INTRODUCCION AL METABOLISMO

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Contenido
• Intercambio de energía en los seres vivos
• Metabolismo
• Catabolismo
• Anabolismo
• Regulación del metabolismo
• Adaptación y homeostasis
 
 
Conceptos clave
1 Definición de metabolismo
2 Concepto de energía
3 Metabolismo
4 Funciones del metabolismo
5 Clasificación del metabolismo
6 Catabolismo
7 Anabolismo
8 Etapas del anabolismo
9 Diferencias entre anabolismo y catabolismo
10 Niveles de regulación del metabolismo
11 Enzimas reguladoras
12 Factores que regulan la actividad de las enzimas
13 Regulación covalente
14 Regulación por concentración de enzima
15 Regulación por concentración de sustrato
16 Otros mecanismos de regulación
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En este capítulo se presenta una visión general de lo qué es y qué significa el
metabolismo. Una característica de los seres vivos es el intercambio de materia y energía
con su entorno. La materia se adquiere en forma de moléculas (o iones) útiles para
sintetizar los constituyentes celulares a través del proceso de la nutrición. En 24 h, un ser
humano adulto en reposo reintegra al medio una cantidad de materia igual a la que recibe
que corresponde a la que no incorporó a sus propias moléculas, o bien, la que no le
proporciona energía para sus funciones celulares. Esto se conoce como el estado
estacionario dinámico y es el estado de máxima eficiencia termodinámica.
En los tejidos humanos se encuentran unos 25 elementos químicos y aunque todos son
indispensables, 96% de la masa corporal está formado, en peso húmedo, por oxígeno
(65%), carbono (18%), hidrógeno (10%) y nitrógeno (3%) (cuadro 17-1). En esta
introducción al metabolismo se hará énfasis en el carbono y el oxígeno como ejemplos
del intercambio de materia entre un ser vivo y su entorno. La combinación carbono-
hidrógeno es tan abundante que, para fines prácticos, al referirse al intercambio de
carbono de los seres vivos con su ambiente se incluye de manera implícita el hidrógeno.
 
Cuadro 17-1. Composición elemental aproximada del cuerpo humano
Elemento %
(peso húmedo)
%
(peso seco)
Oxígeno 65.0 20.0
Carbono 18.0 50.0
Hidrógeno 10.0 10.0
Nitrógeno 3.0 8.5
Calcio 2.0 5.0
Fósforo 1.1 2.5
Potasio 0.35 1.0
Azufre 0.25 0.8
Sodio 0.15 0.4
Cloro 0.15 0.4
Magnesio 0.05 0.1
Hierro 0.004 0.01
Cobre 0.00015 0.0004
Manganeso 0.00013 0.0003
Yodo 0.00004 0.0001
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Cobalto trazas trazas
Zinc trazas trazas
Molibdeno trazas trazas
 
 
Sin incluir el agua, casi la totalidad de las moléculas de los seres vivos contienen
carbono; de hecho, la química celular está basada en los compuestos del carbono. Si se
incluye el agua, carbono e hidrógeno representan 28% del peso del cuerpo humano; si se
excluye el agua y carbono constituye 50%, e hidrógeno 10% del peso corporal (cuadro 17-
1). Otra manera de analizar la proporción de elementos en las células es comparando su
abundancia relativa. De 100% de átomos presentes en los seres vivos, 48% corresponde
a hidrógeno, 24% a carbono y 23% a oxígeno. Así, 72% de los átomos que intercambia
un ser vivo con su ambiente son de carbono e hidrógeno (figura 17-1); si se incluye el
intercambio de oxígeno, se alcanza hasta 95%.
 
 
Figura 17-1. Ciclos del carbono y el oxígeno en la naturaleza. El ciclo del carbono está esquematizado por el
bióxido de carbono (CO2) y la glucosa; en las células fotosintéticas, el CO2, con la participación del agua y con
la contribución de la energía solar, se convierte en glucosa y se libera oxígeno; las células heterótrofas emplean la
glucosa y el oxígeno. La primera como fuente de carbono y energía, el segundo como aceptor de electrones; los
productos eliminados son agua y CO2, con los que se reinicia el ciclo. La figura también incluye el flujo, no ciclo,
de energía en la naturaleza: se inicia con la energía electromagnética proveniente del sol, parte de la misma se usa
en la síntesis de la glucosa y parte de la energía de la glucosa se convierte en energía química con capacidad de
hacer trabajo. En ambas etapas, parte de la energía se disipa y no es capaz de efectuar trabajo.
 
 
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Intercambio de energía en los seres vivos
Los seres obtienen la energía de los alimentos que ingieren y la usan para realizar sus
funciones, liberando parte de ella en forma de calor. Se sabe que de la cantidad de
energía recibida de los nutrientes, una parte se usa para realizar trabajo útil, es decir, para
las funciones celulares y otra se disipa en forma de calor, la cual no es útil para efectuar
trabajo.
La segunda ley de la termodinámica establece que los sistemas tienden de manera
espontánea a un estado de equilibrio, situación de máxima estabilidad (entropía), en la
cual la capacidad del sistema de efectuar trabajo es mínima. Sin embargo, un ser vivo es
un sistema alejado del equilibrio que realiza múltiples funciones. En este sentido, los
seres vivos son sistemas termodinámicos abiertos rodeados de su entorno. De otra
manera, si se considerara aislado, parecería que no cumple con la segunda ley de la
termodinámica: se trata de un ente inestable, con alta organización y con energía
almacenada para efectuar trabajo. Por lo tanto, se debe tomar en cuenta al ser vivo junto
con su entorno y bajo esta consideración sí cumple con la segunda ley de la
termodinámica; el conjunto ser vivo y entorno tiende a la máxima entropía.
Los organismos vivos aprovechan la energía química desprendida de los alimentos en
las reacciones de óxido-reducción y la respiración celular y la usan para realizar sus
funciones. En la naturaleza, el metabolismo se establece como un conjunto de ciclos
superpuestos en que participan diferentes elementos químicos ejemplificados por el
carbono en los nutrientes y el oxígeno de la respiración. Dependiendo del peso corporal y
de la actividad física, un adulto sano consume de 200 a 1 000 L de oxígeno en 24 h, que
se elimina en forma de H2O y CO2 en la degradación de los alimentos.
 
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Metabolismo
El metabolismo es la suma de las reacciones químicas que realizan las células. Una idea
más completa del metabolismo es la de una actividad celular coordinada, con
intencionalidad y con orientación (vectorial), en la que intervienen multitud de sistemas
enzimáticos y en la cual se intercambia materia y energía con el entorno. Al metabolismo
se le han asignado cuatro funciones específicas:
 
1. Obtener energía de los alimentos.
2. Convertir nutrientes en componentes celulares.
3. Ensamblar esos componentes en macromoléculas propias de la célula.
4. Formar y degradar moléculas requeridas para funciones celulares especializadas.
 
El metabolismo se divide en anabolismo y catabolismo. El anabolismo es la fase de
síntesis, en donde monómeros se unen para generar macromoléculas celulares; es una
fase que requiere energía química. Catabolismo es la fase degradativa, en donde las
macromoléculas de los alimentos se fragmentan, se oxidan y liberan energía; parte de la
cual se almacena en forma de ATP y NAD(P)H y se usan en la fase anabólica. Tanto el
ATP como las coenzimas reducidas sirven de “puente” energético entre el catabolismo y
el anabolismo.
 
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Catabolismo
Los tres principales componentes de los alimentos o macronutrientes son carbohidratos,
lípidos y proteínas (98%) responsables de proveer casi la totalidad de la materia y energía
requerida para las funciones celulares. Otros tres ingredientes de los alimentos, no
presentes en la figura 17-2, son ácidos nucleicos, vitaminas y los iones; se trata de
entidades químicas indispensables para la vida celular, independientemente de la escasa
energía que puedan liberar en su metabolismo.
 
 
Figura 17-2. Esquema del catabolismo celular.
 
En el ser humano, los carbohidratos representan cerca de 50 a 60% de los alimentos
sólidos y en términos químicos se les identifica como polisacáridos (almidón y celulosa).
Un 20% corresponde a las proteínas (leche, huevos, carnes) y 20 a 30% restante son los
lípidos (aceites y grasas en formade triacilglicéridos).
El uso de estas macromoléculas para la obtención de la energía se realiza a través de
una serie de reacciones que se organizan en tres etapas. En la primera, las grandes
moléculas se degradan en sus monómeros, así los polisacáridos liberan monosacáridos
como la glucosa; los lípidos se degradan a glicerol y ácidos grasos, entre otros y las
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proteínas dan lugar a los aminoácidos. Esta etapa consume energía.
En la segunda etapa, los monómeros obtenidos de la primera se degradan a otras
moléculas intermedias que de forma gradual llegan a converger de manera general y
universal al acetil-coenzima A (acetil-CoA), una molécula central del metabolismo.
Durante esta segunda etapa se genera una pequeña cantidad de ATP, principalmente por
fosforilación a nivel del sustrato.
En la tercera etapa se oxida la porción acetato (CH3-COO-) de la molécula de acetil-
CoA degradándose hasta agua y bióxido de carbono. La mayor producción de ATP
obtenida de los alimentos se genera en esta tercera etapa por fosforilación oxidativa.
Cada una de las flechas de la figura 17-2 representa un conjunto de reacciones químicas
que en bioquímica se conocen como vías metabólicas.
Así, en el ser humano, la degradación de polisacáridos en monosacáridos con la
intervención del agua se conoce como digestión de los carbohidratos y sucede en el tubo
digestivo (figura 17-3). Son varias las enzimas responsables de la digestión de los
carbohidratos y el principal producto es la glucosa. De manera similar, otro grupo de
enzimas digestivas actúan sobre las proteínas y las degrada en aminoácidos y la vía
metabólica se identifica como la digestión de las proteínas. El caso de los lípidos es más
complejo, pero al menos para los triacilglicéridos se puede hablar de la digestión de los
lípidos para formar ácidos grasos y glicerol.
 
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Figura 17-3. Esquema del catabolismo celular.
 
La degradación de la glucosa en acetil-CoA se realiza a partir del piruvato que se forma
en la glucólisis, a través de una descarboxilación oxidativa (figura 17-3). La transformación
de los ácidos grasos en acetil-CoA se lleva a cabo en la vía denominada β-oxidación. A
partir de los aminoácidos, la formación de varias moléculas, entre ellas la acetil-CoA,
comprende reacciones de transaminación y desaminación. A su vez, la conversión del
acetilo de la acetil-CoA en bióxido de carbono y la producción de equivalentes reductores
(NADH, FADH2) se efectúan en el ciclo del ácido cítrico o de Krebs. Por último, la vía
metabólica conocida como fosforilación oxidativa es la principal responsable de generar
ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi), con la participación de los equivalentes
reductores (NADH y FADH2) y el oxígeno, formando, además, agua (figura 17-3).
Los nombres de cada una de las vías metabólicas del catabolismo, así como las del
anabolismo, son los títulos de los principales capítulos en los textos de bioquímica. En
cada capítulo se revisa la vía en su conjunto y los detalles de cada una de las reacciones
que la forman, los sitios de regulación y los de especial importancia; por ejemplo, en los
que se sintetiza o se utiliza el ATP.
 
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Anabolismo
El anabolismo también puede estudiarse en tres etapas (figura 17-4). En el ciclo del ácido
cítrico se generan pequeñas moléculas precursoras, las cuales se convierten, a lo largo de
la etapa II, en los bloques de construcción (los monómeros) de las macromoléculas
propias de la célula. Por último, en la etapa I se ensamblan estos monómeros para
generar las macromoléculas. En las tres etapas anabólicas, en especial la primera, se
requiere energía en forma de ATP y NADPH.
 
 
Figura 17-4. Vías anabólicas principales en los seres vivos. Algunos intermediarios se convierten en glucosa a
través del ciclo del ácido cítrico, en donde uno de sus participantes se transforma en piruvato y éste en glucosa.
 
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Tal como se ilustró en el esquema del catabolismo (figura 17-3), en el caso del
anabolismo las flechas de la figura 17-5 se refieren a vías metabólicas complejas. Queda
identificado el ciclo del ácido cítrico, que al funcionar en su aspecto anabólico provee de
precursores para formar, a través de la etapa II, las siguientes moléculas (figura 17-5): a)
glucosa (y a la vía se le llama gluconeogénesis); b) ácidos grasos y colesterol (y a las vías
se les conoce como lipogénesis y colesterogénesis, respectivamente), y c) con la
participación del NH3 se forman también los aminoácidos por las reacciones de
aminación y transaminación. La formación de otras moléculas a partir de aminoácidos se
realiza en vías como la ureogénesis y la biosíntesis de compuestos nitrogenados.
Para la etapa I (figura 17-5), la unión de los aminoácidos para formar proteínas abarca el
capítulo de biosíntesis de proteínas. La conversión de la glucosa en glucógeno se llama
glucogénesis, y el almacenamiento de ácidos grasos con el glicerol para formar
triacilglicéridos y otros lípidos se denomina síntesis de grasas neutras y síntesis de
fosfolípidos, por nombrar los más importantes.
 
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Figura 17-5. Principales vías anabólicas en donde se observan los procesos de biosíntesis de las macromoléculas
celulares.
 
Una ventaja del metabolismo es que las vías o caminos catabólicos no son el reverso
de los anabólicos, y viceversa, lo que permite la regulación independiente de cada vía.
Con frecuencia, también las vías anabólicas y catabólicas suceden en lugares diferentes
de las células, por ejemplo de las mitocondrias y del citoplasma celular, lo que permite un
control preciso de los procesos metabólicos de la célula.
El resumen del metabolismo presentado puede revisarse con detalle en los llamados
mapas metabólicos, en los cuales llegan a incluirse unas cuantas miles de reacciones
individuales, resultado del trabajo de varias generaciones de bioquímicos de todo el
mundo.
 
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Regulación del metabolismo
Una característica sobresaliente del metabolismo celular es que está regulado de manera
perfecta, coordinado e integrado. No obstante que en el pequeño espacio ocupado por
una célula se ejecutan de manera simultánea cientos de reacciones, hay una coordinación
y jerarquía bien definida de las vías metabólicas, lo que supone la existencia de una
compleja red de información en la célula. En los seres multicelulares, la red de
información se amplía. La coordinación y la armonía no sólo se establecen en cada
célula, sino entre todas las células de un órgano y entre los distintos órganos y tejidos a
través de los tres niveles de regulación que son: el enzimático, el hormonal y el genético,
lo que le permite, por ejemplo al ser humano, responder como una unidad biofuncional
que se adapta al entorno.
Tanto a nivel celular como a nivel del organismo, se dispone de magníficos ejemplos de
moléculas informativas y de procesos cuya esencia es el paso de información. La figura
17-6 ilustra el flujo de información en el metabolismo de una célula. Algunas de las
etapas, como la transferencia de información de la molécula del RNA para determinar la
secuencia de aminoácidos en una proteína, representaron retos importantes a la
imaginación de los investigadores. Además, la naturaleza cuenta con soluciones de gran
simplicidad y precisión.
 
 
Figura 17-6. Flujo de la información en el control del metabolismo. 1. Regulación en la transcripción de la
enzima. 2. Control a nivel de la traducción. 3. Control en la concentración de la enzima. 4. La actividad de la
enzima está también controlada por la concentración de sustrato, o ambos. 5. Producto. 6. Algunas enzimas
(alostéricas) son reguladas por modeuladores. 7. Un mecanismo del control de la actividad enzimática depende de
la velocidad de recambio por proteólisis.
 
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Para fines prácticos, el control del metabolismo representa el control de todas y cada
una de las víasmetabólicas y de los sistemas de regulación incluidos en las figuras 17-3 a
17-6. Cada vía metabólica es una unidad funcional que parte de un sustrato y termina con
la formación de un producto, e incluye la conversión química sucesiva de una molécula
en otra, hasta la formación de dicho producto. Cada conversión química la cataliza una
enzima y toda la vía se regula como una unidad.
Las vías metabólicas tienen una o varias enzimas clave que participan en su regulación
y de las cuales depende el flujo de sustratos a través de la vía. Cada ruta metabólica se
organiza de tal modo que si las enzimas reguladoras operan en forma limitada, el resto
de las enzimas se ajustarán a esa velocidad; pero si las enzimas clave catalizan con
rapidez su reacción química, entonces la vía trabajará a esa velocidad. Cada enzima
clave posee, al menos, un par de características: cataliza una reacción con un cambio de
energía libre suficiente para que sea en esencia irreversible y su “actividad” es fácil de
controlar.
Son tres los factores que regulan la “actividad” de las enzimas clave: la cantidad de la
enzima, su actividad catalítica y la disponibilidad de sustrato. La cantidad de cada enzima
se establece por el balance entre la velocidad de su síntesis y degradación. La velocidad
de síntesis de las enzimas se regula por dos de los procesos anotados en la figura 17-6,
transcripción y traducción. La velocidad de transcripción de los genes es, en la mayoría
de los casos, el principal sistema regulador de la cantidad de una enzima. Sin embargo,
hay casos en que para modificar la cantidad de una enzima se altera su velocidad de
degradación.
Al revisar la actividad catalítica de cada enzima es conveniente distinguir dos aspectos.
Primero, que la capacidad catalítica propia de una enzima, a la que se llama número de
recambio, corresponde al número de moléculas de sustrato convertidas en producto por
una molécula de enzima en la unidad de tiempo y sin limitación de sustrato. El número
de recambio puede ser desde 600 000/s para la anhidrasa carbónica, hasta 0.5/s para la
lisozima. Segundo, que la actividad catalítica de la enzima puede ser controlada de varias
maneras. Dos ejemplos importantes son el control alostérico y la modificación covalente
reversible.
El control alostérico se refiere al hecho de que la actividad enzimática aumenta o
disminuye por un incremento en la poza de una molécula; el modulador alostérico, que se
une a la enzima, modifica su conformación y con ello la velocidad de la reacción
catalizada. Es frecuente que el modulador alostérico negativo (que inhibe la velocidad de
la reacción) sea el producto final de una vía metabólica, que al unirse a una enzima clave
inhibe su actividad y, por ende, la de la vía metabólica completa, evitando de esa forma
la síntesis exagerada del producto de la vía.
Una regulación similar sucede con la modificación covalente reversible. En ésta, un
conjunto de enzimas están presentes en la célula en su forma inactiva, pero la unión
covalente del fosfato (H2PO4–) produce que este conjunto de enzimas adquieran
actividad, la cual se pierde al eliminar dicho grupo fosfato. Es como si se tuviera un
interruptor de corriente que se encendiera al unir el fosfato y se apagara al desprenderlo.
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Éste, es un mecanismo común con el que las hormonas activan o desactivan vías
metabólicas.
Los mecanismos que modifican la actividad catalítica de las enzimas clave tienen la
ventaja de instalarse de manera rápida y dejar de actuar también con gran rapidez; en
contraste, los mecanismos capaces de influir en la cantidad de la enzima son de
instalación más lenta, y también la desaparición de su efecto lleva más tiempo. Desde
luego, ambos procesos, modificación de la actividad catalítica y de la cantidad de la
enzima, pueden o no sumarse para dar una respuesta integral de la “funcionalidad” de la
enzima clave en una vía metabólica.
La disponibilidad y el flujo de sustratos tienen una participación importante en la
regulación del metabolismo. El suministro de grandes cantidades de alimento activa de
inmediato la etapa I del catabolismo y más tarde la etapa II (figura 17-2). La insulina
promueve la entrada de glucosa a varios tipos de células, con lo que activará su consumo
en la etapa II del catabolismo (figura 17-2) y la etapa I del anabolismo (figura 17-4). Un
análisis más completo de la integración del metabolismo se presenta en el capítulo 24.
 
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Adaptación y homeostasis
Las funciones de los seres vivos están encaminadas hacia la supervivencia del individuo y
a la conservación de la especie en el entorno en el que se encuentran. Lo anterior es
posible gracias a la capacidad de adaptación metabólica del individuo y de la especie.
Muchas de las reacciones de los seres vivos tienen como objetivo contrarrestar las
alteraciones del entorno; debido a esto, en el interior del organismo se producen cambios
mínimos. Así, la modificación de la temperatura, la concentración de sales y el aumento
de acidez, entre otros, se compensan por una serie de mecanismos que mantienen el
funcionamiento metabólico. Tal es la esencia del clásico enunciado de Bernard: “la
constancia del medio interior es la condición de la vida libre e independiente.” Estos
mecanismos de regulación interna recibieron el nombre de homeostasis, que se
caracteriza por la tendencia a mantener constante el medio interno a través del control de
cambios.
 
Preguntas de reforzamiento
1 ¿Qué es el metabolismo?
2 ¿En qué consiste el intercambio de energía?
3 ¿En qué consiste el metabolismo?
4 ¿Cómo se divide el metabolismo?
5 ¿Cuáles son las etapas del catabolismo?
6 ¿En qué consiste el anabolismo?
7 ¿Cuáles son los niveles de regulación del metabolismo?
8 ¿Cuáles son los mecanismos de regulación enzimática?
 
Referencias
Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K, Watson J: Molecular Biology of the Cell. 3rd ed. New York: Garland Publishing
Inc., 1994.
Atkinson D: Cellular Energy Metabolism and its Regulation. New York: Academic Press, 1977.
Bender D: Introduction to Nutrition and Metabolism, 3rd ed. London: Taylor & Francis, 2002.
Devlin T: Bioquímica. Libro de texto con aplicaciones clínicas, 5a. ed. Madrid: Reverté, 2004.
Lozano J, Galindo J, García J, Martínez R: Bioquímica y biología molecular, 3a ed. Madrid: McGraw-Hill Interamericana,
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Melo V, Cuamatzi O: Bioquímica de los procesos metabólicos, Madrid: Reverté, 2004.
Nelson D, Cox M: Lehninger: Principios de bioquímica, 4a ed., Madrid, Omega, 2006.
Newsholme E, Start C: Regulation in metabolism. New York: Wiley, 1973.
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