Metabolismo para niños
El metabolismo es el conjunto de todos los procesos químicos y físicos que ocurren en tu cuerpo para convertir o usar energía. Piensa en él como la "fábrica" interna de tu cuerpo que trabaja sin parar. Estos procesos incluyen la respiración, la circulación de la sangre, el mantenimiento de la temperatura corporal, la digestión de los alimentos, la eliminación de desechos y el funcionamiento de tu cerebro y nervios.
Todos estos procesos son vitales para que las células de tu cuerpo puedan crecer, reproducirse, mantenerse fuertes y responder a lo que sucede a su alrededor.
El metabolismo se divide en dos partes principales que trabajan juntas:
- Catabolismo: Son las reacciones que liberan energía. Imagina que tu cuerpo "rompe" moléculas grandes, como los azúcares de los alimentos, para obtener la energía que guardan. Un ejemplo es la glucólisis, que descompone la glucosa.
- Anabolismo: Son las reacciones que usan esa energía liberada para "construir" cosas nuevas. Con esta energía, tu cuerpo crea componentes importantes para las células, como las proteínas y los ácidos nucleicos, que son como los bloques de construcción de la vida.
Las enzimas, que son proteínas especiales, son muy importantes en el metabolismo. Ayudan a que todas estas reacciones químicas ocurran de forma rápida y eficiente. La mayoría de estas enzimas se encuentran en el hígado, un órgano clave para muchos procesos del cuerpo.
Las reacciones químicas del metabolismo están muy organizadas en "rutas metabólicas". En estas rutas, una sustancia se transforma en otra, y esa nueva sustancia se convierte en el punto de partida para la siguiente reacción, y así sucesivamente. Es como una cadena de montaje donde cada paso es realizado por una enzima diferente.
El metabolismo de un organismo también decide qué sustancias son buenas para él (nutritivas) y cuáles son dañinas (tóxicas). Por ejemplo, algunas bacterias pueden usar gases que para los animales serían perjudiciales. La velocidad del metabolismo, llamada "tasa metabólica", también influye en cuánta comida necesita un organismo.
Es sorprendente que las rutas metabólicas básicas sean muy parecidas en seres vivos muy diferentes. Por ejemplo, el ciclo de Krebs, una ruta metabólica fundamental, es casi idéntico en una bacteria diminuta como la Escherichia coli y en un animal grande como un elefante. Esto sugiere que estas rutas son muy eficientes y aparecieron muy temprano en la historia de la vida.
Contenido
- ¿Cómo se estudia y se puede influir en el metabolismo?
- Biomoléculas principales: los bloques de construcción de la vida
- Catabolismo: liberando energía
- Anabolismo: construyendo moléculas complejas
- Xenobióticos y metabolismo reductor
- Homeostasis: cómo se regula el metabolismo
- Termodinámica de los organismos vivos
- Tasa metabólica: ¿cuánta energía se usa?
- Galería de imágenes
- Véase también
¿Cómo se estudia y se puede influir en el metabolismo?
Para entender el metabolismo, los científicos suelen estudiar una ruta metabólica específica. Analizan cómo los diferentes elementos se transforman de una sustancia a otra. También purifican las enzimas para ver cómo funcionan y qué las puede detener.
Otro método es identificar todas las moléculas pequeñas presentes en una célula o tejido, lo que se llama metabolómica. Esto ayuda a tener una idea de cómo funcionan las rutas metabólicas.
Hoy en día, con la información de los genomas (el "manual de instrucciones" de un organismo), es posible crear modelos matemáticos complejos que pueden predecir cómo se comportará el metabolismo de una célula entera. Estos modelos son muy útiles para integrar la información de las rutas y las moléculas con los datos de cómo se "expresan" los genes.
Una aplicación práctica de este conocimiento es la ingeniería metabólica. Con esta tecnología, se pueden modificar genéticamente organismos como levaduras, plantas o bacterias para que sean más útiles en la biotecnología. Por ejemplo, se pueden hacer que produzcan más antibióticos o químicos industriales, de una manera más eficiente y con menos desechos.
Biomoléculas principales: los bloques de construcción de la vida
La mayoría de las estructuras de los animales, plantas y microbios están hechas de tres tipos básicos de moléculas: proteínas, glúcidos (también llamados carbohidratos) y lípidos (grasas). El metabolismo se encarga de construir estas moléculas para formar células y tejidos, o de descomponerlas para obtener energía. Muchas de estas moléculas pueden unirse para formar macromoléculas más grandes, como el ácido desoxirribonucleico (ADN) y las proteínas, que son esenciales para la vida.
Aquí tienes una tabla de las biomoléculas más comunes:
| Tipo de molécula | Unidades básicas (monómeros) | Formas grandes (polímeros) |
|---|---|---|
| Proteínas | Aminoácidos | Polipéptidos |
| Carbohidratos | Monosacáridos | Polisacáridos |
| Ácidos nucleicos | Nucleótidos | Polinucleótidos |
Aminoácidos y proteínas
Las proteínas están formadas por aminoácidos unidos en una cadena. Las enzimas, que son proteínas, aceleran las reacciones químicas. Otras proteínas dan forma a las células, ayudan en la comunicación entre ellas y participan en la defensa del cuerpo.
Lípidos (grasas)
Los lípidos son un grupo muy diverso de moléculas. Su función principal es formar parte de las membranas de las células y servir como reserva de energía. Las grasas son un tipo de lípidos que incluyen ácidos grasos y glicerol.
Carbohidratos
Los carbohidratos son las moléculas biológicas más abundantes. Tienen varias funciones en la célula: almacenan energía (como el almidón en las plantas y el glucógeno en los animales) y forman parte de estructuras (como la celulosa en las plantas). Los carbohidratos más simples se llaman monosacáridos, como la glucosa, que es muy importante. Los monosacáridos pueden unirse para formar polisacáridos más grandes.
Nucleótidos
Los nucleótidos son las unidades que forman el ADN y el ARN, que son cruciales para guardar y usar la información genética. El ADN se repara y se duplica para asegurar que la información se transmita correctamente. Algunos virus usan ARN para su información genética. Los nucleótidos también actúan como "ayudantes" en muchas reacciones metabólicas.
Coenzimas
El metabolismo implica muchísimas reacciones químicas. Para que sean eficientes, las células usan un pequeño grupo de "intermediarios" llamados coenzimas. Estas coenzimas ayudan a transferir grupos químicos entre diferentes reacciones.
La coenzima más importante es el adenosín trifosfato (ATP). El ATP es como la "moneda de energía" de la célula, transfiriendo energía química entre las reacciones. Aunque las células solo tienen una pequeña cantidad de ATP en un momento dado, lo regeneran continuamente, ¡tanto que tu cuerpo puede usar su propio peso en ATP al día! El ATP conecta el catabolismo (que lo produce) con el anabolismo (que lo consume).
Las vitaminas son compuestos orgánicos que el cuerpo necesita en pequeñas cantidades y no puede fabricar por sí mismo. Muchas vitaminas funcionan como coenzimas modificadas. Por ejemplo, la [[nicotinamida adenina dinucleótido (NAD)]], que es un derivado de la vitamina B, es una coenzima clave que ayuda a transportar electrones en muchas reacciones.
Minerales y cofactores
Los elementos inorgánicos también son muy importantes en el metabolismo. Algunos, como el sodio y el potasio, son abundantes, mientras que otros, como el zinc y el hierro, se necesitan en cantidades muy pequeñas.
Los iónes, como el sodio, potasio, calcio y magnesio, actúan como electrolitos. Son vitales para mantener el equilibrio de líquidos en las células y para el funcionamiento de los nervios y los músculos.
Los metales de transición, como el zinc y el hierro, son cofactores en muchas proteínas, incluyendo enzimas como la catalasa y proteínas que transportan oxígeno como la hemoglobina. Los cofactores son como "ayudantes" que se unen a las proteínas para que puedan funcionar correctamente.
Catabolismo: liberando energía
El catabolismo es el conjunto de procesos metabólicos que liberan energía. Esto incluye la descomposición de las moléculas de los alimentos y otras reacciones que capturan energía. El objetivo del catabolismo es proporcionar energía, poder para reducir otras moléculas y los componentes necesarios para las reacciones de construcción (anabolismo).
En los animales, estas reacciones transforman moléculas orgánicas complejas en otras más simples, como dióxido de carbono y agua. En organismos que hacen fotosíntesis, como las plantas, estas transferencias de electrones no liberan energía, sino que la usan para almacenar energía solar.
El catabolismo en animales se puede dividir en tres etapas: 1. Las moléculas grandes (proteínas, carbohidratos, grasas) se digieren en unidades más pequeñas fuera de las células. 2. Esas unidades pequeñas entran en las células y se convierten en moléculas aún más pequeñas, como el acetil-coenzima A, liberando energía. 3. El acetil-coenzima A se oxida a agua y dióxido de carbono, liberando más energía que se guarda en la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido (NADH).
En resumen, el catabolismo va de moléculas grandes a moléculas más simples, y finalmente a compuestos inorgánicos como el dióxido de carbono, el agua y el amoníaco.
Digestión
Las moléculas grandes de los alimentos, como el almidón o las proteínas, no pueden ser absorbidas directamente por las células. Primero deben ser descompuestas en unidades más simples. Esto lo hacen enzimas digestivas, como las que digieren proteínas en aminoácidos, o las que descomponen carbohidratos en azúcares simples, o las que digieren grasas en ácidos grasos y glicerol.
Los microbios liberan estas enzimas al exterior, mientras que en los animales, estas enzimas se secretan en el aparato digestivo. Una vez que las moléculas son pequeñas, las células las absorben.
Energía de los compuestos orgánicos
El catabolismo de los carbohidratos es la descomposición de los hidratos de carbono en unidades más pequeñas. Una vez que los azúcares simples entran en la célula, la ruta principal de descomposición es la glucólisis, que transforma azúcares como la glucosa en piruvato y produce algo de ATP. El piruvato se convierte en acetil-coenzima A, que entra en el ciclo de Krebs. Aunque el ciclo de Krebs produce más ATP, su producto más importante es el NADH.
Las grasas se descomponen en ácidos grasos y glicerol. El glicerol entra en la glucólisis, y los ácidos grasos se descomponen para liberar acetil-coenzima A, que también entra en el ciclo de Krebs. Las grasas liberan más energía que los carbohidratos al oxidarse.
Los aminoácidos se usan principalmente para construir proteínas. Solo el exceso de aminoácidos se oxida para obtener energía, liberando urea y dióxido de carbono.
Fosforilación oxidativa
En la fosforilación oxidativa, los electrones liberados de las moléculas de alimento se transfieren al oxígeno, y la energía liberada se usa para producir adenosín trifosfato (ATP). Esto ocurre en las mitocondrias de las células eucariotas (las que tienen núcleo).
Una serie de proteínas en la membrana de la mitocondria, llamada cadena de transporte de electrones, usa la energía de los electrones para "bombear" protones a través de la membrana. Esto crea una diferencia de concentración de protones, como una "pila" de energía. Cuando los protones vuelven a entrar en la mitocondria a través de una enzima llamada ATP-sintasa, esta enzima gira y produce ATP.
Energía de los compuestos inorgánicos
Algunos procariotas (organismos sin núcleo definido) obtienen energía de compuestos inorgánicos, como el hidrógeno o el amoníaco. Estos procesos son muy importantes en los ciclos biogeoquímicos de la Tierra, como el ciclo del nitrógeno, que es esencial para la fertilidad del suelo.
Energía de la luz
La energía solar es capturada por plantas, cianobacterias y algunos otros organismos. Este proceso, llamado fotosíntesis, convierte el dióxido de carbono en compuestos orgánicos.
La captura de energía solar es similar a la fosforilación oxidativa, ya que también almacena energía en gradientes de protones para producir ATP. En las plantas, el fotosistema II usa la energía solar para obtener electrones del agua, liberando oxígeno. Estos electrones luego fluyen a través de una serie de proteínas que bombean protones, lo que lleva a la síntesis de ATP. Los electrones también pueden usarse para reducir la coenzima NADP+, que se usará en el ciclo de Calvin para construir azúcares.
Anabolismo: construyendo moléculas complejas
El anabolismo es el conjunto de procesos metabólicos que construyen moléculas complejas usando la energía liberada por el catabolismo. Es como la parte de la fábrica que ensambla los productos. Las moléculas complejas que forman las estructuras de las células se construyen a partir de precursores más simples.
El anabolismo tiene tres etapas: 1. Producción de precursores (como aminoácidos, azúcares simples y nucleótidos). 2. Activación de esos precursores usando la energía del ATP. 3. Ensamblaje de los precursores en moléculas más complejas (como proteínas, polisacáridos, lípidos y ácidos nucleicos).
Los organismos varían en su capacidad para construir moléculas. Los organismos autótrofos, como las plantas, pueden construir sus propias moléculas orgánicas complejas a partir de cosas simples como dióxido de carbono y agua. Los organismos heterótrofos, como los animales, necesitan obtener moléculas más complejas (como azúcares y aminoácidos) de su alimento.
A diferencia del catabolismo, el anabolismo generalmente consume energía y construye moléculas más complejas a partir de otras más simples.
Fijación del carbono
La fotosíntesis es un ejemplo clave de anabolismo. Es la síntesis de glucosa a partir de energía solar, dióxido de carbono (CO2) y agua, liberando oxígeno. Este proceso usa el ATP y el NADPH producidos por la captura de luz para convertir el CO2 en azúcares. La enzima RuBisCO es fundamental en este proceso, que forma parte del ciclo de Calvin.
Existen diferentes tipos de fotosíntesis en las plantas (C3, C4 y CAM) que se adaptan a distintas condiciones ambientales, como la luz intensa o la sequía.
Carbohidratos
En el anabolismo de los carbohidratos, se pueden sintetizar azúcares simples como la glucosa y luego polisacáridos como el almidón. La creación de glucosa a partir de compuestos que no son carbohidratos (como el piruvato o los aminoácidos) se llama gluconeogénesis. Esta ruta no es simplemente lo contrario de la glucólisis, ya que usa enzimas diferentes en algunos pasos para evitar que ambas rutas funcionen al mismo tiempo sin sentido.
Una vez que se han fabricado los azúcares simples, se pueden unir para formar polímeros más grandes, como el glucógeno (proceso llamado glucogénesis).
Ácidos grasos, isoprenoides y esteroides
Los ácidos grasos se construyen a partir de unidades de acetil-coenzima A. Las enzimas que los sintetizan varían entre animales, hongos, plantas y bacterias.
Los terpenos y los isoprenoides son tipos de lípidos que incluyen los carotenoides (pigmentos de plantas). Se sintetizan uniendo unidades de isopreno. Estos precursores se pueden fabricar de diferentes maneras, por ejemplo, a partir de acetil-coenzima A en animales. Una reacción importante que usa estos precursores es la biosíntesis de esteroides, como el colesterol.
Proteínas
Los organismos varían en su capacidad para fabricar los veinte aminoácidos conocidos. Las bacterias y las plantas pueden sintetizar todos, pero los mamíferos solo pueden fabricar diez. Los otros diez, llamados aminoácidos esenciales, deben obtenerse de la comida.
Los aminoácidos se unen para formar proteínas mediante enlaces peptídicos. Cada proteína tiene una secuencia única de aminoácidos, que determina su forma y función. Los aminoácidos se activan y luego son ensamblados por los ribosomas, que "leen" la información de una molécula de ARN mensajero para construir la cadena de la proteína.
Síntesis de nucleótidos
Los nucleótidos se construyen a partir de aminoácidos, dióxido de carbono y ácido fórmico. Este proceso requiere mucha energía. Por eso, los organismos tienen sistemas eficientes para reciclar los nucleótidos ya existentes.
Xenobióticos y metabolismo reductor
Los organismos están constantemente expuestos a sustancias químicas que no pueden usar como alimento y que podrían ser dañinas si se acumularan. Estas sustancias se llaman xenobióticos. Los xenobióticos, como algunos químicos sintéticos o venenos naturales, son "detoxificados" por un grupo de enzimas especiales.
Este sistema de enzimas funciona en tres etapas: 1. Oxida los xenobióticos (fase I). 2. Les añade grupos solubles en agua (fase II). 3. El xenobiótico modificado puede ser expulsado de la célula o del organismo (fase III).
En la naturaleza, estas reacciones son muy importantes para la biodegradación microbiana de contaminantes. Los microbios, debido a su gran diversidad, pueden descomponer una gama más amplia de xenobióticos que los organismos más grandes.
Un problema relacionado en los organismos que usan oxígeno es el "estrés oxidativo", causado por moléculas reactivas de oxígeno. Estas moléculas dañinas son neutralizadas por sustancias antioxidantes y enzimas como las catalasas.
Un ejemplo de cómo el cuerpo maneja los xenobióticos es la forma en que el hígado procesa y elimina ciertas sustancias.
Homeostasis: cómo se regula el metabolismo
El ambiente de los organismos cambia todo el tiempo, por lo que las reacciones metabólicas se regulan para mantener un equilibrio interno en la célula, un estado llamado homeostasis. Esta regulación permite que los organismos respondan a los cambios y se adapten a su entorno.
Hay dos conceptos importantes para entender cómo se controla el metabolismo:
- Regulación: Cómo una enzima aumenta o disminuye su actividad en respuesta a señales.
- Control: Cómo esos cambios en la actividad de la enzima afectan la velocidad general de la ruta metabólica.
El metabolismo se regula a varios niveles. En la regulación interna, la ruta metabólica se ajusta a sí misma según los niveles de las sustancias que usa o produce. Por ejemplo, si hay menos producto final, la ruta puede acelerarse para compensar.
En el control externo, una célula de un organismo multicelular cambia su metabolismo en respuesta a señales de otras células. Estas señales suelen ser hormonas o factores de crecimiento, que son detectadas por receptores especiales en la superficie de la célula.
Un ejemplo de control externo es cómo la insulina regula el metabolismo de la glucosa. Cuando el azúcar en la sangre aumenta, se produce insulina. La insulina hace que las células absorban glucosa para almacenarla como glucógeno o grasas. El metabolismo del glucógeno es controlado por dos enzimas que trabajan de forma opuesta: una lo descompone y otra lo sintetiza. La insulina activa la síntesis de glucógeno.
Termodinámica de los organismos vivos
Los organismos vivos deben seguir las leyes de la termodinámica. La segunda ley de la termodinámica dice que en un sistema cerrado, el desorden (entropía) tiende a aumentar. Aunque los seres vivos son muy complejos y organizados, esto es posible porque son "sistemas abiertos" que intercambian materia y energía con su entorno.
Los seres vivos no están en un equilibrio estático, sino en un "equilibrio estacionario". Mantienen su complejidad creando más desorden en su entorno. El metabolismo de una célula logra esto al equilibrar los procesos de catabolismo (que liberan energía y aumentan el desorden) con los procesos de anabolismo (que usan energía para construir y crear orden). En resumen, el metabolismo mantiene el orden dentro del organismo al generar desorden fuera de él.
Tasa metabólica: ¿cuánta energía se usa?
La tasa metabólica es la velocidad a la que un organismo transforma la energía química en calor y trabajo. Es una medida fundamental de cuánta energía consume, transforma y gasta un organismo.
En los animales que obtienen energía oxidando compuestos de carbono, la tasa metabólica es igual a la tasa de respiración. En los organismos que hacen fotosíntesis, como las plantas, la tasa metabólica es igual a la tasa fotosintética.
Tasa metabólica basal, estándar y de campo
En los animales de sangre caliente (endotermos), como los mamíferos, la temperatura corporal se mantiene constante gracias a la tasa metabólica, sin importar mucho la temperatura exterior. Existe un rango de temperatura ambiental, llamado "zona termoneutral", donde la tasa metabólica no cambia. Si la temperatura baja o sube demasiado, el metabolismo aumenta para mantener la temperatura corporal.
La tasa metabólica basal (TMB) es la energía que un animal de sangre caliente consume en reposo, en ayunas y en su zona de temperatura ideal.
En los animales de sangre fría (ectotermos), como los reptiles, la temperatura corporal depende de la temperatura ambiental, y por lo tanto, su tasa metabólica también cambia con la temperatura. La tasa metabólica estándar (TME) es la tasa metabólica de un ectotermo en reposo, sin estrés y en ayunas, a una temperatura específica.
La tasa metabólica de campo (TMC) es la tasa promedio de uso de energía de un animal mientras realiza sus actividades normales en la naturaleza, desde el reposo hasta el ejercicio intenso. Esta es la que mejor describe el metabolismo de un animal en su entorno natural.
Galería de imágenes
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Esquema de las principales rutas metabólica.
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Vista simplificada del metabolismo celular
Véase también
En inglés: Metabolism Facts for Kids
