Todos los seres vivos necesitan de energía para sobrevivir, desde los organismos microscópicos como las bacterias y levaduras hasta los animales de gran tamaño como los elefantes y las ballenas. Esta energía se obtiene mediante el metabolismo de los alimentos consumidos y en el caso de las plantas y las algas marinas, también por el proceso de fotosíntesis. Ambos procesos son realizados por orgánulos celulares especializados conocidos como mitocondrias y cloroplastos.
Los nutrientes necesarios para el crecimiento, desarrollo, reproducción y supervivencia como base de la vida son: los carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos que adquirimos mediante la alimentación, y que posteriormente son digeridos para su mejor asimilación por cada organismo y de esta manera obtener su energía contenida en forma de enlaces químicos. Para entender la energía en los seres vivos, empezaremos definiendo metabolismo.
¿Qué es Metabolismo?
Se le denomina al conjunto de reacciones y procesos que ocurren en los organismos a nivel celular y se subdivide en dos procesos interrelacionados. El primero de ellos es el catabolismo que consiste en el conjunto de reacciones que liberan energía mediante la degradación de compuestos, en este caso, los alimentos que consumimos (Figura 1). El segundo es el anabolismo, que requiere de la energía obtenida para reconstruir compuestos formando nuevos enlaces químicos, éstos que unen a los átomos para formar moléculas y con ello favorecer el desarrollo y crecimiento de los seres vivos, como ocurre con nuestros huesos y músculos. Estos procesos son dependientes y están acoplados.
La principal característica del metabolismo es su alta similitud en la forma que se sintetizan los compuestos y se degradan los alimentos en los seres vivos, donde las reacciones químicas que ocurren en ambos procesos se encuentran conservadas incluso entre especies muy diferentes. De manera que:
-comparándonos con una hormiga, tenemos básicamente el mismo metabolismo-
Biomoléculas Básicas del Metabolismo
El metabolismo se lleva a cabo debido a la formación y degradación de biomoléculas básicas como los son los lípidos, carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos, que a su vez están constituidas por estructuras o compuestos químicos más sencillos denominados monómeros (Cuadro 1, Figura 2).
Los lípidos son compuestos que cumplen diversas funciones en los seres vivos, sirviendo de reserva energética, para el caso de los triglicéridos presentes en la sangre; también desempeñan funciones estructurales dando forma, delimitando y protegiendo nuestras células mediante la formación de fosfolípidos en las membranas celulares; y regulando vías metabólicas y la producción de hormonas en hombres y mujeres (progesterona, testosterona y estrógenos) a través del colesterol en nuestro organismo.
Los carbohidratos también conocidos como glúcidos, sacáridos o comúnmente azúcares, son los compuestos orgánicos más abundantes en la naturaleza, están formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, y poseen una alta cantidad de energía almacenada que se obtiene al ser oxidados (digeridos en el estómago). Éstos cumplen dos funciones fundamentales: como moléculas energéticas directas (glucosa) y de almacenamiento (almidón y glucógeno), además de tener una función estructural, formando la pared celular de microorganismos (levaduras y bacterias) y células vegetales (plantas en general).
Por su parte, las proteínas son las biomoléculas mas versátiles y diversas, formadas por cadenas lineales de aminoácidos unidos entre sí por un enlace característico denominado “enlace peptídico”. Estas estructuras se ensamblan utilizando la información codificada en el ADN, formados por la combinación de los 20 aminoácidos existentes en la naturaleza, algunos de lo cuales somos capaces de sintetizar y otros debemos obtenerlos específicamente de los alimentos consumidos.
Las funciones que desempeñan las proteínas son muy diversas y de acuerdo a ello se clasifican en: Proteínas Catalíticas, realizan reacciones químicas de manera rápida y eficiente en nuestras células; Reguladoras, mantienen en equilibrio las funciones de la célula; Estructurales, dan soporte, resistencia y forma a las células junto con los fosfolípidos; de Transporte, llevando nutrientes dentro de las células y en el organismo; de Defensa, protegen el organismo generando anticuerpos y evitando así enfermedades e infecciones; y finalmente como Receptoras, percibiendo señales dentro y fuera del organismo desencadenando una respuesta celular específica, como es el caso de la insulina que regula los niveles de glucosa en la sangre.
Por último, tenemos a los ácidos nucleicos que están formados por la repetición de subunidades de nucleótidos, dando origen a dos tipos: el ADN (ácido desoxirribonucleico), que contiene dos bases nitrogenadas purínicas, la adenina y la guanina, y dos pirimidínicas, la timina y la citosina; y al ARN (ácido ribonucleico), que contiene también adenina, guanina, citosina y en vez de la timina, uracilo. El ADN está constituido por dos cadenas nucleotídicas paralelas, es la biomolécula que contiene la información genética usada para el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos, y responsable de su transmisión hereditaria a partir de la cual se forman el ARN y las proteínas, lo que se conoce comúnmente como código genético. El ARN por su parte está formado por una cadena simple de ribonucleótidos, y desempeña un papel intermediario dirigiendo la síntesis de proteínas, transmitiendo así la información contenida en el ADN.
Una vez que hemos conocido o recordado las biomoléculas indispensables para la vida, pasaremos a entender los procesos de obtención de energía a nivel celular -la bioenergética-.
Bioenergética
Para entender como se realiza el metabolismo en los organismos y determinar de que manera se obtiene la energía que permite la vida, el estudio de la Bioenergética, nos ha permitido conocer como es la adquisición, el intercambio y la utilización de la energía en los seres vivos. Dentro de ésta, encontramos la energía generada por el movimiento de los átomos y las moléculas, la energía de los enlaces químicos y las interacciones entre moléculas.
Primera Ley.- Todo ello está determinado por leyes y principios básicos, entre los que encontramos la primera ley o de conservación de la energía la cual establece que, aunque la energía se puede convertir de una forma a otra, la energía total del sistema permanece constante; de forma que, una parte de la energía que obtenemos de los alimentos es utilizada para crecer y desarrollarnos, otra para reparar y generar nuevas células, otro tanto produce el calor que mantiene la temperatura de nuestros cuerpos y el resto es eliminado de nuestro organismo, al no poder metabolizarla completamente.
Segunda Ley.- Por su parte, ésta establece que, todos los procesos ya sean químicos o biológicos progresan hacia una situación de desorden. Esto refleja simplemente nuestra concepción del sentido común que “cuando se dejan solas las cosas, éstas no se colocan de la forma más ordenada”. De esta manera, las células son capaces de realizar la conversión de distintas formas de energía y pueden también intercambiarla con su entorno, donde el ATP (trifosfato de adenosina), es la molécula energética que sirve de conexión entre los sistemas que producen y los que utilizan energía de una forma controlada y ordenada.
-Así, la energía está en constante cambio y regeneración, permitiendo el desarrollo de la vida-
Respiración-Oxidación
En los organismos vivos la mayor parte de la energía necesaria para las reacciones metabólicas procede de la oxidación de sustratos orgánicos, los cuales denominamos anteriormente biomoléculas básicas. Este proceso también es conocido como respiración, donde el oxígeno que inhalamos permite la oxidación de los lípidos, carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos que consumimos en los alimentos y generando el CO2 que exhalamos. Dada esta tendencia y a la abundancia de oxígeno en nuestra atmósfera, no es de extrañar que los organismos aerobios hayan adquirido la capacidad de obtener energía a partir del metabolismo oxidativo de estos compuestos (Figura 3).
La mayor parte de la energía metabólica procedente de la oxidación ocurre a través de una serie de pequeños pasos, de acuerdo al tipo de sustrato, donde los carbohidratos son degradados por una ruta de diez pasos llamada glucólisis, los lípidos mediante la β-oxidación (beta-oxidación), las proteínas mediante transaminación o desaminación oxidativa y por último los ácidos nucleicos, que no siempre son degradados en su totalidad, sino que los nucleótidos se reciclan nuevamente. Todas estas rutas metabólicas convergen en la obtención de una molécula en común llamada Acetil-CoA, la cual es posteriormente utilizada por las mitocondrias, que se encargarán de producir el ATP, o molécula energética utilizada por todas las células.
¿Qué son las Mitocondrias?
Las mitocondrias son los orgánulos encargados de generar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad celular, se caracterizan por poseer una doble membrana y en su interior se alojan los complejos respiratorios (I, II, III, IV y V) necesarios para la generación de energía en forma de ATP. Por ello se ha considerado a las mitocondrias como las centrales energéticas de la célula (Figura 3). En ellas la energía es canalizada en forma de cargas positivas (protones H+) y negativas (electrones e−) provenientes de la Acetil-CoA, como ocurre en los polos de las pilas de nuestros celulares, controles remotos y automóviles. Estas cargas generan una corriente eléctrica que permite el movimiento de una proteína motora (el complejo respiratorio V o ATP sintasa), que finaliza con la formación de ATP.
Debido al metabolismo respiratorio de las mitocondrias, la eficiencia que se obtiene para cada molécula de glucosa (azúcar) es de 36 moléculas de ATP y el resto se libera en forma de calor. De lo contrario, sin ayuda de estos orgánulos celulares tan especializados solo obtendríamos 2 ATPs.
-Por esta función tan importante que realizan las mitocondrias, son consideradas la Energía para la Vida-
Para Saber Más:
Mathews C.K., Van Holde K.E., Ahern K.G. 2002. Bioquímica. Pearson Education. 3ª Edición. Capítulo 13-22.
Nelson D.L., Cox M.M. 2009. Lehninger: Principios de Bioquímica. Omega. 5ª Edición. Capítulo 13-23.
C. Mauricio Gómez Gallardo, estudiante del Programa Institucional de Doctorado en Ciencias Biológicas. Laboratorio de Biotecnología Microbiana. Instituto de Investigaciones Químico-Biológicas. UMSNH