Metabolismo I. Biología. BIOL.

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Biología

Concepto general. Término que se aplica al conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos. Incluye, por tanto, también todos los procesos moleculares mediante los cuales los distintos organismos adquieren la energía y la utilizan en la realización de las funciones propias de la vida. Una de las características más salientes de los seres vivos es precisamente el flujo incesante de transformaciones químicas que les permiten sintetizar los compuestos propios de sus células y degradar, con la consiguiente producción de energía, compuestos que provienen del medio ambiente o que se habían sintetizado previamente en su interior. Los términos anabolismo y catabolismo se suelen utilizar a menudo para referirse al conjunto de reacciones biosintéticas y degradativas, respectivamente. Las distintas secuencias de reacciones que reflejan el orden en que tienen lugar las conversiones de unos compuestos en otros se conocen con el nombre de vías metabólicas. La investigación bioquímica ha puesto de manifiesto que existe una marcada unidad en todos los seres vivos en lo que se refiere a las vías metabólicas centrales. Una nota característica de prácticamente todas las reacciones bioquímicas es el hecho de estar catalizadas por enzimas (v.) que de ordinario presentan una elevada especificidad.

A partir de los glúcidos y compuestos minerales, lascélulas vegetales y muchos de los microorganismos pueden llegar a la síntesis de todos los compuestos necesarios para su crecimiento y división. Los animales obtienen la energía de la degradación de sustancias en una serie de reacciones acopladas con la fosforilación del adenosindifosfato (ADP), que se transforma en adenosintrifosfato (ATP), el compuesto de mayor importancia en cualquier fenómeno de transferencia energética. Las vías metabólicas degradativas están encaminadas, por tanto, a la producción de ATP, lo que hace posible el funcionamiento de las vías metabólicas de síntesis al aportar la energía química a algunas de estas reacciones perfectamente acopladas con la hidrólisis del ATP en ADP y fosfato inorgánico. Otros compuestos ricos en energía están también presentes en muchas células; sin embargo, ninguno de ellos tiene una participación tan universal en la economía de la célula. Para el mantenimiento de la vida las células animales requieren el aporte de una serie de compuestos que no son capaces de sintetizar, como las vitaminas y algunos aminoácidos También se hace necesario el aporte de compuestos inorgánicos como el ortofosfato, que va a incorporarse en un variadísimo número de moléculas de extraordinaria importancia biológica; iones metálicos como el cinc, el magnesio o el cobre, que son imprescindibles para el funcionamiento de algunas enzimas; el hierro, que está presente en la molécula de hemoglobina, proteína especializada en el transporte de oxígeno a los tejidos.

Mediante el aprovechamiento de la luz solar las plantas verdes y algunas bacterias especializadas son capaces de convertir la energía radiante en energía química en forma de ATP, simultáneamente con la reducción del NADP a NADPHZ, y así sintetizar glúcidos a partir de anhídrido carbónico y agua.

1. Metabolismo de los glúcidos. La característica más saliente de los glúcidos es su gran movilidad y su disponibilidad como fuente de energía. Así en la sangre la glucosa está siempre presente y en cualquier momento puede ser utilizada por las células; además éstas pueden almacenarla, en mayor o menor grado, en forma de glucógeno. Algunos tejidos especializados en la realización de una gran cantidad de trabajo, como el músculo (v.) o las glándulas (v.), poseen de ordinario un contenido relativamente alto de glucógeno. Antes de que los glúcidos simples o monosacáridos puedan ser utilizados por la célula para degradarlos y obtener energía o bien para la síntesis de glucógeno, han de transformarse previamente en derivados fosforilados. La glucosa en presencia de la enzima glucoquinasa y ATP se transforma en glucosa-6-fosfato. La galactosa se convierte en galactosa-1-fosfato, que se transforma en glucosa-1-fosfato y ésta a su vez en glucosa-6-fosfato.

Todas las células animales pueden almacenar glucógeno que se sintetiza a partir de glucosa a través de la siguiente vía metabólica:glucosa ATP i glucosa-6-fosfato glucosa-6-fosfato i glucosa-1-fosfato glucosa-1-P UTP i UDP-glucosaUDP-glucosa i glucógenoCuando la necesidad de glucosa se presenta, el glucógeno, en una reacción catalizada por la enzima fosforilasa, se transforma en glucosa-1-fosfato y ésta en glucosa-6-fosfato. La conversión de esta última en glucosa sólo puede realizarse en el hígado. La glucosa-6 fosfato puede seguir la vía degradativa que se conoce con el nombre de glicolisis, en la que a través de una serie de pasos catalizados por enzimas específicas una molécula de seis átomos de carbono se convierte en dos moléculas de tres carbonos. Si estas reacciones tienen lugar en ausencia de oxígeno el producto final es el ácido láctico. La fig. 1 ilustra el esquema general de la glicolisis, en el que se indican también las enzimas que catalizan cada una de las reacciones.

En condiciones anaerobias el piruvato se transforma en ácido láctico en una reacción catalizada por la enzima láctica deshidrogenasa y en la que interviene la coenzima NADHZ, que a su vez se oxida para dar NAD.

La presencia de oxígeno determina la entrada del pirúvico en la vía oxidativa final hasta convertirse en C02 y agua, a través de una serie de reacciones que se conocen con el nombre de ciclo del ácido tricarboxílico, ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs (fig. 2) en honor a su descubridor. El siguiente paso más allá de la glicolisis consiste en la conversión del ácido pirúvico en acetil-coenzima A (acetil-CoA) en una reacción en la que se desprende COZ y la coenzima NAD se reduce a NADHZ. El acetil-CoA se condensa con el oxaloacetato para dar citrato; la enzima condensante es la responsable de la catálisis de esta reacción.

En esta secuencia cíclica de reacciones se desprenden dos moléculas C02 en cada vuelta, al mismo tiempo que se reducen tres moléculas de NAD a NADHZ y una de FAD a FADH2, y se regenera el oxaloacetato que reacciona con una nueva molécula de acetil-CoA para dar comienzo a una nueva vuelta del ciclo. Un sistema de transportadores, que se conoce con el nombre de cadena transportadora de electrones, localizado en las mitocondrias de la célula, se encarga de reoxidar los coenzzmms reducidos (NADHZ, FADH2) transfiriendo electrones de éstos hasta el oxígeno, formándose agua como consecuencia. Este paso de electrones está perfectamente acoplado de modo que simultáneamente se produce la síntesis de ATP en un proceso conocido con el nombre de f osf orilación oxidativa.

La cadena transportadora de electrones está constituida esencialmente por los siguientes eslabones:NADHZ ó NADHZ --> FAD -> citocromo b -> citocromo c -> citocromo a+a3 --> 02.

2. Metabolismo de los lípidos. Los lípidos incluyen varias clases fundamentales de compuestos entre los que se encuentran los triglicéridos, los fosfolípidos y los esteroles. Los triglicéridos constituyen una fuente energética y constituyen la fracción más considerable del tejido adiposo. Los fosfolípidos junto con el colesterol y determinadas proteínas forman la base estructural de las membranas celulares. Los lípidos pueden sintetizarse en el organismo no sólo a partir de los lípidos de la dieta, sino también a partir de glúcidos y de proteínas.

Los triglicéridos se hidrolizan mediante la intervención de enzimas específicas que rompen el enlace éster entre el glicerol y los ácidos grasos. La molécula de glicerol se convierte después de una serie de reacciones gliceraldehído-3-fosfato y entra así en la vía metabólica de los glúcidos. Los ácidos grasos se degradan por la vía metabólica que lleva a la formación de acetilcoenzima A, que a su vez se oxida completamente hasta dar COZ y H2O y energía, a través del ciclo tricarboxílico y la cadena transportadora de electrones. El acetil-CoA representa, pues, un nexo común del metabolismo degradativo de glúcidos, ácidos grasos y también del de algunos de los aminoácidos. En la oxidación de los ácidos grasos el primer paso consiste en la activación de sus moléculas al unirse con la coenzima A para dar acilcoenzima A, en una reacción que requiere el aporte energético derivado de la hidrólisis de una molécula de ATP. El segundo paso introduce un doble enlace en la molécula mediante una reacción catalizada por una deshidrogenasa que utiliza como coenzima FAD, que pasa a FADH2. El doble enlace se hidrata y el alcohol resultante se oxida para dar una tetona mediante la intervención de una nueva deshidrogenase y la coenzima NAD. La rotura de esta tetona se realiza con una nueva molécula de coenzima A, que da lugar a la formación de una molécula de acetil-CoA y un nuevo acil-CoA con dos átomos de carbono menos que el ácido graso inicial. Este acil-CoA entra nuevamente en el ciclo hasta perder un nuevo fragmento de dos carbonos que se desprenden en forma de acetil-CoA.

En el proceso de la oxidación de los ácidos grasos (fig. 3) se obtiene una gran cantidad de energía, a través de la oxidación por la cadena transportadora de electrones de las coenzimas reducidas FADHZ y NADHZ y que se producen en los pasos que van desde la formación de acil-CoA hasta la pérdida de acetil-CoA, así como en la ulterior degradación de éste en el ciclo tricarboxílico hasta dar COZ y HZ0. Toda la vía metabólica responsable de la degradación de los ácidos grasos tiene lugar en el interior de las mitocondrias. La biosíntesis de los ácidos grasos, por el contrario, tiene lugar preferentemente fuera de las mitocondrias, en el citoplasma soluble de las células. A partir de acetil-CoA se forma un derivado de tres carbonos, el malonil-CoA, en una reacción en que se capta COZ y se aprovecha la energía que proviene de la hidrólisis de una molécula de ATP. CH3 CO-CoA+COZ+ATP -->--> HOOC-CHZ-CO-CoA+ADP+P04El radical malonilo procedente del malonil-CoA se une a una proteína transportadora de grupos acilos. Una molécula de acetil-CoA cede también el grupo acetilo a una nueva molécula de proteína transportadora de grupos acilos. La reacción entre ambas proteínas transportadoras, una con un radical acetilo y otra con un radical malonilo, da lugar al desprendimiento de COZ y la formación de un derivado de cuatro carbonos, el acetoacetil, unido a una de las moléculas de proteínas transportadoras. Este fragmento se reduce ulteriormente en una serie de pasos mediante enzimas específicos que utilizan como coenzima NADPHZ. Nuevas adiciones de fragmentos de dos carbonos se producen por reacciones entre proteína transportadora con nuevas radicales malonilo y con la proteína transportadora con el grupo acilo. Al alcanzarse una longitud de cadena de 16 carbonos el ácido graso se desprende de la proteína. Los ácidos grasos intervienen posteriormente como sillares en la síntesis de los distintos lípidos. La molécula de colesterol se sintetiza también a partir de acetil-CoA a través de una serie de reacciones en que intervienen ATP, NADPHZ y una gran variedad de enzimas.

3. Metabolismo de las proteínas. Las proteínas presentes en los alimentos se hidrolizan completamente liberando los aminoácidos (v.), que son las unidades estructurales que las constituyen. La célula puede utilizar estos aminoácidos bien en las síntesis de sus propias proteínas estructurales y funcionales, o bien los degrada para obtenerenergía. Muchos organismos no pueden sintetizar todos los aminoácidos a partir de otras sustancias y, por tanto, han de depender necesariamente de la presencia de éstos en el medio nutritivo, para mantener el crecimiento y el normal desarrollo de las funciones biológicas. Los aminoácidos esenciales en el caso del hombre son la leucina, lisina, triptófano, valina, treonina, metionina, isoleucina y fenilalanina. Un elevado número de reacciones integran las vías metabólicas que permiten la degradación de los aminoácidos y la interconversión de unos en otros. Entre estas reacciones hay algunas que tienen un carácter general para todos ellos. Por la reacción de transaminación se produce la transferencia del grupo amino de un aminoácido o un cetoácido, con la consiguiente formación de un nuevo aminoácido y un cetoácido.

RI-CH-000H + R2-C-000H .= IIINHZ ORI-C-000H + RZ -CH-000H IIIO NHZEsta reacción está catalizada por transaminasas específicas con el piridoxal fosfato como coenzima. Algunos de los cetoácidos que se producen o se utilizan en estas reacciones constituyen un nexo con el metabolismo de los glúcidos: el piruvato que se forma a partir del aminoácido alanina, el oxaloacetato a partir del aspartato y el a-cetoglutarato del glutamato. En el catabolismo de los aminoácidos juega un papel importante la transferencia de los grupos aminos al cetoácido u-cetoglutarato para dar glutamato, ya que este aminoácido participa en una reacción catalizada por una deshidrogenasa específica mediante la cual se libera el ion amonio NH4+, a partir del cual se inicia la síntesis de urea.

Glutamato+NAD a-cetoglutarato+NH4 +NADHZ La pérdida de los grupos carboxilos de los aminoácidos también es posible liberándose una amina y COZ. Varios compuestos de gran importancia fisiológica se formana través de estas vías metabólicas; p. ej., de la descarboxilación del ácido glutámico, el ácido -Y-aminobutírico, la histidina produce histamina y el 5-hidroxitriptóf ano, la serotonina.

Los iones amonio que se producen en la degradación de los aminoácidos pueden excretarse directamente o dar lugar previamente a la formación de otros productos. En los mamíferos la principal forma de eliminación del nitrógeno es la urea. La vía metabólica por la cual el ion amonio se convierte en urea está constituida por una secuencia cíclica de reacciones y por ello se conoce con el nombre de ciclo de la urea (fig. 4). Un grupo amonio, COZ y ATP, reaccionan en presencia del enzima carbamil fosfato sintetasa para formar el carbamilfosfato. Este compuesto reacciona con la ornitina para dar citrulina, en dos pasos consecutivos en los que intervienen el ácido aspártico y ATP. Finalmente, la arginina se hidroliza en presencia del enzima arginasa dando como producto final urea al mismo tiempo que se forma nuevamente la ornitina, que participa núevamente en el ciclo.

V. t.: PROTEÍNAS; BIOQUÍMICA

E. SANTIAGO CALVO

BIBL.: P. KARLSON, Manual de Bioquímica, Barcelona 1969; A. L. LEHNINGER, Bioquímica, Barcelona 1972; H. R. MAHLER y E. H. CORRES, Basic Biological Chemistry, Londres 1969; V. VILLAR PALAS! y A. SANTOS Ruiz, Tratado de Bioquímica, Barcelona 1968