METABOLISMO ENERGÉTICO

METABOLISMO INTERMEDIARIO O ENERGÉTICO

Conjunto de etapas que se producen en el metabolismo de los principios inmediatos y otros elementos que intervienen en el metabolismo.

Por metabolismo (término acuñado por Theodor Schwann) se entiende, como todos aquellos procesos físicos y químicos de un organismo, que convierten o usan energía química en forma de ATP y permiten las diversas actividades de las células, como son las de crecer, reproducirse, mantener sus estructuras, realizar sus funciones específicas y responder a estímulos, entre otras.

Al nivel pluricelular y multiorgánico la 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, funcionamiento del cerebro y los nervios y la regulación por el  sistema endocrino, son todos los sistemas, que de forma  integrada, producen y consumen energía y son necesarios para sustentar el proceso vital por lo tanto, son la base de la regulación homeostática que asegura la supervivencia del sujeto.

Todo organismo, independientemente de su complejidad, necesita  un mínimo de energía química para asegurar sus procesos vitales mínimos. Éste mínimo se denomina METABOLISMO BASAL y se define como:  la cantidad de energía necesaria para mantener los procesos vitales estando en reposo físico y mental, después de 12 horas de ayuno, al nivel del mar y a una temperatura neutra. Para la mayoría de los adultos sanos, el metabolismo basal representa entre el 50-70 % del gasto energético total.

La TASA METABÓLICA BASAL (TMB) se define como la tasa de gasto energético (expresado en kilocalorías o megajulios (MJ) por unidad de tiempo de los organismos endotérmicos^[1]Aquellos capaces de mantener el cuerpo a una temperatura caliente relativamente constante metabolizando la grasa corporal y los carbohidratos. en reposo.

La forma empírica de calcular la tasa metabólica basal es mediante las ecuaciones de Harris-Benedict publicadas en 1919^[2]A Biometric Study of Human Basal Metabolism. J. Arthur Harris and Francis G. Benedict. Proceedings of the National Academy of Sciences. Vol. 4, No. 12 (December 1918): 370–373.:

Hombres: TMB = 66.4730 + (13.7516 x peso en kg) + (5.0033 x altura en cm) – (6.7550 x edad en años)

Mujeres: TMB = 655.0955 + (9.5634 x peso en kg) + (1.8449 x altura en cm) – (4.6756 x edad en años)

En 1990 hubo una revisión por  Mifflin y St Jeor^[3]A new predictive equation for resting energy expenditure in healthy individuals.PDF. Mark D Muffin, Sachiko TSt Jeor, Lisa A Hill, Barbara J Scott, Sandra A Daugherty, and Young 0 Koh, que hace más preciso el cálculo:

donde P es la producción total de calor en reposo completo y s es una constante con un valor de +5 para hombres y -161 para mujeres.

La TMB varía de un individuo a otro. Los factores generales más importantes que influyen en la TMB son el peso, el tamaño, el sexo, la edad, el estado de salud de cada persona, la temperatura exterior, la presión exterior,  el título de hormonas tiroideas en plasma,  el estado de sus sistema endocrino y su estado psicológico. La TMB también depende de la composición corporal, por ejemplo, la cantidad de músculo y tejido adiposo, y por lo tanto de la cantidad de proteína y grasa en el cuerpo.

El metabolismo se entiende como  el proceso global que abarca todas las reacciones bioquímicas que tienen lugar en la célula, donde participan muchos conjuntos enzimáticos, mutuamente relacionados, los cuales permiten el intercambio de materia y energía entre la célula y su entorno.

Las distintas reacciones bioquímicas del metabolismo que se agrupan en una determinada función, se denominan vías o rutas metabólicas (figura 1). Las moléculas intermediarias de la ruta, se conocen como metabolitos. la biomolécula inicial como sustrato y la final como producto de la ruta. Para facilitar y acelerar dichas reacciones, es necesaria la participación de las enzimas y cofactores enzimáticos.

El metabolismo intermediario o energético describe los cambios que ocurren en las moléculas, los cuales originan los productos intermedios, que participan en la síntesis de nuevas moléculas. Las vías metabólicas básicas incluyen glucogénesis, gluconeogénesis, glucogenólisis, glicolisis, lipolisis y lipogénesis. El metabolismo intermediario comprende todas las reacciones relacionadas con el almacenamiento y la generación de energía metabólica y con el empleo de esa energía en la biosíntesis de compuestos de bajo peso molecular y compuestos de almacenamiento de energía.

No se incluye la biosíntesis de los ácidos nucleicos y las proteínas a partir de sus precursores monoméricos.

Figura 1: Ruta metabólica.

Las enzimas son proteínas (y por tanto codificadas genéticamente) esenciales en el metabolismo porque agilizan las reacciones fisicoquímicas, al convertir posibles reacciones termodinámicas deseadas, pero "no favorables", mediante un acoplamiento, en reacciones favorables. Además actúan como factores reguladores de las vías metabólicas, en respuesta al ambiente y a las necesidades de la célula o según señales de otras células. Éstas además, puede actuar como unidades independientes o formando

Los cofactores enzimáticos^[4]son compuestos químicos no proteico (no siempre, un ejemplo es la colipasa) o un ion metálico que se requiere para la actividad de una enzima como catalizador (un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química ). Cada enzima puede necesitar uno o un conjunto de varios para realizar su función.

Los cofactores se pueden dividir en dos tipos:

• iones inorgánicos, (como el magnesio, el hierro, el iodo, el zinc, molibdeno, cobre, potasio, etc).
• coenzimas (moléculas orgánicas complejas). Las coenzimas se derivan principalmente de vitaminas y otros nutrientes esenciales orgánicos en pequeñas cantidades.  Éstas se dividen además en dos tipos:
  • "grupo prostético o protésico", que consiste en una coenzima que está unida de manera estrecha a una proteína.
  •  "cosustratos" y se unen transitoriamente a la proteína.

Dos elementos son esenciales en el metabolismo: Una fuente de carbono y una fuente de energía. Si la fuente de carbono procede de materia inorgánica como el CO₂ atmosférico, el organismo se denomina AUTÓTROFO. Si la fuente de carbono es materia orgánica, el organismo se denomina HETERÓTROFO.

En cuanto a la fuente de energía química (ATP), en los organismos autótrofos, si procede de la energía que se desprende en reacciones químicas inorgánicas, los organismos se denominan QUIMIOSINTÉTICOS. Si la energía química (ATP) procede de la energía lumínica, los organismos se denominan FOTOSINTÉTICOS.

En los organismos heterótrofos tanto la fuente de carbono, como la fuente de energía procede del catabolismo de la materia orgánica del entorno (organismos autótrofos).

Las funciones del metabolismo son:

1. Obtener energía química del entorno, a partir de la luz solar o de la degradación de moléculas ricas en energía.
2. Transformar las biomoléculas nutrientes en  macromoléculas celulares estructurales y/o funcionales.
3. Sintetizar y/o degradar las biomoléculas necesarias para las diferentes funciones celulares propias y orgánicas.

TIPOS DE METABOLISMO: De acuerdo a un criterio bioenergético, se divide en cuatro procesos conjugados, el catabolismo, el anabolismo, el anfibólico y el xenobiótico, todos ellos son procesos acoplados, puesto que depende entre si:

• • Las reacciones o rutas catabólicas liberan energía y son la parte del proceso metabólico que consiste en la degradación de nutrientes orgánicos transformándolos en productos finales simples, con el fin de extraer de ellos energía química útil para la célula. La energía liberada por las reacciones catabólicas es usada en la síntesis del ATP.

Figura 2: Rutas catabólicas.

En el catabolismo se distinguen tres fases. La primera es la fase inicial o FASE I, donde las diferentes macromoléculas iniciales (polisacáridos, grasas y proteínas), son degradadas a sus moléculas unitarias monosacáridos, glicerol, ácidos grasos y aminoácidos). La FASE II y la FASE III, corresponden a la respiración celular que se realiza en la mitocondria, donde si el último aceptor de electrones es el oxígeno molecular, de denomina respiración aeróbica. Por el contrario, si el último aceptor de electrones no es el oxígeno molecular, sino otra molécula como el el H₂, S₂ o N₂, se llama respiración anaeróbica. En ambas, el resultado final es la producción de ATP.

El ATP es la molécula clave en el metabolismo de los seres vivos,  se considera universalmente como la "moneda energética de la célula", ya que al hidrolizar los enlaces fosfato que contiene, se libera una gran cantidad de energía (7.3 Kcal/mol). Un mol de glucosa produce 29 moles de ATP, lo que equivale a 212 Kcal aproximadamente. Como media un adulto necesita ingerir 2500 Kcal diarias.

El catabolismo es idéntico en los organismos autótrofos y en los heterótrofos.

Las reacciones catabólicas involucran reacciones de oxidación acompañadas de liberación de energía y partiendo de una gran variedad de sustratos, se converge en pocos productos finales, normalmente inorgánicos.

• Las reacciones o rutas anabólicas, en cambio, utilizan la energía química producida en las reacciones catabólicas, para recomponer enlaces químicos y construir componentes de las células, como las proteínas, los ácidos nucleicos y los almacenes energéticos. Los procesos anabólicos son procesos metabólicos de construcción, en los que se obtienen moléculas grandes a partir de otras más pequeñas.

El anabolismo es responsable de:

• • El aumento de la masa muscular.
  • La fabricación de los componentes celulares y tejidos corporales y por tanto del crecimiento.
  • El almacenamiento de energía mediante enlaces químicos en macromoléculas orgánicas (almidón, glucógeno, triglicéridos y proteínas).

    Los organismos autótrofos tienen dos tipos de anabolismo. Uno autótrofo donde se parte de materia inorgánica como el CO₂ y el H₂O para obtener moléculas orgánicas sencillas, utilizando energía lumínica o química. El otro, es de tipo heterótrofo pues parte de las moléculas sencillas obtenidas para transformalas en otras más complejas.

    Los organismos heterótrofos solo tienen un tipo de anabolismo heterótrofo.

    Las reacciones anabólicas involucran generalmente reacciones de reducción, que consumen energía y partiendo de unos pocos sustratos se generan una gran variedad de productos.

• Las reacciones o rutas anfibólicas. Son mixtas, tanto catabólicas como anabólicas. Por ejemplo, el ciclo de Krebs cumple un papel crucial en el catabolismo de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos, pero también proporciona precursores para muchas rutas biosintéticas.
• Las reacciones o rutas xenobióticas (o antibióticas)^[5]Los xenobióticos se han definido como sustancias químicas a las que se expone un organismo las cuales son extrínsecas al metabolismo normal de ese organismo.. Este tipo de rutas metabólicas se han desarrollado evolutivamente, frente a la exposición de los organismos a tóxicos naturales o artificiales, propios o externos, los cuales deben ser neutralizados y eliminados para mantener el bienestar del organismo. Un ejemplo es la conjugación glucurónica de diversos fármacos y toxinas.

  Existen rutas metabólicas desarrolladas por los organismos, que mantienen un entorno reductor,  con objeto de eliminar las especies reactivas del oxígeno y evitar el daño resultante. Este ambiente reductor supone un coste importante de energía. Sin embargo, los organismos también han aprendido a utilizar estas especies reactivas de oxígeno (ERO), para defenderse de la presión microbiana externa a través del sistema inmunitario. También las utilizan para la señalización celular.

Todas las rutas metabólicas  centran su acción sobre las biomoléculas orgánicas esenciales para la vida: aminoácidos, monosacáridos (glucosa),  ácidos grasos y glicerol y ácidos nucleicos. Éstas son utilizadas para generar energía química y/o también para  fabricar células y tejidos. Además, son capaces de generar macromoléculas o polímeros esenciales para la vida, como son el ADN o ácido desoxirribonucleico y el ARN a partir de los nucleótidos; proteínas a partir de los aminoácidos; polisacáridos como el glucógeno a partir de la glucosa y grasas a partir de los ácidos grasos libres y el glicerol, etc. Algunas se convierten en depósitos de energía química, mientras que otras adquieren importantes y esenciales funciones en las células..