26.10.2010. Dr. Galindo ¿QUÉ ES EL METABOLISMO? ESQUEMA

26.10.2010. Dr. Galindo
¿QUÉ ES EL METABOLISMO?
ESQUEMA GENERAL
 Los seres vivos, su finalidad reproductiva
-Enorme biodiversidad.
 Estructuras y funciones precisas
-Caducidad de sus componentes:
-Remodelación / sustitución.
-Variabilidad de “vidas medias”: Hb, enzimas...
 Requerimientos energéticos.
-El ATP, la “moneda energética”.
 Primera respuesta: METABOLISMO, conjunto de reacciones que producen /
degradan ATP.
 Combustibles: la glucosa, el más universal.
-Organismos heterótrofos y autótrofos.
 Otros combustibles: los Ácidos Grasos (AG)
-Más rentables, aunque no universales. ¿Por qué?
 CATABOLISMO: procesos oxidativos (“quema”) de combustibles, para obtener ATP
 Rutas catabólicas: reacciones sucesivas. Catabolitos.
-Glicolisis aerobia: mixto, 32 ATP.
-β-oxidación AGs: mitocondrial. Palmítico: 106 ATPs.
 ANABOLISMO: procesos reductivos que requieren ATP.
Anabolitos.
-Neoglucogénesis, reversión de glucolisis.
-Síntesis citoplasmática de AGS:
-Palmitato sintasa
-elongación cadenas.
-desaturación
-AGs esenciales.
 Respuesta final: METABOLISMO = CATABOLISMO +
ANABOLISMO.
-Metabolitos =catabolitos + anabolitos.
ESQUEMA EXPOSITIVO
 Un ser vivo, incluso unicelular, es un mecanismo complejo con una finalidad fundamental:
mantenerse vivo para poder reproducirse.
Figura 2: visión general de una célula
 La evolución ha propiciado que la vida se pueda desarrollar incluso en los ambientes más
extremos que podrían, a priori, considerarse incompatibles con ella. En las siguientes figuras
podemos ver algunos ejemplos de vida extrema.
Figura 3: bacterias extremófilas en lagos a alturas imposibles. Figura 4: diatomeas que
colonizan el hielo. Figura 5: arqueas de los géiseres del Parque Yellowstone.
 Ni qué decir tiene que sobrevivir e incluso prosperar en estos medios extremos, ha supuesto un
esfuerzo de adaptación pero, y esto es lo importante, respetando los principios básicos de la
misma; cada organismo, en función de dónde se desarrolle, ha debido modificar esos principios
para adaptarse al entorno en el que vive, lo que se suele llamar su “nicho ecológico”. Pasamos a
comentarlos.
 Los principios básicos con muy sencillos: las células han de disponer de los medios adecuado
para mantener sus estructuras y funciones en perfecto estado, una maquinaria con componentes
moleculares que no sólo no son eternos sino que ni siquiera duran toda la vida de una célula;
cada uno tiene su propia fecha de caducidad, lo que significa que, cada uno a su ritmo, debe ser
o remodelado o sustituido totalmente por otro nuevo, idéntico al anterior, para lograr esa
continuidad (homeostasis).
 Un par de ejemplos de esa diversidad en cuanto a obsolescencia dentro de una misma familia de
biomoléculas, las proteínas. Primero, una proteína fundamental para la vida de organismos
aerobios es la Hemoglobina, Hb, la proteína almacenada en el eritrocito encargada de captar el
O2 que respiramos en los alvéolos pulmonares y llevarlo a los tejidos para que sus células
respiren.
Figura 6: la Hb.
 Si no fuera por la Hb, sería imposible la existencia de organismos aerobios de tamaño mayor al
de una ameba porque el O2 es un gas muy poco soluble en agua; la Hb multiplica esa solubilidad
por 50 y hace posible la vida en las dimensiones que conocemos. Esta proteína, una de las de
mayor vida media, “vive” unos 120 días, justo lo mismo que la célula que la contiene, el
eritrocito, también llamado glóbulo rojo o hematíe.
Figura 7: eritrocito.
 Por contra, otras proteínas, como muchas enzimas, biocatalizadores sin los que la vida no sería
posible, tienen vidas medias mucho menores que la de la Hb. Las hay que sólo “viven” 15
minutos, o menos, y ese corto periodo es la clave para que actúen de forma correcta en el
momento adecuado, aunque de esto ya les hablarán en otra conferencia posterior.
 Podemos decir que todos los materiales celulares se están sintetizando y degradando
continuamente. Para ello, es necesario disponer de una fuente de suministro de materiales a
partir de los cuales se puedan fabricar los componentes de las estructuras celulares a renovar, y
de una fuente de financiación energética que permita hacer frente a los requerimientos de
energía de cualquier proceso biosintético, que nunca son gratuitos; algunos, incluso, son muy
“caros”. O sea, la célula debe disponer de combustibles que “quemar”, proceso en el que se
libera su energía interna, y ser capaz de almacenar una parte importante de esa energía en forma
de una “moneda energética” universal, el ATP, que luego se puede emplear para financiar
energéticamente los procesos sintéticos necesarios.
Figura 8: el ATP.
Figura 9: síntesis y degradación del ATP, base de la transferencia de energía.
 Estamos ya en condiciones de dar una primera respuesta a la pregunta que nos reune hoy aquí:
se llama METABOLISMO al conjunto de las reacciones químicas que intervienen en ambos
procesos, la “quema” de los combustibles para fabricar ATP, y el empleo de ese ATP en la
síntesis de los materiales nuevos que deben sustituir a los obsoletos para mantener las
estructuras celulares -membranas, tanto plasmáticas como las que rodean los diferentes
orgánulos; ribosomas, etcétera- fundamentales para que se mantengan las funciones precisas
para la supervivencia celular a partir de sus componentes. Para que nos demos cuenta de qué
estamos hablando en realidad, la siguiente agobiante Figura muestra un esquema general del
Metabolismo en tejidos humanos:
Figura 10: “Methabolic Pathway”, mapa genérico.
 Como es lógico, no todas esas reacciones tienen lugar al mismo tiempo, algunas funcionan casi
siempre, otras casi nunca y otro grupo lo hace con frecuencia intermedia, y el ritmo de cada una
de ellas, acoplado a las necesidades de la supervivencia del organismo, viene regulado por el
sistema nervioso y el endocrino, o sea, por las hormonas, sobre cuyo funcionamiento se les
hablarán otro día.
 Pero vayamos por partes; veamos primero la contribución de los combustibles. Uno de los más
utilizados por las células vivas es la glucosa, que cuando se combina con oxígeno produce una
reacción muy exergónica, según el siguiente esquema:
C6H12O6 + 6 O2
→
6 CO2 + 6 H2O
ΔG'0 = -680 kcal/mol
 El término ΔG'0 se denomina Incremento de energía libre de Gibbs o de entalpía libre, y
describe qué ocurre con la energía cuando pasamos de la mezcla de partida, o sea, los sustratos
de la reacción, glucosa y oxígeno, a la de llegada, con la aparición de los productos, agua y CO2.
El valor absoluto, la cifra que aparece, es importante, pero aún lo más el signo, pues nos dice
algo tan elemental como si la reacción puede realizarse o no de forma espontánea. Cuando es
negativo, como en este caso, la reacción es espontánea, tiende a realizarse; por contra, si el
signo es positivo, no tendrá lugar si no le suministramos al sistema una cantidad de energía
igual al número de kcal/mol -o sea, al valor absoluto que aparece a continuación del signo. Así
pues, la oxidación de glucosa es una reacción muy productiva energéticamente hablando; libera
680 kcal por cada mol de glucosa quemada. Por contra, si queremos fabricar, a partir de agua y
CO2, un mol de glucosa, será absolutamente imposible si no le suministramos al sistema al
menos esas mismas 680 kcal (en realidad, siempre un mínimo de un 15% más, por el segundo
principio de la Termodinámica).
 Pero hagamos un alto en el camino. ¿De dónde sacan los organismos esa glucosa y los otros
combustibles de los que hablaremos más adelante? Los seres heterótrofos -que literalmente
deben comerse a otros para sobrevivir- como nosotros, no pueden fabricar glucosa a partir de
agua y CO2 porque no disponen de un sistema capaz de fijar el CO2 de la atmósfera y hacerlo
reaccionar con el vapor de agua de la misma para generar glucosa.
Figura 11: Heterótrofos.
 Quienes sí pueden fabricarse su glucosa son los organismos autótrofos, que disponen de la
“fotosíntesis”, una función debida a la presencia en alguna de sus células de clorofila, un
pigmento verde, que puede poner en marcha la síntesis de glucosa a partir del agua y del CO2
del medio utilizando la energía de los fotones de la luz solar como fuente de financiación de las,
al menos, esas 680 kcal/mol necesarias para revertir la reacción antes descrita, dejando como
subproducto -ahí es nada- oxígeno. Todo esto se puede resumir en la siguiente figura.
Figura 12: Autótrofos.
 Los organismos autótrofos -de nuevo literalmente y para resumir, aunque no sea absolutamente
cierto- que se autocomen, o más correctamente, que son capaces de fabricarse sus propios
tejidos sin estar obligados a ingerir nada extraño- o sea, las plantas verdes y muchos
microorganismos provistos de clorofila, son, por tanto, la base del ciclo de la vida sobre la
Tierra porque no sólo son los responsables de la fijación del CO2 de la atmósfera, uno de los
llamados “gases de invernadero” responsables del calentamiento global, y su conversión en un
combustible universal como la glucosa, sino que como subproducto generan el gas fundamental
para que esa vida aerobia, el oxígeno. Por si eso no bastara, muchos de ellos fijan también el
nitrógeno del aire o del suelo para fabricarse sus propios aminoácidos, la base de las proteínas y
de los demás compuestos nitrogenados.
 Lógicamente, los organismos heterótrofos, incapaces de fijar C o N, o bien consumen
directamente tejidos de organismos autótrofos -los herbívoros- que les suministran la glucosa y
los otros componentes precisos para fabricar sus propios tejidos, o lo hacen indirectamente,
consumiendo tejidos de herbívoros que han incorporado los compuestos imprescindibles para la
vida; este es el caso de los carnívoros. Los omnívoros -nuestra especie, por ejemplo- pueden
frecuentar ambas fuentes de nutrientes. Una clasificación más completa de los organismos que
viven sobre la Tierra se expone en la figura:
Figura 13: clasificación general de los organismos vivos.
 Sintetizada en los propios tejidos o tomado de otros tejidos, la glucosa, el llamado “combustible
universal” porque puede emplearse como tal por todas las células vivas conocidas, no es el
único combustible utilizable, ni siquiera el mejor desde el punto de vista del rendimiento
energético. Este privilegio pertenece a los ácidos grasos, AGs, componentes fundamentales de
las grasas, en las que suelen estar esterificados con glicerina, un trialcohol que es capaz de
formar hasta tres enlaces éster con tres moléculas de AG para dar triglicéridos, TAGs, en las
que las tres moléculas de AGs no tienen por qué ser del mismo ácido. Por ejemplo, una de las
grasas más apreciadas en la cocina mundial, base de la dieta mediterránea, el aceite de oliva, es
un TAG en el que el AG más abundante es un ácido monoinsaturado de 18 átomos de carbono
cuyo doble enlace está en las posiciones 9 y 10, que se llama oleico por abundar tanto en el
aceite de oliva. Sin embargo, el AG saturado más abundante es el palmítico, cuya ecuación de
oxidación es la siguiente:
C16 H32O2 + 23 O2
→
16 CO2 + 16 H2O
ΔG'0 = -2200 kcal/mol
 ¿Por qué no es éste el combustible universal, si es el que más rendimiento produce? Porque sólo
puede oxidársele aerobiamente con oxígeno -la glucosa puede oxidarse anaerobiamente, sin
intervención de oxígeno, en la llamada modalidad anaerobia de la glicolisis, y por otro proceso
degradativo llamado Shunt de los Fosfatos de Pentosa- y como el oxígeno, para participar en las
oxidaciones celulares, debe entrar en la mitocondria, un orgánulo en cuya membrana interna
están los componentes moleculares encargados de esas oxidaciones -la llamada “cadena
transportadora de electrones”-, las células que no poseen dicho orgánulo -paradójicamente, la
célula encargada de llevar el oxígeno desde los pulmones hasta los tejidos, el eritrocito maduro,
carece de cualquier tipo de orgánulo, por lo tanto también de mitocondrias- no pueden
emplearlo, lo que les veta el uso de AGs y les “condena” a utilizar las vías anaerobias de oxidar
glucosa. Lo curioso es que algunas células muy ricas en mitocondrias y muy importantes, como
las neuronas del sistema nervioso, tampoco pueden emplear AGs como fuente de energía, por
razones diferentes que no vamos a explicar aquí, lo que las condena a emplear glucosa; de ahí,
lo vital que es para el cerebro la glucosa, su único combustible salvo en caso de ayuno
prolongado, en el que pueden emplear, además de glucosa pero nunca como sustituto total de la
misma, unos derivados de los AGs llamados Cuerpos Cetónicos (C.C.).
 En todo caso, el rendimiento, por unidad de peso almacenado, de los AGs es varias veces mayor
que el de la glucosa; por eso, cuando un organismo ingiere más alimento que el que necesita, el
exceso lo almacena como reserva en forma de grasa (TAGs) en un órgano especializado
llamado tejido adiposo. Así, si tomamos muchos hidratos de carbono (h. de C) -almidón,
básicamente- en una comida hipercalórica, ese exceso de h.de C, salvo una mínima cantidad, no
se almacena en forma de glucógeno, polímero de glucosa, sino que más de un 95% se convierte
en AGs y, luego, en TAGs, y como tal se depositan en el tejido adiposo. Un dato ilustrativo al
respecto: un hombre de 1,70 de estatura y 70 kg de peso tiene unos 11 kg de grasa almacenada y
sólo unos 100 g de glucógeno en hígado y una cantidad similar en músculo, lo que significa,
aproximadamente, una reserva de 100.000 kcal en forma de grasa y sólo unas 600 kcal como
glucógeno. En resumen: la mayor parte de los eventuales excesos alimenticios, no importa si
son grasas, h. de C e incluso proteínas, se reconvierten en TAGs para ser almacenados en el
tejido adiposo, lo que significa que no sólo engordan las grasas, también engordan los h. de C e,
incluso, las proteínas.
 Así pues, una parte del metabolismo consiste en la oxidación de los combustibles, cuyas
ecuaciones generales, para glucosa y ácidos grasos, acabamos de ver, y convertir una parte
sustancial de esa energía liberada en ATP, la “moneda energética celular”. A esa parte del
metabolismo se le llama catabolismo.
 Sin embargo, en ninguna célula aerobia el oxígeno se encuentra jamás ni con glucosa ni con
palmítico, lo que es de agradecer: el encuentro entre ambos compuestos, en presencia de una
enzima que fuera capaz de catalizar dicha oxidación -porque sin enzimas ni siquiera las
reacciones que llamamos “espontáneas” pueden tener lugar, pero esa es otra historia de la que
les hablarán otro día- liberaría tanta energía que destruiría los componentes celulares y, por
tanto, acabaría con la vida de la misma. Por eso, la oxidación de la glucosa (la glucolisis) o la de
ácido palmítico o cualquier otro de los AGs presentes en las grasas (la β-oxidación de los AGs,
llamada así porque el ataque se efectúa sobre el C en β respecto del C carboxílico) no tiene
lugar en una sola reacción, sino mediante una larga cadena de ellas, denominadas genéricamente
Rutas Catabólicas, en las que el producto de la primera es el sustrato de la segunda, el
producto de la segunda el sustrato de la tercera, y así sucesivamente. De esa forma, la elevada
cantidad de kilocalorías liberadas por mol de un combustible no surge de una vez sino en
algunas de esas muchas etapas de la ruta catabólica, en pequeñas porciones que, algunas veces,
suministran suficiente energía para hacer funcionar la fábrica de producir ATP.
 Fig. 14: esquema de la glicolisis aerobia. Un buen ejemplo es el del catabolismo aerobio de la
glucosa -la glucolisis aerobia- que supone la actuación coordinada de unas 20 reacciones, al
final de las cuales la glucosa se convierte en agua y CO2, sin que glucosa y oxígeno lleguen a
enfrentarse directamente. Además, aunque el proceso es oxidativo, no todas las reacciones son
de oxidación reducción, sólo un 20% aproximadamente; catalizadas por enzimas oxido
reductasas. Al final, de las 680 kcal/mol liberadas, unas 234, un 34%, se convierten en la
“moneda”, ATP, concretamente en 32 moléculas de esta “moneda”, utilizables para “financiar”
reacciones endergónicas; el resto, se desprende en otras formas de energía; por ejemplo, como
calor, que se utiliza para que la célula, o el organismo, mantenga su temperatura a pesar de la
que pueda tener el entorno. Así, los humanos, por ejemplo, conseguimos mantener nuestra
temperatura corporal en los 36,5º incluso viviendo en ambientes muy fríos.
 Algo parecido sucede con la β-oxidación de los AGs, aunque, en esta caso, del palmítico se
obtienen 106 moléculas de ATP, aproximadamente un 35% de la energía liberada; el resto, de
nuevo, se desprende como calor.
Fig. 15: esquemas de la β-oxidación de AGs.
 Como puede verse, en ambos procesos aparecen productos en una reacción que,
inmediatamente, son consumidos como sustratos en la siguiente. A todos esos efímeros
compuestos que aparecen y desaparecen en estas Rutas Catabólicas se les llama “catabolitos”.
 Lo contrario del catabolismo es el anabolismo. Un proceso anabólico es un proceso integrado
por numerosas reacciones enzimáticas consecutivas, de tipo reductivo, mediante el que se
consigue fabricar, a partir de precursores más oxidados y de una fuente de energía -son siempre
procesos endergónicos- compuestos necesarios para el funcionamiento celular. Volviendo al
caso de la glucosa, a su síntesis se la llama gluconogénesis, y básicamente es la glicolisis que
hemos visto antes funcionando al revés, con el aporte del ATP obtenido en el catabolismo
Fig. 14: (al revés) esquema de la ruta neoglucogénica, la opuesta a la glicolisis.
 A diferencia de la síntesis de glucosa, la síntesis de ácidos grasos (AG) no es la β-oxidación de
ácidos grasos funcionando al revés. Fabricar cualquier AG supone poner en marcha un proceso
citoplasmático -o sea, en un compartimento diferente a aquel en el que la β-oxidación tenía
lugar- que siempre implica la fabricación de un AG que es el precursor común para la síntesis
de todos los demás, síntesis catalizada por un sistema que, lógicamente, se llama Palmitato
sintasa.
Fig. 16. esquema de Palmitato sintasa.
 Una vez obtenido el ácido palmítico, parte del mismo se reconvierte, por reacciones de
elongación de cadena, en cualquier AG saturados, los hay de hasta 26 átomos de C. En cuanto a
los insaturados se consiguen mediante enzimas específicos, llamadas desaturasas porque
desaturan al correspondiente AGs de la misma longitud de cadena, aunque hay que decir que no
todos los necesarios son sintetizables por células humanas; hay un pequeño grupo que no se
pueden sintetizar a partir del esquema antes descrito ni a partir de palmitato ni de ningún otro
AG que podamos ingerir en la dieta; por eso, a este grupo se le llama AGs esenciales, porque
tienen que formar parte de la dieta siempre, como las vitaminas o los minerales; se trata de AGs
poliinsaturados, AGPI, con dobles enlaces ubicados después del C-10, y en ese grupo se
encuentran los famosos AGs ω-3 y ω-6, tan recomendados para una dieta sana desprovista de
elementos colesterogénicos. Por supuesto, todas estas síntesis de AGs han de financiarse con el
ATP obtenido de los procesos catabólicos. Ni qué decir tiene que a todos los intermediarios que
aparecen y desaparecen en el conjunto de reacciones se las llama anabolitos.
 Recopilando todo lo expuesto, ya tenemos la respuesta a la pregunta que planteábamos al inicio.
¿qué es el metabolismo? Es la suma del Catabolismo, que libera energía parta de la cual se
almacena en forma de ATP, y del Anabolismo, que consume ese ATP para fabricar
componentes celulares. Es decir, es el conjunto de las reacciones catabólicas más las
anabólicas. A todos los intermediarios que aparecen y desaparecen en las numerosas reacciones
de las rutas metabólicas, o sea, a todos los catabolitos y anabolitos, se les puede denominar,
globalmente, metabolitos. Cuando, como en el caso del par glucolisis-neoglucogénesis, ambos
procesos son, en realidad, el mismo aunque funcionando al revés, un compuesto -por ejemplo,
dihidroxiacetona fosfato- que es un catabolito en la glicolisis, se convierte en un anabolito en la
neoglucogénesis. Y todo ello, coordinado por el sistema endocrino que fabrica los reguladores
del metabolismo, las hormonas, compuestos que el organismo elabora en respuesta a la
situación metabólica en la que se encuentra: hay hormonas propias de situaciones de “hambre”
y otras que aparecen en condiciones de “saciedad”. Pero sobre ello ya se les hablará otro día.