Esquema de las principalesrutas metabólica.Vista simplificada del metabolismo celular
El términometabolismo (acuñado porTheodor Schwann,[1] proveniente delgriegoμεταβολή,metabole, que significacambio, más el sufijo -ισμός (-ismo) que significacualidad, sistema),[2][3] hace referencia a todos los procesos físicos y químicos del cuerpo que convierten o usan energía, tales como: respiración, circulación sanguínea, regulación de la temperatura corporal, contracción muscular, digestión de alimentos y nutrientes, eliminación de los desechos a través de la orina y de las heces y funcionamiento del cerebro y los nervios.[4] Estos complejos procesos interrelacionados son la base de lavida a escala molecular y permiten las diversas actividades de las células:crecer,reproducirse, mantener sus estructuras yresponder a estímulos, entre otras.
El metabolismo se divide en dos vertientes dependiendo de lo que ocurra con las moléculas implicadas: elcatabolismo y elanabolismo. Estos son procesos acoplados, puesto que uno depende del otro:
Las reacciones catabólicas liberan energía; un ejemplo de ello es laglucólisis, un proceso de degradación de compuestos como laglucosa, cuya reacción resulta en la liberación de la energía retenida en sus enlaces químicos.
Las reacciones anabólicas, en cambio, utilizan esaenergía para recomponer enlaces químicos y construir componentes de las células, como lasproteínas y losácidos nucleicos.
Este proceso está a cargo deenzimas localizadas en elhígado. En el caso de lasdrogas psicoactivas a menudo se trata simplemente de eliminar su capacidad de atravesar las membranas delípidos para que no puedan pasar labarrera hematoencefálica y alcanzar elsistema nervioso central, lo que explica la importancia del hígado y el hecho de que eseórgano sea afectado con frecuencia en los casos de consumo masivo o continuo de drogas.
La economía que la actividad celular impone sobre sus recursos obliga a organizar estrictamente las reacciones químicas del metabolismo en vías orutas 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 (por lo general una para cada sustrato-reacción). Las enzimas son cruciales en el metabolismo porque agilizan las reacciones fisicoquímicas al convertir posibles reaccionestermodinámicas deseadas, pero "no favorables", mediante un acoplamiento, en reacciones favorables. Las enzimas también se comportan como factores reguladores de las vías metabólicas —de las que modifican la funcionalidad, y por ende la actividad completa— en respuesta al ambiente y a las necesidades de la célula o segúnseñales de otras células.
El metabolismo de un organismo determina las sustancias que encontraránutritivas y las que encontrarátóxicas. Por ejemplo, algunas célulasprocariotas utilizansulfuro de hidrógeno como nutriente, pero ese gas esvenenoso para los animales.[5] La velocidad del metabolismo, el rango metabólico, también influye en cuántoalimento va a requerir unorganismo.
Es probable que esta estructura metabólica compartida sea el resultado de la alta eficiencia de estas rutas y de su temprana aparición en la historia evolutiva.[7][8]
El método clásico para estudiar el metabolismo consiste en un enfoque centrado en unaruta metabólica específica. Los diversos elementos que se utilizan en el organismo son valiosos en todas las categoríashistológicas, detejidos a células, que definen las rutas de los precursores hacia su producto final.[9] Las enzimas que catabolizan esas reacciones químicas pueden ser purificadas para estudiar sucinética enzimática y las respuestas que presentan frente a diversosinhibidores. Otro tipo de estudio que se puede llevar a cabo en paralelo es la identificación de losmetabolitos presentes en una célula o tejido (el estudio del conjunto de esas moléculas se denominametabolómica). Los estudios de ese tipo ofrecen una visión de las estructuras y funciones de rutas metabólicas simples, pero son inadecuados cuando se quieren aplicar a sistemas más complejos como el metabolismo global de la célula.[10]
En la imagen de la derecha se puede apreciar la complejidad de unared metabólica celular que muestra interacciones entre tan solo cuarenta y tres proteínas y cuarenta metabolitos, secuencia degenomas que provee listas que contienen hasta 45 000genes.[11] Sin embargo, es posible usar esta información para reconstruir redes completas de comportamientos bioquímicos y producir más modelos matemáticosholísticos que puedan explicar y predecir su comportamiento.[12] Estos modelos son mucho más efectivos cuando se usan para integrar la información de las rutas y de los metabolitos obtenida por métodos clásicos con los datos deexpresión génica logrados mediante estudios deproteómica y dechips de ADN.[13]
Una de las aplicacionestecnológicas de esta información es laingeniería metabólica. Con esta tecnología, organismos como laslevaduras, lasplantas o lasbacterias son modificados genéticamente para tornarlos más útiles en algún campo de labiotecnología, como puede ser la producción dedrogas,antibióticos o químicos industriales.[14][15][16] Estas modificaciones genéticas tienen como objetivo reducir la cantidad de energía usada para generar el producto, incrementar los beneficios y reducir la producción de desechos.[17]
Estructura de un lípido, untriglicérido.Diagrama de las principales rutas metabólicas en humanos
La mayor parte de las estructuras constitutivas de losanimales, lasplantas y losmicrobios pertenecen a alguno de los siguientes tres tipos de moléculas básicas:proteínas,glúcidos olípidos (también denominadosgrasas). Como esasmoléculas son esenciales para la vida, el metabolismo se centra en sintetizarlas en la construcción de células ytejidos, o en degradarlas y utilizarlas como recurso energético en ladigestión. Muchas biomoléculas pueden interaccionar para crearpolímeros como elácido desoxirribonucleico (ADN) y las proteínas. Esasmacromoléculas son esenciales en losorganismos vivos.[18] En la siguiente tabla se muestran los biopolímeros más comunes:
Estructura de unacoenzima, lacoenzima A, transportando un grupoacetilo (a la izquierda de la figura, unido alS).
El metabolismo supone un gran número de reacciones químicas, pero en la gran mayoría de ellas interviene alguno de los mecanismos de catálisis básicos dereacción de transferencia en grupo.[28] Esa química común permite que las células utilicen una pequeña colección de intermediarios metabólicos para trasladar grupos químicos funcionales entre diferentes reacciones.[27] Los intermediarios de transferencia de grupos se denominancoenzimas. Cada clase de reacción de grupo es llevada a cabo por una coenzima en particular, que es el sustrato para un grupo de enzimas que lo producen y un grupo de enzimas que lo consumen. Esas coenzimas, por ende, son creadas y consumidas de manera continua y luego recicladas.[29]
La coenzima más importante es eladenosín trifosfato (ATP),nucleótido que se utiliza para transferir energía química entre distintas reacciones. En las células hay solo una pequeña parte deATP, pero como se regenera en forma continua el cuerpo puede llegar a utilizar su propio peso enATP por día.[29] ElATP actúa como una conexión entre el catabolismo y el anabolismo, con reacciones catabólicas que lo generan y reacciones anabólicas que lo consumen. También es útil para transportar grupos fosfato en reacciones defosforilación.
Unavitamina es un compuesto orgánico necesario en pequeñas cantidades que no puede ser sintetizado en las células. En lanutrición humana la mayoría de las vitaminas trabajan como coenzimas modificadas; por ejemplo, todas las vitaminas hidrosolubles son fosforiladas o acopladas a nucleótidos cuando son utilizadas por las células.[30]
Eldinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD), más conocido como nicotinamida adenina dinucleótido, un derivado de lavitamina B, es una coenzima importante que actúa como aceptor deprotones. Cientos de deshidrogenasas eliminanelectrones de sus sustratos yreducen elNAD+ en NADH. Esta forma reducida de coenzima es luego un sustrato para cualquier componente de la célula que necesite reducir su sustrato.[31] ElNAD existe en dos formas relacionadas en la célula,NADH yNADPH. ElNAD+/NADH es más importante en reacciones catabólicas mientras que elNADP+/NADPH se utiliza fundamentalmente en reacciones anabólicas.compuesto químico que se encuentra en los organismos vivos. Están formadas por sustancias químicas compuestas principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, sulfuro y fósforo. Las biomoléculas son el fundamento de la vida y cumplen funciones imprescindibles para los organismos vivos.
Estructura de lahemoglobina. Las subunidades proteicas se encuentran señaladas en rojo y azul y los gruposhemo dehierro en verde.
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. Alrededor del noventa y nueve por ciento de la masa de un mamífero está compuesta por los elementoscarbono,nitrógeno,calcio,sodio,cloro,potasio,hidrógeno,oxígeno yazufre.[32] La mayor parte de loscompuestos orgánicos (proteínas, lípidos y carbohidratos) contienen carbono y nitrógeno mientras que la mayoría del oxígeno y del hidrógeno están presentes en el agua.[32]
Losmetales de transición se encuentran presentes en el organismo sobre todo comozinc yhierro, que son los más abundantes.[36][37] Esos metales, que en algunas proteínas se utilizan comocofactores, son esenciales para la actividad de enzimas como lacatalasa y de proteínas transportadoras del oxígeno como lahemoglobina.[38] Loscofactores están estrechamenteligados a una proteína y pese a que los cofactores de las enzimas pueden ser modificados durante lacatálisis, siempre tienden a volver al estado original antes de que la catálisis tenga lugar. Losmicronutrientes son captados por los organismos por medio de transportadores específicos y proteínas de almacenamiento específicas como laferritina o lasmetalotioneínas, mientras no son utilizadas.[39][40]
Elcatabolismo es el conjunto de procesos metabólicos que liberan energía. Esos procesos incluyen degradación yoxidación de moléculas de alimento así como reacciones que retienen la energía delSol. El propósito de esas reacciones catabólicas es proveer energía,poder reductor y componentes requeridos por reacciones anabólicas. La naturaleza de esas reacciones catabólicas difiere deorganismo en organismo. Sin embargo, esas distintas formas de catabolismo dependen dereacciones de reducción-oxidación que involucran transferencia deelectrones de moléculas donantes (como lasmoléculas orgánicas,agua,amoníaco,sulfuro de hidrógeno eionesferrosos) a aceptores de esos electrones como eloxígeno, elnitrato o elsulfato.[41]
En los animales esas reacciones conllevan la degradación de moléculas orgánicas complejas a otras más simples, comodióxido de carbono yagua. En organismosfotosintéticos como lasplantas y lascianobacterias esas transferencias de electrones no liberan energía, sino que se usan como un medio para almacenarenergía solar.[42]
El conjunto de reacciones catabólicas más común en los animales puede ser separado en tres etapas distintas. En la primera, moléculas orgánicas grandes como las proteínas, los polisacáridos o los lípidos son digeridas en componentes más pequeños fuera de las células. Luego, esas moléculas pequeñas son llevadas a las células y convertidas en moléculas de tamaño aun menor, por lo general acetilos que se unen en forma covalente a lacoenzima A para formar la acetil-coenzima A, que libera energía. Por último, en la molécula deacetil CoA el grupo acetil es oxidado a agua y dióxido de carbono con liberación de energía que se retiene al reducir la coenzimanicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) enNADH. De forma global, en el catabolismo se pueden distinguir los siguientes tres bloques principales: 1. Polímeros (por ejemplo, proteínas) se transforman en monómeros (por ejemplo, aminoácidos). 2. Los monómeros se transforman en compuestos orgánicos todavía más sencillos (por ejemplo, gliceraldehido). 3. Los compuestos orgánicos sencillos se transforman en compuestos inorgánicos como CO2, H2O y NH3.
Dado que las macromoléculas como elalmidón, lacelulosa o lasproteínas no pueden ser captadas en forma automática por las células deben ser degradadas en unidades más simples antes de ser usadas en el metabolismo celular. Entre las numerosas enzimas que digieren esos polímeros figuran lapeptidasa, que digiere proteínas en aminoácidos, lasglicosil hidrolasas, que digieren polisacáridos endisacáridos ymonosacáridos y laslipasas, que digieren lostriglicéridos enácidos grasos yglicerol.
Losmicrobios simplemente secretan enzimas digestivas en sus alrededores[43][44] mientras que en losanimales esas enzimas son secretadas en elaparato digestivo desde células especializadas.[45] Los aminoácidos, los monosacáridos y los triglicéridos liberados por esas enzimas extracelulares son absorbidos por las células mediante proteínas específicas de transporte.[46][47]
El catabolismo de los carbohidratos es la degradación de loshidratos de carbono en unidades menores. Los carbohidratos son captados por la célula después de ser digeridos en monosacáridos.[48] Una vez en el interior celular laruta de degradación es laglucólisis, en la que los azúcares como la insulina y la fructosa son transformados enpiruvato y se generan algunas moléculas de ATP.[49] El piruvato o ácido pirúvico es un intermediario en varias rutas metabólicas, pero en su mayor parte es convertido enacetil CoA y cedido alciclo de Krebs. Aunque en el ciclo se genera másATP, el producto más importante es elNADH, sintetizado a partir delNAD+ por la oxidación de la acetil-CoA. La oxidación libera dióxido de carbono como producto de desecho. Una ruta alternativa para la degradación de la glucosa es laruta pentosa-fosfato, que reduce la coenzimaNADPH y produce azúcares decinco carbonos como laribosa, el azúcar que forma parte de losácidos nucleicos.
Las grasas son catalizadas por lahidrólisis a ácidos grasos yglicerol. El glicerol entra en la glucólisis y los ácidos grasos son degradados porbeta oxidación para liberar acetil CoA, que luego se cede al ya nombrado ciclo de insulina. Debido a sus altas proporciones de grupometileno, los ácidos grasos liberan más energía en su oxidación que los carbohidratos, puesto que las estructuras de carbohidratos como la glucosa contienen más oxígeno en su interior.
Losaminoácidos se utilizan principalmente para sintetizar proteínas y otras biomoléculas; solo los excedentes son oxidados aurea y dióxido de carbono como fuente de energía.[50] Esta ruta oxidativa empieza con la eliminación del grupo amino por unaaminotransferasa. El grupo amino es cedido alciclo de la urea y deja un esqueleto carbónico en forma decetoácido.[51] Los aminoácidos glucogénicos pueden ser transformados en glucosa mediantegluconeogénesis.[52]
En lafosforilación oxidativa los electrones liberados de moléculas de alimento en rutas como el ciclo de Krebs son transferidos con oxígeno y la energía es liberada para sintetizar adenosín trifosfato. Esto se da en las célulaseucariotas por una serie deproteínas en las membranas de lamitocondria llamadascadena de transporte de electrones. Esas proteínas, que en las célulasprocariotas se encuentran en lamembrana interna,[53] utilizan la energía liberada de la oxidación del electrón que lleva la coenzima NADH para bombearprotones a lo largo de la membrana.[54]
Los protones bombeados fuera de la mitocondria crean unadiferencia de concentración a lo largo de la membrana, lo que genera un gradiente electroquímico.[55] Esa fuerza determina que vuelvan a la mitocondria a través de una subunidad de laATP-sintasa. El flujo de protones hace que gire la subunidad menor, como resultado de lo cual elsitio activo fosforila eladenosín difosfato (ADP) y lo convierte enATP.[29]
En principio la captura deenergía solar es un proceso similar a la fosforilación oxidativa dado que almacenaenergía engradientes de concentración de protones, lo que da lugar a la síntesis deATP.[29] Los electrones necesarios para llevar a cabo ese transporte de protones provienen de una serie de proteínas denominadascentro de reacción fotosintética. Esas estructuras se clasifican en dos según supigmento: las bacterias tienen un solo grupo mientras que en las plantas y las cianobacterias pueden ser dos.[64]
En las plantas elfotosistema II usa energía solar para obtener loselectrones del agua y libera oxígeno como producto de desecho. Los electrones luego fluyen hacia elcomplejo del citocromo b6f, que usa su energía para bombearprotones a lo largo de la membranatilacoidea delcloroplasto.[42] Esos protones se mueven a través de la ATP-sintasa mediante el mecanismo explicado anteriormente. A continuación los electrones fluyen por el fotosistema I y pueden ser utilizados para reducir la coenzimaNADP+, que será utilizada en elciclo de Calvin o reciclada para la futura generación deATP.[65]
Elanabolismo es el conjunto de procesos metabólicos constructivos en los que la energía liberada por el catabolismo se utiliza para sintetizarmoléculas complejas. En general las moléculas complejas que dan lugar a estructuras celulares son construidas a partir de precursores simples. El anabolismo comprende tres etapas: en primer lugar la producción de precursores comoaminoácidos,monosacáridos,isoprenoides ynucleótidos, en un segundo término su activación enreactivos mediante el empleo de energía delATP y, por último, el montaje de esos precursores en moléculas más complejas comoproteínas,polisacáridos,lípidos yácidos nucleicos.
Los organismos difieren en cuanto a la cantidad de moléculas que pueden sintetizar por sí mismos en sus células. Losorganismos 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. Losorganismos heterótrofos, en cambio, requieren una fuente de sustancias más complejas, como monosacáridos y aminoácidos, para producir esas moléculas complejas. Según su fuente de energía los organismos pueden ser clasificados enfotoautótrofos y fotoheterótrofos, que obtienen la energía del Sol, oquimioheterótrofos y quimioautótrofos, que obtienen la energía mediante reacciones oxidativas.
A diferencia delcatabolismo, el anabolismo suele conducir a gastos energéticos, son rutas divergentes, suelen implicar procesos de reducción y conllevar a la fabricación de biomoléculas con mayor complejidad química que las moléculas de partida.
Las rutas anabólicas se pueden clasificar en tres grandes bloques. 1. Síntesis de compuestos orgánicos sencillos (por ejemplo, lafotosíntesis). 2. Síntesis de monómeros (por ejemplo, lagluconeogénesis). 3. Síntesis de macromoléculas (por ejemplo, laglucogénesis).
La fotosíntesis es la síntesis de glucosa a partir de energía solar, dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), con oxígeno como producto dedesecho. Ese proceso utiliza elATP y elNADPH producido por los centros de reacción fotosintéticos para convertir elCO2 en 3-fosfoglicerato, que puede ser convertido en glucosa. Esa reacción de fijación del CO2 es llevada a cabo por la enzimaRuBisCO (ribulosa 1, 5 bifosfato carboxilasa-oxigenasa) como parte delciclo de Calvin.<refNone>Miziorko H. y Lorimer G., "Ribulose-1, 5-bisphosphate carboxylase-oxygenase",Annu Rev Biochem 1983, 52: 507-535.PMID 6351728.</ref> Se dan tres tipos de fotosíntesis en las plantas: fijación del carbono C3,fijación del carbono C4 yfotosíntesis CAM (siglas de la expresión inglesaCrassulacean acidic metabolism). Esos tipos difieren en la vía que sigue el CO2 en el ciclo de Calvin, con plantas C3 que fijan elCO2 directamente mientras que las fotosíntesis C4 yCAM incorporan elCO2 primero en otros compuestos como adaptaciones para soportar la luz solar intensa y las condiciones secas.[66]
En las procariotas fotosintéticas los mecanismos de la fijación son más diversos. ElCO2 puede ser fijado por el ciclo de Calvin y también por elciclo de Krebs inverso[67] o la carboxilación de laacetil-CoA.[68][69] Los quimioautótrofos también pueden fijar el CO2 mediante el ciclo de Calvin, pero utilizan la energía de compuestos inorgánicos para llevar a cabo la reacción.[70]
En el anabolismo de los carbohidratos se pueden sintetizar ácidos orgánicos simples desdemonosacáridos como la glucosa y luego enpolisacáridos como elalmidón. La generación de glucosa a partir de compuestos como elpiruvato, elácido láctico, elglicerol y losaminoácidos se denominagluconeogénesis. La gluconeogénesis transforma piruvato en glucosa-6-fosfato a través de una serie de intermediarios, muchos de los cuales son compartidos con laglucólisis.[49] Sin embargo, esa ruta no es simplemente la inversa de la glucólisis, puesto que varias etapas son catalizadas por enzimas no glucolíticas, un hecho importante a la hora de evitar que ambas rutas estén activas a la vez y den lugar a un ciclo fútil.[71][72]Una vez que se han biosintetizado los monómeros (por ejemplo, laglucosa) se pueden sintetizar los polímeros mediante rutas de polimerización (por ejemplo, laglucogénesis).
A pesar de que lagrasa es una forma común de almacenamiento de energía, en losvertebrados como loshumanos losácidos grasos no pueden ser transformados en glucosa por gluconeogénesis porque esos organismos no pueden convertir acetil-CoA en piruvato.[73] Como resultado, tras un tiempo deinanición los vertebrados necesitan producircuerpos cetónicos a partir de los ácidos grasos para reemplazar la glucosa en tejidos como elcerebro, que no pueden metabolizar ácidos grasos.[74] En otros organismos, por ejemplo las plantas y las bacterias, ese problema metabólico se soluciona mediante la utilización del ciclo del glioxilato, que sobrepasa ladescarboxilación en el ciclo de Krebs y permite la transformación de acetil-CoA en ácido oxalacético, el que puede ser utilizado en la síntesis de glucosa.[73][75]
Los polisacáridos y losglucanos son sintetizados por medio de una adición secuencial de monosacáridos llevada a cabo por glucosil-transferasas de un donador reactivo azúcar-fosfato a un aceptor como elgrupo hidroxilo en el polisacárido que se sintetiza. Como cualquiera de los grupos hidroxilo del anillo de lasustancia puede ser aceptor, los polisacáridos producidos pueden tener estructuras ramificadas o lineales.[76] Esos polisacáridos producidos pueden tener funciones metabólicas o estructurales por sí mismos o también pueden ser transferidos a lípidos y proteínas por medio de enzimas.[77][78]
Los ácidos grasos se sintetizan a partir de la polimerización y la reducción de unidades de acetil-CoA y sus cadenas acilo se extienden a través de un ciclo de reacciones que agregan elgrupo acetilo, lo reducen aalcohol, lodeshidratan a un grupoalqueno y luego lo vuelven a reducir a un grupoalcano. Las enzimas de la síntesis de ácidos grasos se dividen en dos grupos: en los animales y loshongos las reacciones de la síntesis son llevadas a cabo por una sola proteína multifuncional de tipo I[79] mientras que en losplástidos de las plantas y en las bacterias son las enzimas de tipo II por separado las que llevan a cabo cada etapa de la ruta.[80][81]
Losterpenos y losisoprenoides son clases de lípidos que incluyen carotenoides y forman la familia más amplia de productos naturales de las plantas.[82] Esos compuestos son sintetizados por la unión y modificación de unidades deisopreno donadas por los precursores reactivospirofosfato de isopentenilo ypirofosfato de dimetilalilo.[83] Los precursores pueden ser sintetizados de diversos modos. Por ejemplo, en los animales y lasarqueas se sintetizan a partir deacetil-CoA, en una ruta metabólica conocida comovía del mevalonato[84] mientras que en las plantas y las bacterias la síntesis se realiza a partir de piruvato y gliceraldehído 3-fosfato como sustratos, en una vía conocida comovía del metileritritol fosfato.[83][85] Una reacción que usa esos donadores isoprénicos activados es la biosíntesis deesteroides. En ese caso, las unidades de isoprenoides forman uniones covalentes para generarescualeno, que se pliega para formar una serie de anillos que dan lugar a una molécula denominadalanosterol.[86] Luego el lanosterol puede ser transformado en esteroides como elcolesterol.
Los organismos difieren en su capacidad para sintetizar los veinte aminoácidos conocidos. Las bacterias y las plantas pueden sintetizar los veinte, pero los mamíferos solo pueden sintetizar los diez aminoácidos no esenciales.[21] Por ende, losaminoácidos esenciales deben ser obtenidos del alimento. Todos los aminoácidos son sintetizados por intermediarios en la glucólisis y el ciclo de Krebs. El nitrógeno es obtenido por elácido glutámico y laglutamina. La síntesis de aminoácidos depende de la formación apropiada delácido alfa-ceto, que luego estransaminado para formar un aminoácido.[87]
Los aminoácidos se sintetizan en proteínas al ser unidos en una cadena porenlaces peptídicos. Cada proteína posee una secuencia única e irrepetible de aminoácidos, la que se conoce como suestructura primaria. Los aminoácidos pueden formar una gran variedad de proteínas según la secuencia presente en la proteína. Las proteínas están constituidas por aminoácidos que han sido activados por la adición de unARNt a través de un enlaceéster.<refNone>Ibba M. y Söll D.,"The renaissance of aminoacyl-tRNA synthesis",EMBO Rep 2001, 2 (5): 382-387.PMID 11375928.</ref> Entonces, elaminoacil-ARNt es un sustrato para elribosoma, que va añadiendo los residuos de aminoácidos a la cadena proteica sobre la base de la secuencia de información que valeyendo el ribosoma en una molécula deARN mensajero.[88]
Los nucleótidos se sintetizan a partir de aminoácidos, dióxido de carbono yácido fórmico en rutas que requieren una cantidad mayor de energía metabólica.[89][90] En consecuencia, casi todos los organismos poseen un sistema eficiente para resguardar los nucleótidos preformados.[89][91] Laspurinas se sintetizan comonucleósidos (bases unidas aribosa). Tanto laadenina como laguanina son sintetizadas a partir de un precursor nucleósido, lainosina monofosfato, que se sintetiza a partir de átomos de los aminoácidosglicina,glutamina yácido aspártico; lo mismo puede decirse del HCOO−, que es transferido desde la coenzimatetrahidrofolato. Laspirimidinas, en cambio, se sintetizan a partir del ácido orótico, que a su vez es sintetizado a partir de la glutamina y el aspartato.[92]
Todos losorganismos se encuentran expuestos de manera constante a compuestos y elementos químicos que no pueden utilizar comoalimento y que serían dañinos si se acumularan en sus células porque no tendrían una función metabólica. Esos compuestos potencialmente dañinos se llamanxenobióticos.<refNone>Testa B. y Krämer S., "The biochemistry of drug metabolism—an introduction: part 1. Principles and overview",Chem Biodivers 2006, 3 (10): 1053-1101.PMID 17193224.</ref> Los xenobióticos como lasdrogas sintéticas, losvenenos naturales y losantibióticos son detoxificados por un conjunto de enzimas xenobióticas-metabolizadoras que en los seres humanos incluyen las citocromo oxidasas P450,[94] las UDP-glucuroniltransferasas[95] y las glutatión-S-transferasas.[96]
Ese sistema deenzimas actúa en tres etapas. En primer lugar, oxida los xenobióticos (fase I) y luego conjuga grupos solubles al agua en la molécula (fase II). El xenobiótico modificado puede ser extraído de la célula por exocitosis y, enorganismos pluricelulares, puede ser más metabolizado antes de serexcretado (fase III). Enecología esas reacciones son particularmente importantes por labiodegradación microbiana de agentes contaminantes y labiorremediación de tierras contaminadas.[97] Muchas de esas reacciones microbióticas son compartidas con organismos pluricelulares, pero debido a su mayorbiodiversidad los microbios son capaces de tratar con un espectro de xenobióticos más amplio que el que pueden manejar los organismos pluricelulares; los microbios pueden llegar a degradar incluso agentes contaminantes como los compuestosorganoclorados.[98]
Un problema relacionado con losorganismos aerobios es elestrés oxidativo.[99] Sin embargo, una bacteria estresada podría ser más efectiva para la degradación de esos contaminantes.[100]
Dado que elambiente de los organismos cambia constantemente, las reacciones metabólicas son reguladas para mantener un conjunto de condiciones en la célula, un estado denominadohomeostasis.[104][105] Esa regulación permite que los organismosrespondan a estímulos e interaccionen con el ambiente.[106] Para entender cómo es el control de las vías metabólicas existen dos conceptos vinculados. En primer lugar, laregulación de una enzima en una ruta es cómo incrementa o disminuye su actividad en respuesta a señales o estímulos. En segundo lugar, elcontrol llevado a cabo por esa enzima viene dado por los efectos que ejercen esos cambios de su actividad sobre la velocidad de la ruta (el flujo de la ruta).[107] Por ejemplo, una enzima muestra cambios en su actividad, pero si esos cambios ejercen un efecto mínimo sobre el flujo de la ruta metabólica, entonces esa enzima no se relaciona con el control de la ruta.[108]
Esquema de un receptor celular. E: espacio extracelular. P: membrana plasmática. I: espacio intracelular.
Existen múltiples niveles para regular el metabolismo. En la regulación intrínseca, la ruta metabólica se autorregula para responder a cambios en los niveles de sustratos o productos; por ejemplo, una disminución en la cantidad de productos puede incrementar el flujo en la ruta para compensarla.[107] Ese tipo de regulación suele implicar unaregulación alostérica de las actividades de las distintas enzimas en la ruta.[109] En el control extrínseco una célula de un organismo pluricelular cambia su metabolismo en respuesta a señales de otras células. Esas señales por lo general son enviadas en forma de mensajeros como lashormonas y losfactores de crecimiento, que son detectados porreceptores celulares específicos en la superficie de la célula.[110] Esas señales son transmitidas hacia el interior celular mediante mensajeros secundarios que generalmente involucran lafosforilación de proteínas.[111]
Un ejemplo de control extrínseco es la regulación del metabolismo de la glucosa mediante la hormona denominadainsulina.[112] La insulina es producida como consecuencia de un aumento de la concentración de azúcar en la sangre. La unión de esa hormona asus receptores activa una cascada de proteín-cinasas que estimulan la absorción de glucosa por la célula para transformarla en moléculas de almacenamiento como los ácidos grasos y elglucógeno.[113] Elmetabolismo del glucógeno es controlado por la actividad de la glucógeno fosforilasa, enzima que degrada el glucógeno, y la glucógeno sintasa, enzima que lo sintetiza. Esas enzimas son reguladas de un modo recíproco: la fosforilación inhibe a la glucógeno sintetasa, pero a su vez activa a la glucógeno fosforilasa. La insulina induce la síntesis de glucógeno al activar fosfatasas y producir una disminución en la fosforilación de esas enzimas.[114]
Los organismos vivos deben respetar las leyes de latermodinámica. Lasegunda ley de la termodinámica establece que en cualquiersistema cerrado la cantidad deentropía tenderá a incrementarse. A pesar de que la complejidad de los organismos vivos contradice esa ley, lavida es posible porque todos los organismos vivos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con sus alrededores. Por ende, los sistemas vivos no se encuentran enequilibrio estable y permanente, sino en lo que puede denominarse un«equilibrio estacionario»: sonsistemas de disipación que mantienen su estado de complejidad porque provocan incrementos mayores en la entropía de sus alrededores.[115] El metabolismo de una célula logra esto mediante la relación entre los procesos espontáneos del catabolismo y los procesos no espontáneos del anabolismo. En términos termodinámicos, el metabolismo mantiene el orden al crear un desorden.[116]
En fisiología comparada y ambiental la velocidad a la que el organismo transfiere energía química en calor y trabajo externo se denomina tasa metabólica.[117]La tasa metabólica, esto es la tasa a la cual los organismos consumen, transforman y gastan energía y materia, se considera la tasa biológica fundamental.[118] En los organismosheterótrofos, que obtienen energía oxidando compuestos de carbono, la tasa metabólica es igual a la tasa respiratoria. Esa tasa se describe por medio de la reacción: CH2O + 1O2 → energía + 1CO2 + 1H2O. En cambio, en unautótrofo, como la reacción durante lafotosíntesis tiene lugar en sentido opuesto, utilizando energía solar para fijar carbono, la tasa metabólica es igual a la tasa fotosintética.[119]
En los endotermos, animales que generan su propio calor corporal, la temperatura del cuerpo está controlada por la tasa metabólica y es independiente de la temperatura ambiental. En esos organismos existe un intervalo de temperatura ambiental, la zona termoneutral, en la cual la tasa metabólica no varía con la temperatura ambiente. Los límites superior e inferior de ese intervalo se denominan temperatura crítica superior (Tcs) e inferior (Tci), respectivamente. El metabolismo aumenta cuando la temperatura ambiente desciende por debajo de la temperatura crítica inferior o cuando la temperatura ambiente aumenta por encima de la temperatura crítica superior.
En los animales endotermos se denomina tasa metabólica basal (TMB) a la tasa de consumo de energía durante la etapa posabsortiva, en la zona de termoneutralidad, durante el período normal de inactividad de los individuos adultos no reproductivos.[120]
Por el contrario, la temperatura corporal de los animales ectotermos depende de la temperatura ambiental y, en consecuencia, la temperatura ambiental también afecta la tasa metabólica. Se puede considerar que en esos animales la tasa metabólica se incrementa exponencialmente con la temperatura. A diferencia de la temperatura metabólica basal de los endotermos, que puede estimarse dentro de un intervalo de temperatura ambiente, la tasa metabólica mínima de un ectotermo debe determinarse a una temperatura específica. La tasa metabólica de un ectotermo en reposo, no estresado, en ayunas y a una temperatura corporal dada se denomina tasa metabólica estándar (TME).[121]
La tasa metabólica de campo (TMC), tasa promedio de utilización de energía del animal durante la realización de las actividades normales, que pueden abarcar desde la inactividad completa de los períodos de reposo hasta los ejercicios máximos, es la que mejor describe la tasa metabólica de un animal en la naturaleza.[122]
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