas complejas. En general, las moléculas complejas que dan lugar a estructuras celulares son construidas a partir de precursores simples. Los organismos autótrofos, como las plantas, pueden construir moléculas orgánicas complejas y proteínas por sí mismos a partir de moléculas simples como dióxido de carbono y agua. Los organismos heterótrofos, en cambio, requieren una fuente de sustancias más complejas, como monosacáridos y aminoácidos, para producir esas moléculas complejas.
Las rutas anabólicas se pueden clasificar en tres grandes bloques:
- Síntesis de compuestos orgánicos sencillos (por ejemplo, la fotosíntesis).
- Síntesis de monómeros (por ejemplo, la gluconeogénesis).
- Síntesis de polímeros.
La fotosíntesis es la síntesis de glucosa a partir de energía solar, dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), con oxígeno como producto de desecho. Ese proceso utiliza el ATP y el NADPH producido por los centros de reacción fotosintéticos para convertir el CO2 en 3-fosfoglicerato, que puede ser convertido en glucosa. Esa reacción de fijación del CO2 es llevada a cabo por la enzima RuBisCO. Se dan tres tipos de fotosíntesis en las plantas: fijación del carbono C3, fijación del carbono C4 y fotosíntesis CAM. En las procariotas fotosintéticas los mecanismos de la fijación son más diversos. En el anabolismo de los carbohidratos se pueden sintetizar ácidos orgánicos simples desde monosacáridos como la glucosa y luego en polisacáridos como el almidón.
Catabolismo: El Metabolismo Destructivo
El catabolismo, o metabolismo destructivo, es el proceso mediante el cual las células obtienen la energía que necesitan. Las células descomponen moléculas grandes (principalmente carbohidratos y grasas) de los tejidos corporales y las reservas de energía para liberar energía. Esto proporciona la energía necesaria para el anabolismo, genera calor corporal y permite la contracción muscular y el movimiento del cuerpo. A medida que el cuerpo descompone las sustancias en otras más simples, se generan productos de desecho que se eliminan a través de la piel, los riñones, los pulmones y los intestinos.
El catabolismo es el conjunto de procesos metabólicos que liberan energía. Esos procesos incluyen degradación y oxidación de moléculas de alimento, así como reacciones que retienen la energía del Sol. El propósito de esas reacciones catabólicas es proveer energía, poder reductor y componentes requeridos por reacciones anabólicas. En los animales, esas reacciones conllevan la degradación de moléculas orgánicas complejas a otras más simples, como dióxido de carbono y agua. El conjunto de reacciones catabólicas más común en los animales puede ser separado en tres etapas distintas:
- Moléculas orgánicas grandes como las proteínas, los polisacáridos o los lípidos son digeridas en componentes más pequeños fuera de las células.
- Esas moléculas pequeñas son llevadas a las células y convertidas en moléculas de tamaño aún menor, por lo general acetilos que se unen en forma covalente a la coenzima A para formar la acetil-coenzima A, que libera energía.
- En la molécula de acetil CoA, el grupo acetil es oxidado a agua y dióxido de carbono con liberación de energía que se retiene al reducir la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) en NADH.
De forma global, en el catabolismo se pueden distinguir los siguientes tres bloques principales:
- Polímeros (por ejemplo, proteínas) se transforman en monómeros (por ejemplo, aminoácidos).
- Los monómeros se transforman en compuestos orgánicos todavía más sencillos (por ejemplo, gliceraldehido).
- Las macromoléculas como el almidón, la celulosa o las proteínas deben ser degradadas en unidades más simples antes de ser usadas en el metabolismo celular.
El catabolismo de los carbohidratos es la degradación de los hidratos de carbono en unidades menores. Los carbohidratos son captados por la célula después de ser digeridos en monosacáridos. Una vez en el interior celular, la ruta de degradación es la glucólisis, en la que los azúcares como la insulina y la fructosa son transformados en piruvato y se generan algunas moléculas de ATP. El piruvato o ácido pirúvico es un intermediario en varias rutas metabólicas, pero en su mayor parte es convertido en acetil CoA y cedido al ciclo de Krebs. Aunque en el ciclo se genera más ATP, el producto más importante es el NADH, sintetizado a partir del NAD+ por la oxidación de la acetil-CoA. La oxidación libera dióxido de carbono como producto de desecho.
Las grasas son catalizadas por la hidrólisis a ácidos grasos y glicerol. El glicerol entra en la glucólisis y los ácidos grasos son degradados por beta oxidación para liberar acetil CoA, que luego se cede al ciclo de Krebs. Los aminoácidos se utilizan principalmente para sintetizar proteínas y otras biomoléculas; solo los excedentes son oxidados a urea y dióxido de carbono como fuente de energía. Esta ruta oxidativa empieza con la eliminación del grupo amino por una aminotransferasa.
Cadena de transporte de electrones y Quimiosmosis (síntesis de ATP) [Fosforilación oxidativa]
Regulación Hormonal del Metabolismo
Varias hormonas (mensajeros químicos) del sistema endocrino ayudan a controlar la velocidad del metabolismo. La tiroxina, una hormona fabricada y liberada por la glándula tiroidea, desempeña un papel clave en decidir con qué rapidez o lentitud se producen las reacciones químicas del metabolismo en el cuerpo de una persona. Otra glándula, el páncreas, libera hormonas que ayudan a decidir si la principal actividad metabólica del cuerpo en un momento dado es anabólica o catabólica.
Por ejemplo, suele haber más actividad anabólica después de comer. Esto se debe a que ingerir alimentos aumenta la concentración de glucosa en sangre, el combustible más importante del cuerpo. El páncreas percibe esta mayor concentración de glucosa y libera la hormona insulina, que les dice a las células que aumenten su actividad anabólica.
Metabolismo y la Gestión de la Energía: Calorías y Peso Corporal
El metabolismo es un proceso químico complejo, pero muchas personas lo conciben en su sentido más simple: como algo que influye en la facilidad con que nuestro cuerpo engorda o adelgaza. Aquí es donde entran en juego las calorías. Una caloría es una unidad que mide cuánta energía proporciona al cuerpo un alimento específico. Una tableta de chocolate tiene más calorías que una manzana, de modo que proporciona más energía al cuerpo.
Al igual que un coche almacena gasolina en el depósito hasta que la necesita para alimentar el motor, el cuerpo almacena calorías, principalmente en forma de grasa. Si una persona ingiere demasiadas calorías, estas “rebosan” y generan demasiada grasa corporal.
La cantidad de calorías que quema una persona en un día se ve afectada por la cantidad de ejercicio físico que haga, la cantidad de grasa y músculo que tenga su cuerpo y la tasa metabólica basal.
Tasa Metabólica Basal (TMB)
La tasa metabólica basal mide qué tan rápido una persona “quema” energía, en forma de calorías, mientras está en reposo. La tasa metabólica basal puede influir en las posibilidades que tiene una persona de aumentar de peso. Por ejemplo, una persona con una tasa metabólica basal baja (que quema menos calorías en reposo o durmiendo) tenderá a acumular más kilos de grasa corporal con el tiempo que una persona del mismo tamaño, nivel de actividad y dieta con una tasa metabólica basal promedio.
¿Qué puede afectar la Tasa Metabólica Basal?
Los genes de una persona y algunos problemas de salud pueden afectar la tasa metabólica basal. Además, la TMB está influenciada por la composición corporal (la cantidad de músculo en comparación con la de grasa). Las personas con más músculo y menos grasa generalmente tienen tasas metabólicas basales más altas. Pero las personas pueden cambiar su metabolismo basal en ciertos aspectos. Por ejemplo, una persona que hace más ejercicio quema más calorías y se pone en mejor forma física, lo que aumenta su tasa metabólica basal.
La edad afecta la tasa metabólica basal. A medida que una persona envejece, su metabolismo suele hacerse más lento. Esto significa que el cuerpo quema menos calorías en reposo que cuando era más joven. Una de las razones es que la masa muscular tiende a disminuir con la edad. Los músculos queman más calorías que la grasa, por lo que cuando se pierde masa muscular, se queman menos calorías. Los niveles hormonales también pueden cambiar, lo que afecta a la forma en que el cuerpo utiliza la energía.
Metabolismo Rápido vs. Metabolismo Lento
Un metabolismo rápido significa que tu cuerpo quema energía (calorías) rápidamente, incluso en reposo. Las personas con metabolismo rápido suelen sentir hambre con más frecuencia y les resulta más fácil mantenerse delgadas. Sus cuerpos son como motores de alta velocidad, que consumen combustible rápidamente para mantener todo funcionando.
Por el contrario, un metabolismo lento significa que tu cuerpo utiliza la energía más lentamente. Esto puede facilitar el aumento de peso, incluso si no comes mucho. Las personas con metabolismo lento pueden sentirse cansadas con más frecuencia o tener más dificultades para perder peso. Es como un motor de coche que funciona a baja velocidad: sigue funcionando, pero no tan rápido.
Mejorando el Metabolismo
Aunque existen muchos mitos sobre cómo mejorar el metabolismo, no puedes controlar tu metabolismo basal de forma drástica. Sin embargo, sí puedes influir en la quema de calorías manteniéndote activo, especialmente combinando actividad aeróbica con ejercicios que desarrollen músculo, como levantar pesas o hacer entrenamiento de fuerza. Consumir suficiente proteína magra, comer muchas frutas y verduras, beber agua y dormir lo suficiente son otras maneras de mantenerte sano.
La Base Química y Estructural del Metabolismo
El metabolismo es un proceso químico complejo. Las células regulan las reacciones metabólicas con un tipo específico de proteínas llamadas enzimas, que catalizan las reacciones sin alterarse molecularmente. La acción de transformación de los sustratos la realizan las enzimas debido a su estructura química tridimensional, que les proporciona uno o más sitios activos donde se unen al sustrato de forma específica. El modelo del complejo enzima-sustrato (E-S) describe este proceso. Al término de la reacción, se liberan los productos y la enzima, sin cambio alguno, puede volver a usarse indefinidamente. Cada enzima cataliza una reacción específica.
La energía útil para la célula se almacena en un compuesto químico llamado adenosín trifosfato (ATP). El ATP contiene energía fácilmente disponible por periodos muy breves, por lo que es necesario sintetizarlo continuamente. Los enlaces de energía química disponible donde se unen los grupos fosfatos en el ATP pueden romperse por hidrólisis y liberar energía para su uso. La desfosforilación del ATP a ADP (Adenosín Difosfato) libera energía.
La economía que la actividad celular impone sobre sus recursos obliga a organizar estrictamente las reacciones químicas del metabolismo en vías o rutas metabólicas, en las que un compuesto químico (sustrato) es transformado en otro (producto) y este a su vez funciona como sustrato para generar otro producto, en una secuencia de reacciones en las que intervienen diferentes enzimas.
Una característica del metabolismo es la similitud de las rutas metabólicas básicas incluso entre especies muy diferentes. El estudio del conjunto de esas moléculas se denomina metabolómica.
Componentes Moleculares Clave del Metabolismo
La mayor parte de las estructuras constitutivas de los animales, las plantas y los microbios pertenecen a alguno de los siguientes tres tipos de moléculas básicas: proteínas, glúcidos o lípidos (grasas). Como esas moléculas son esenciales para la vida, el metabolismo se centra en sintetizarlas en la construcción de células y tejidos, o en degradarlas y utilizarlas como recurso energético en la digestión.
- Proteínas: Compuestas por aminoácidos, dispuestos en una cadena lineal y unidos por enlaces peptídicos. Las enzimas son proteínas que catalizan las reacciones químicas en el metabolismo.
- Lípidos: Moléculas hidrofóbicas o anfipáticas que se disuelven en solventes orgánicos. Su función estructural básica consiste en formar parte de membranas biológicas o servir como recurso energético. Las grasas forman un grupo de compuestos que incluyen ácidos grasos y glicerol; la unión de una molécula de glicerol a tres ácidos grasos éster da lugar a una molécula de triglicérido.
- Carbohidratos: Aldehídos o cetonas con grupos hidroxilo que pueden existir como cadenas o anillos. Son las moléculas biológicas más abundantes y desempeñan varios papeles en la célula; algunos actúan como moléculas de almacenamiento de energía (almidón y glucógeno) o como componentes estructurales (celulosa en las plantas, quitina en los animales). Los carbohidratos básicos se denominan monosacáridos e incluyen galactosa, fructosa y la glucosa.
Los polímeros de ADN y ARN (ácido ribonucleico) son cadenas de nucleótidos, moléculas críticas para el almacenamiento y el uso de la información genética. Los nucleósidos individuales son sintetizados mediante la unión de bases nitrogenadas con ribosa. Esas bases son anillos heterocíclicos que contienen nitrógeno y, según presenten un anillo o dos, pueden ser clasificadas como pirimidinas o purinas, respectivamente.
Coenzimas y Vitaminas en el Metabolismo
El metabolismo supone un gran número de reacciones químicas, pero en la gran mayoría de ellas interviene alguno de los mecanismos de catálisis básicos de reacción de transferencia en grupo. Esa química común permite que las células utilicen una pequeña colección de intermediarios metabólicos para trasladar grupos químicos funcionales entre diferentes reacciones. Los intermediarios de transferencia de grupos se denominan coenzimas. Cada clase de reacción de grupo es llevada a cabo por una coenzima en particular.
La coenzima más importante es el adenosín trifosfato (ATP), nucleótido que se utiliza para transferir energía química entre distintas reacciones. El ATP actúa como una conexión entre el catabolismo y el anabolismo, con reacciones catabólicas que lo generan y reacciones anabólicas que lo consumen.
Una vitamina es un compuesto orgánico necesario en pequeñas cantidades que no puede ser sintetizado en las células. El dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD), más conocido como nicotinamida adenina dinucleótido, un derivado de la vitamina B, es una coenzima importante que actúa como aceptor de protones. El NAD existe en dos formas relacionadas en la célula, NADH y NADPH. El NAD+/NADH es más importante en reacciones catabólicas, mientras que el NADP+/NADPH se utiliza fundamentalmente en reacciones anabólicas.
El Rol de los Elementos Inorgánicos
Los elementos inorgánicos desempeñan un papel crítico en el metabolismo; algunos de ellos son abundantes (p. ej., el sodio y el potasio) mientras que otros actúan en concentraciones mínimas. Los elementos inorgánicos actúan como electrolitos iónicos. Los iones de mayor importancia son sodio, potasio, calcio, magnesio, cloruro y fosfato, y el ion orgánico bicarbonato. El gradiente iónico a lo largo de las membranas de la célula mantiene la presión osmótica y el pH. Los iones también son críticos para los nervios y los músculos porque en esos tejidos el potencial de acción es producido por el intercambio de electrolitos entre el líquido extracelular (LEC) y el citosol.
Los metales de transición se encuentran presentes en el organismo sobre todo como zinc y hierro, que son los más abundantes. Esos metales, que en algunas proteínas se utilizan como cofactores, son esenciales para la actividad de enzimas como la catalasa y de proteínas transportadoras del oxígeno como la hemoglobina.
Metabolismo y la Naturaleza de la Vida
El metabolismo es la cualidad que tienen los seres vivos de crear reacciones químicas, para sintetizar substancias complejas, utilizando otras más sencillas (anabolismo), o degradar a las primeras en otras más simples (catabolismo). La palabra "metabolismo" es un neologismo creado por el profesor alemán, Theodor Schwann, usando el griego μεταβολή (metabole = cambio) y el sufijo -ισμός (-ismo = cualidad, sistema). Es decir, es la cualidad que tienen los seres vivos de cambiar químicamente la naturaleza de ciertas sustancias.
El metabolismo es la garantía de la vida. Condición necesaria para la existencia de los organismos vivos. El concepto de metabolismo abarca todos los nexos energéticos del organismo con el medio y las complejas cadenas de sucesivas transformaciones de sustancias y energía en el interior del mismo. A diferencia de los organismos, los cuerpos de la naturaleza inanimada no acumulan energía, sólo la entregan, subordinándose a la segunda ley de la termodinámica. La incomprensión de esta radical diferencia energética entre la naturaleza viva y la inanimada ha sido una de las causas de que haya surgido la creencia en un principio inmaterial que comunicaría vitalidad, actividad, a los organismos (Vitalismo).
El metabolismo biológico se compone de dos fases o etapas conjugadas: catabolismo y anabolismo. La primera se ocupa de liberar energía, rompiendo vínculos químicos dados; la segunda de emplear esa energía en formar nuevos enlaces químicos y componer nuevos compuestos orgánicos.
Cada ser vivo tiene un metabolismo único, influenciado por factores como la edad, la genética, el nivel de actividad física y la alimentación. Gracias al metabolismo, el cuerpo humano puede mantener un equilibrio interno o homeostasis, adaptándose a diferentes condiciones para garantizar su correcto funcionamiento. El metabolismo es el proceso por el cual se transforman en el organismo los hidratos de carbono, las proteínas, las grasas, y otras sustancias. La actividad metabólica comprende la absorción, transformación, y eliminación de sustancias que permiten a las células cumplir sus funciones energéticas o de síntesis.
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