viernes, 2 de septiembre de 2016

1 INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO

Metabolismo, sin duda una de aquellas palabras tan imbuidas en la cultura popular, pero que al mismo tiempo nadie entiende realmente. De cierta manera lo único se  entiende es una noción de velocidad, energía y biomasa aplicada a los deportes, las dietas y el ejercicio. Sin embargo, el metabolismo es algo más complejo y se relaciona con algo que la mayoría de las personas concibe como ferozmente complicado, ¡química!


1.1 ¿Qué es el metabolismo?

La palabra metabolismo viene de la palabra griega “metabolos” que significa “cambio”, en el contexto de las ciencias de la naturaleza hace referencia al conjunto de reacciones químicas que mantienen a los seres vivos, ya sean unicelulares o multicelulares (Karp, 2013).

1.2 Tipos de metabolismo

El metabolismo consta de una serie de procesos, los principales son dos: (1) la conversión de sustancias químicas complejas en energía química transportada por sustancias simples y (2) la construcción de sustancias complejas por medio de la inversión de energía química. Sin embargo también se involucran procesos accesorias que en su conjunto obedecen a la transferencia de sustancia a través de membranas como son: la adquisición de nutrientes solubles y gases así como la remoción de desechos solubles y gases tóxicos (Chen, Li, & Ellington, 2007; Gottschalk, 2012; Karp, 2013; Sadava, Berenbaum, & Hillis, 2014). Cada reacción química metabólica está controlada por una enzima, la cual es un catalizador de origen biológico construida por aminoácidos y que es altamente específica para un grupo de reacciones muy semejante.

Tradicionalmente el metabolismo se clasifica de acuerdo a las dos funciones basales, siendo este denominado catabolismo o anabolismo. El catabolismo es el metabolismo de rompimiento, en el cual se tiene materia química compleja y se rompe para extraer su energía a portadores energéticos (Hedström, Ljungqvist, & Cederholm, 2006). El anabolismo es el opuesto, en el cual se tiene material para construir y se sacrifica energía durante la síntesis de materia biológica compleja (Hedström et al., 2006). 

Catabolismo implica degradar para obtener energía.
Los dos tipos generales de metabolismos se encuentran conectados entre sí por portadores de energía, los cuales son sustancias químicas relativamente simples llamadas coenzimas que transportan la energía de un metabolismo al otro según sea necesaria.

1.3 Rutas metabólicas

Las reacciones químicas del metabolismo se encuentran organizadas en rutas de reacciones secuencias también conocidas como rutas metabólicas. En una ruta metabólica un químico de entrada sufre diversas transformaciones, en las que se transforma en intermediarios químicos hasta obtener el producto requerido más desechos. Las enzimas y la concentración relativa son cruciales para el control de las reacciones químicas. Las enzimas pueden acelerar la velocidad neta de la reacción, haciendo que algunas reacciones no espontáneas en términos prácticos produzcan suficientes intermediarios químicos para sustentar otras reacciones vitales (Karp, 2013).

1.4 Acoplamiento enzimático

De esta manera podemos agrupar series de reacciones en rutas metabólicas, las cuales poseen redes de reacciones químicas catalizadas por enzimas. La evidencia estructural sugiere que las enzimas de una ruta metabólica se encuentran físicamente interconectadas, lo que permite que los productos intermedios de una reacción puedan ser entregados a la siguiente enzima de manera eficiente para posteriores transformaciones (Karp, 2013).

1.5 Compuestos e intermediarios

Los compuestos producidos en cada paso intermedio se denominan intermediarios metabólicos o (metabolitos), los cuales en sucesivas transformaciones general los productos. Los productos finales son moléculas con roles importantes en la célula, como los aminoácidos, los azucares o el ATP (Karp, 2013).

1.6 Equilibrio químico

La concentración relativa de los intermediarios está mediada por las leyes del equilibrio químico, especialmente el principio de Le Chatelier. Así, cuando se acumulan demasiados intermediarios en una ruta metabólica esta se detiene espontáneamente, hasta que estos intermediarios sean consumidos o extraídos del ambiente de reacción, lo mismo ocurre con cualquier producto de reacciones metabólicas. Lo opuesto también es cierto, si se acumulan muchos reactivos las reacciones se aceleran lo que puede alterar los equilibrios metabólicos (Smith & Morowitz, 2004).

Las rutas metabólicas en su conjunto forman redes metabólicas complejas, en otras palabras un sistema con propiedades emergentes como la resiliencia. De esta manera la red puede responder de forma dinámica a las sustancias externas e internas, e incluso soportar cambios bruscos, provenientes del exterior o del interior hasta ciertos límites vitales (Fell & Wagner, 2000).

1.7 Redes o sistemas metabólicos

La red metabólica determina si una sustancia puede clasificarse como una fuente de energía, como una toxina o como un veneno, e incluso la misma sustancia puede cambiar de categoría dependiendo de su cantidad relativa –o concentración –en un microambiente particular. Por ejemplo, muchas bacterias pueden emplear el sulfuro de hidrógeno como nutriente, pero para los animales es altamente venenoso (Fell & Wagner, 2000).

Un detalle importante de las redes metabólicas es un reticencia al cambio, existen tremendas similitudes entre las rutas metabólicas básicas de todos los seres vivos, por lo que la escolarización del metabolismo ha estado trazada siempre por unas pocas rutas como por ejemplo: la glucólisis, el ciclo de Krebs, las cadenas de transporte de electrones, las fermentaciones, y la fotosíntesis. Esta similitud entre los metabolismos basales es una de las evidencias más contundentes de la existencia de un ancestro común entre todos los seres vivos que habían el planeta Tierra en la actualidad (Singh, 2015; Stairs, Leger, & Roger, 2015).

1.8 Ecología del metabolismo

Los compuestos metabólicos son importantes, no solo para el mantenimiento de la homeostasis corporal, también pueden ser empleados como mecanismos de relación con otros seres vivos ya sea de la misma especie o con otras especies. En este sentido dos categorías de compuestos son importantes, las feromonas y los metabolitos secundarios. Las feromonas son compuestos mensajeros que generalmente afectan a individuos de la misma especie y generalmente se relacionan con el reconocimiento de la receptividad sexual, mientras que los metabolitos secundarios pueden ser empleados como venenos o disuasorias de mal sabor (Cushnie, Cushnie, & Lamb, 2014; Davies, 2013; Seigler, 2012; Wink, 2013).

1.9 Relación con el concepto de vida

En términos de historia de la vida, el metabolismo es uno de los conceptos clave a la hora de elaborar hipótesis sobre el origen de la vida, debido a que los intermediarios metabólicos presentan un problema de complejidad que debe desentrañarse de a pocos. En todo caso, es importante conocer primero los fundamentos, para luego poder abarcar el problema más grande, que es su origen último (Chen et al., 2007; Parmon, 2008; Robertson & Joyce, 2012; Wächtershäuser, 1988).


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