El metabolismo se refiere a todas las reacciones químicas que tienen lugar dentro de un organismo por las que se descomponen moléculas complejas para producir energía y por las que se utiliza la energía para construir moléculas complejas. Un ejemplo de reacción metabólica es la que tiene lugar cuando una persona come una cucharada de azúcar. Una vez dentro del cuerpo, las moléculas de azúcar se descomponen en moléculas más simples con la liberación de energía. Esa energía es entonces utilizada por el cuerpo para una variedad de propósitos, como mantener el cuerpo caliente y construir nuevas moléculas dentro del cuerpo.
Todas las reacciones metabólicas pueden dividirse en una de dos categorías generales: reacciones catabólicas y anabólicas. El catabolismo es el proceso por el cual las moléculas grandes se descomponen en otras más pequeñas con la liberación de energía. El anabolismo es el proceso por el cual la energía se utiliza para construir moléculas complejas que el cuerpo necesita para mantenerse y desarrollarse.
El proceso de la digestión
Una forma de entender el proceso del metabolismo es seguir el camino de un nutriente típico a su paso por el cuerpo. Un nutriente es cualquier sustancia que ayuda a un organismo a mantenerse vivo, a permanecer sano y a crecer. Tres grandes categorías de nutrientes son los hidratos de carbono, las proteínas y las grasas.
Palabras a conocer
Anabolismo: Proceso mediante el cual se utiliza la energía para construir moléculas complejas.
ATP (trifosfato de adenosina): Molécula utilizada por las células para almacenar energía.
Carbohidrato: Un compuesto formado por carbono, hidrógeno y oxígeno que se encuentra en las plantas y es utilizado como alimento por los seres humanos y otros animales.
Catabolismo: Proceso por el cual las moléculas grandes se descomponen en otras más pequeñas con la liberación de energía.
Enlace químico: Una fuerza de atracción entre dos átomos.
Enzima: Compuestos químicos que actúan como catalizadores, aumentando la velocidad a la que se producen las reacciones en un organismo vivo.
Pool metabólico: La cantidad total de moléculas simples formadas por la descomposición de nutrientes.
Nutriente: Sustancia que ayuda a un organismo a mantenerse vivo, permanecer sano y crecer.
Proteína: Moléculas grandes que son esenciales para la estructura y el funcionamiento de todas las células vivas.
Supongamos, por ejemplo, que una persona acaba de comer un trozo de pan. Un nutriente importante en ese pan es el almidón, un carbohidrato complejo. Tan pronto como el pan entra en la boca de la persona, comienza la digestión. Las enzimas de la boca empiezan a descomponer las moléculas de almidón y las convierten en moléculas más pequeñas de sustancias más simples: los azúcares. Este proceso puede observarse fácilmente, ya que cualquier persona que tenga un trozo de pan en la boca durante un periodo de tiempo empieza a reconocer un sabor dulce, el del azúcar formado por la descomposición del almidón.
La digestión es un primer paso necesario para todos los alimentos. Las moléculas de las que están hechos los alimentos son demasiado grandes para atravesar el revestimiento del sistema digestivo. La digestión da lugar a la formación de moléculas más pequeñas que son capaces de atravesar ese revestimiento y entrar en el torrente sanguíneo de la persona. Las moléculas de azúcar formadas por la digestión del almidón entran en el torrente sanguíneo. Luego son transportadas a las células individuales de todo el cuerpo de la persona.
Las moléculas más pequeñas en las que se descomponen los nutrientes constituyen el conjunto metabólico. El pool metabólico consiste en las sustancias más simples formadas por la descomposición de los nutrientes. Incluye azúcares simples (formados por la descomposición de carbohidratos complejos), glicerol y ácidos grasos (formados por la descomposición de lípidos) y aminoácidos (formados por la descomposición de proteínas). Las células utilizan las sustancias del conjunto metabólico como materiales de construcción, del mismo modo que un carpintero utiliza madera, clavos, cola, grapas y otros materiales para la construcción de una casa. La diferencia es, por supuesto, que las células construyen partes del cuerpo, no casas, a partir de los materiales con los que tienen que trabajar.
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Metabolismo celular
Las sustancias que componen el conjunto metabólico son transportadas a las células individuales por la corriente sanguínea. Atraviesan las membranas celulares y entran en el interior de la célula. Una vez en el interior de la célula, un compuesto se somete a un metabolismo posterior, normalmente en una serie de reacciones químicas. Por ejemplo, una molécula de azúcar se descompone dentro de una célula en dióxido de carbono y agua, con la liberación de energía. Pero este proceso no se produce en un solo paso. En cambio, se necesitan unas dos docenas de reacciones químicas distintas para convertir la molécula de azúcar en sus productos finales. Cada reacción química implica un cambio relativamente modesto en la molécula de azúcar, la eliminación de un solo átomo de oxígeno o un solo átomo de hidrógeno, por ejemplo.
El propósito de estas reacciones es liberar la energía almacenada en la molécula de azúcar. Para explicar ese proceso, hay que saber que una molécula de azúcar está formada por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno que se mantienen unidos mediante enlaces químicos. Un enlace químico es una fuerza de atracción entre dos átomos. Esa fuerza de atracción es una forma de energía. Una molécula de azúcar con dos docenas de enlaces químicos puede considerarse que contiene dos docenas de pequeñas unidades de energía. Cada vez que se rompe un enlace químico, se libera una unidad de energía.
Las células han desarrollado métodos notables para capturar y almacenar la energía liberada en las reacciones catabólicas. Estos métodos hacen uso de compuestos químicos muy especiales, conocidos como portadores de energía. Un ejemplo de estos compuestos es el trifosfato de adenosina, generalmente conocido como ATP. El ATP se forma cuando un compuesto más simple, el difosfato de adenosina (ADP), se combina con un grupo fosfato. La siguiente ecuación representa ese cambio:
ADP + P → ATP
El ADP se combinará con un grupo fosfato, como se muestra aquí, sólo si se le añade energía. En las células, esa energía proviene del catabolismo de los compuestos del pool metabólico, como los azúcares, el glicerol y los ácidos grasos. En otras palabras:
catabolismo: azúcar → dióxido de carbono + agua + energía;
energía del catabolismo + ADP + P → ATP
La molécula de ATP así formada, pues, ha tomado la energía previamente almacenada en la molécula de azúcar. Cada vez que una célula necesita energía para algún proceso, puede obtenerla de una molécula de ATP.
En el interior de las células también tiene lugar el proceso inverso al mostrado anteriormente. Es decir, la energía de una molécula de ATP puede usarse para unir moléculas más simples para hacer moléculas más complejas. Por ejemplo, supongamos que una célula necesita reparar una rotura en su pared celular. Para ello, necesitará producir nuevas moléculas de proteínas. Esas moléculas de proteína pueden fabricarse a partir de los aminoácidos de la reserva metabólica. Una molécula de proteína está formada por cientos o miles de moléculas de aminoácidos unidas entre sí:
Aminoácido 1 + aminoácido 2 + aminoácido 3 + (y así sucesivamente) → una proteína
La energía necesaria para formar todos los nuevos enlaces químicos necesarios para mantener unidas las unidades de aminoácidos proviene de las moléculas de ATP. En otras palabras:
energía del ATP + muchos aminoácidos → molécula de proteína
Las reacciones por las que se metaboliza un compuesto difieren para varios nutrientes. Además, pueden intervenir otros portadores de energía distintos del ATP. Por ejemplo, el compuesto conocido como nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH) también participa en el catabolismo y anabolismo de diversas sustancias. Sin embargo, el esquema general mostrado anteriormente se aplica a todas las reacciones metabólicas.