Anatomía aplicada: UNIDAD 3: INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO

Introducción

Como ya hemos visto en clase, reponemos nuestros componentes y obtenemos energía mediante reacciones químicas. Al conjunto de reacciones químicas se le denomina metabolismo, y la gran mayoría de estas reacciones ocurren en el interior celular.

-Nuestras células necesitan materia, es decir, compuestos químicos de diferente naturaleza:
· Agua (70-90%).

Molécula de agua

· Sales minerales (Na⁺, Cl^-, Mg²⁺, K⁺,…).

Ión de sodio rodeado por moléculas de agua

· Compuestos orgánicos. La mayoría de los compuestos orgánicos son macromoléculas formadas por unión de moléculas de menor tamaño (ejemplo: glúcidos, lípidos, proteínas,…).

Molécula orgánica

-Nuestras células también necesitan energía, necesaria para:

· Sintetizar compuestos orgánicos. Las grandes moléculas que forman las células son ricas en energía química, moléculas que a su vez, están formadas por moléculas menores, a las que hay que proporcionar energía para conseguir su unión química. Cada célula tiene que fabricar sus propios polímeros (los polímeros sintetizados por otro ser vivo no sirven para reponer las sustancias que necesita una célula). Desde el punto de vista energético, los polímeros más importantes son las proteínas y los polisacáridos.

· Transportar sustancias. Las células han de trasportar, hacia su interior, diversas sustancias a través de las membranas. Como ya hemos visto, las membranas dejan pasar sólo moléculas de pequeño tamaño (por transporte pasivo). Para permitir el paso de algunas moléculas mayores es necesario hacer un gasto energético (transporte activo).

· Permitir movimientos celulares. Muchas células tienen la capacidad de moverse, gracias a orgánulos especializados como los cilios y los flagelos. Otras células realizan movimientos a través de contracciones (como las musculares). Todos estos movimientos necesitan aporte energético para poder realizarse.

La “moneda energética” de las células es el ATP (adenosín trifosfato), es decir, la energía se obtiene y consume en forma de ATP.

Molécula de ATP

El rendimiento de los procesos que producen ATP es similar a los procesos que consumen también ATP (40-50%), el resto se pierde en forma de calor, que se puede utilizar para mantener la temperatura corporal, como veremos más adelante.

Tipos de metabolismo

Debido a que los seres humanos necesitamos materia orgánica para sintetizar nuestros propios compuestos y obtener energía, decimos que somos heterótrofos.

Organismo heterótrofo: a partir de materia orgánica y oxígeno, obtiene energía y compuestos para sintetizar su propia materia orgánica

Para obtener energía, normalmente nuestro organismo quema la materia orgánica con oxígeno, que es lo que conocemos como metabolismo aerobio. Sin embargo, en algunas ocasiones puntuales se obtiene energía sin utilizar oxígeno, que es lo que conocemos como metabolismo anaerobio.

Como ya hemos visto, unas moléculas se transforman en otras mediante las rutas metabólicas o metabolismo. Dentro de este apartado, ya sabemos que el metabolismo consta de catabolismo y anabolismo. Veamos más acerca de estos dos conceptos.

Catabolismo

Conjunto de reacciones encargadas de pasar de moléculas complejas a moléculas más sencillas, obteniendo energía mediante la ruptura de enlaces ricos en energía.

Rutas catabólicas

Las funciones del catabolismo son las de:

Obtener energía para el anabolismo.
Obtener energía para el transporte.
Obtener energía para movimientos.
Destruir moléculas gastadas o degradadas.

El rendimiento de los procesos catabólicos es de aproximadamente el 50%. Además, no se obtiene la misma energía de todos los compuestos:

Grasas - 9,2 Kcal/g
Glúcidos - 4,0 Kcal/g
Aminoácidos - 5,4 Kcal/g

Anabolismo

Conjunto de reacciones encargadas de pasar de moléculas sencillas a moléculas más complejas, consumiendo energía, debido a que la formación de enlaces requiere energía.

Rutas anabólicas

Las funciones del anabolismo son las de:

Sintetizar proteínas, lípidos de membrana, etc.
Guardar reservas energéticas de glúcidos (glucógeno) y lípidos (triglicéridos)

Metabolismo a nivel celular

Como ya sabemos, nuestras células necesitan sustancias químicas para obtener energía o para fabricar sus propios componentes celulares, sin embargo muchas veces la misma sustancia química puede servir para obtener energía o como elemento estructural (pero ojo, unas veces sirve para una cosa y otras para otra, no sirve para ambas a la vez). En otras ocasiones, se transforman unas moléculas en otras más útiles para la célula. En cualquier caso, el organismo siempre intenta mantener un ambiente estable e ideal para el buen funcionamiento celular, es decir, que hayan suficientes nutrientes y energía para que todo funcione. Por otra parte, no todos los tipos de células de nuestro cuerpo tienen las mismas necesidades, existen diferencias entre los requerimientos de un adipocito (encargada de almacenar sustancias lipídicas, de reserva, sintetizadas por nuestro organismo), una neurona (que transmite impulsos nerviosos, y por tanto necesita muchos iones del tipo Na⁺ y K⁺) y una fibra muscular (que para que se contraiga necesita grandes cantidades de Ca²⁺).

A continuación veremos algunos tipos de células en función de su metabolismo.

-Células con metabolismo aerobio y en crecimiento, que obtienen energía del medio intercelular

Como ejemplo tenemos las células epiteliales. Este tipo de células necesita glucosa (azúcar), ácidos grasos, aminoácidos y oxígeno para funcionar. Parte de estos materiales los utiliza para fabricar sus proteínas y otras moléculas estructurales. Además, estas células necesitan energía, que obtienen de quemar algunos de estos compuestos, que generalmente son glucosa y ácidos grasos. Como productos de desecho liberan CO₂ y compuestos nitrogenados (urea).

-Células con metabolismo aerobio que obtienen energía de las reservas

Como ejemplo tenemos las células musculares. Este tipo de células realizan grandes esfuerzos al contraerse, por lo que el aporte de glucosa externo es insuficiente y toman parte de las reservas de glucógeno. El aporte de oxígeno también es insuficiente, por lo que ha de aumentar para metabolizar la glucosa (incrementando la ventilación pulmonar para captar más oxígeno y el ritmo cardiaco para transportarlo rápidamente allá donde sea necesario).

-Células con metabolismo anaerobio que obtienen energía de las reservas y del medio intercelular

En este caso nos sirve como ejemplo las células musculares del apartado anterior, pero esta vez cuando realizan un esfuerzo rápido, donde la cantidad de oxígeno es aún insuficiente. Esta vez, la glucosa no se quema, sino que se pasa a piruvato y ácido láctico. El ácido láctico se excreta (algunos autores mantienen la teoría que esta sustancia, excretada fuera de las células, forman cristales que producen dolor, lo que explica la aparición de las agujetas). Este tipo de metabolismo es muy rápido, pero produce poca energía. Se pone en marcha cuando es necesaria una acción muy rápida, como por ejemplo cuando vemos que un coche nos va a arrollar si no nos apartamos a un lado. Como el aporte de oxígeno es insuficiente (no nos da tiempo de tomar suficiente aire), se activa este tipo de metabolismo.

Metabolismo a nivel del organismo

Como ya hemos visto, a nivel celular existe producción de energía y de sustancias útiles para la célula. Sin embargo, existe una función de relación entre las células de cualquier organismo y como hay células muy diversas, también hay sustancias que fabrican unas células pero no otras, por lo que se hace necesario el intercambio de sustancias.

A su vez, según los diferentes tejidos y órganos, existen unos requerimientos de materiales y energía diferentes. Algunos órganos tienen un consumo importante y aproximadamente constante, como por ejemplo el sistema nervioso, el sistema digestivo o el excretor. Otros tienen un consumo variable, como los músculos esqueléticos, el corazón o las glándulas (mamarias, sudoríparas, etc.)

Una de las fuentes para obtener materiales son las reservas del organismo. Algunas de estas reservas se pueden acumular en el propio tejido, pero la mayoría se acumulan en órganos o tejidos especializados. A continuación veremos algunos ejemplos:

· Las células musculares tienen un alto y discontinuo consumo de energía. Almacenan glucógeno y gotas de lípidos.

· La grasa es la mayor reserva de energía del organismo. Se almacena principalmente como grasa subcutánea, en el tejido adiposo.

· El azúcar sobrante de la digestión se almacena en forma de glucógeno en el hígado.

· El oxígeno es imprescindible para el metabolismo aerobio, pero es difícil de acumular. Los músculos logran acumulan parte de este oxígeno en forma de mioglobina.

Intercambio de sustancias entre órganos

Hay órganos cuya función principal es la de exportar sustancias a otros órganos que las acumulan, trasforman o consumen. El órgano más importante del cuerpo en el mantenimiento de los niveles de nutrientes es el hígado. La glucosa obtenida a través de la digestión por el sistema digestivo se acumula en forma de glucógeno en el hígado o en los músculos.

Esquema donde se representa el papel del hígado como reserva de glucosa (en forma de glucógeno) y como órgano encargado de sintetizar glucosa a partir de lactato o ácido láctico, proveniente del metabolismo anaerobio realizado por los músculos en determinadas ocasiones.

Los lípidos obtenidos por el sistema digestivo se acumulan en el tejido adiposo. En según qué casos, el hígado:

Libera glucosa de sus reservas de glucógeno, en caso de bajos niveles sanguíneos.
Trasforma el exceso de glucosa en ácidos grasos.
Sintetiza glucosa a partir del ácido láctico producido por el músculo en metabolismo anaerobio.

Los niveles de metabolitos (las sustancias derivadas del metabolismo) en el medio interno se mantienen aproximadamente constantes, gracias a diversas hormonas como la insulina y el glucagón, que intervienen en los niveles de glucosa. Otras hormonas, como la adrenalina, aumentan los niveles de nutrientes energéticos para prepararnos en situaciones de estrés.

El metabolismo normal de los nutrientes se modifica en casos de falta de alimentos: primero se consumen las reservas de glucógeno en hígado, luego se consumen los triglicéridos del tejido adiposo (la mayor reserva energética del organismo) y por último, se consumen las proteínas.

Necesidades energéticas del organismo

Para mantener las funciones vitales básicas del organismo, hace falta un 60-75% de la energía consumida, lo que se conoce como metabolismo basal. Es decir, el metabolismo basal es el mínimo de energía requerida para llevar a cabo las reacciones metabólicas esenciales, como por ejemplo la respiración.

Algunos tejidos y sistemas que poseen un metabolismo basal importante son, por ejemplo, el sistema nervioso (que está funcionando todo el rato con sus impulsos nerviosos), el sistema circulatorio (que además de no parar de funcionar, necesita renovar las células sanguíneas) o los epitelios como el digestivo o la epidermis (que están renovando células constantemente). Parte de esta energía también se utiliza para mantener la temperatura corporal. Es decir, como uno de los resultados del metabolismo se obtiene energía en forma de calor, que en última instancia procede de la dieta. La energía empleada para la digestión, absorción y metabolismo de los nutrientes es del 6 al 10% del consumo energético total, y se produce desde minutos a horas tras la ingestión del alimento.

Por otra parte, cuando realizamos una actividad muscular, el gasto de energía aumenta y se fuerza a otros órganos a trabajar más, lo que conlleva a consumir más energía. Este consumo representa entre un 15-30% del consumo energético total habitual, y puede aumentar en el caso de actividades con mayor demanda energética. Este es el caso de la musculatura esquelética o la del músculo cardíaco.

Tipo de metabolismo energético según la intensidad de la demanda

Los tejidos y órganos con demanda constante de energía recurren al metabolismo aerobio de glucosa y ácidos grasos. El cerebro prefiere obtener energía a partir de la glucosa, mientras que el músculo cardíaco prefiere metabolizar ácidos grasos. En cualquier caso, el consumo de una u otra sustancia puede variar en función de la abundancia de glucosa o ácidos grasos. En el caso de la musculatura esquelética, que tiene una demanda fluctuante, puede haber diferentes tipos de metabolismo energético, según las necesidades de cada momento y del tipo de actividad que se realice (es diferente caminar 2 horas que hacer los 100 metros lisos en 9 minutos, o dar un salto muy rápido para evitar que un coche nos atropelle).

Lo más habitual en general, es un metabolismo aerobio a partir de glucosa o ácidos grasos como fuente de energía. En casos donde la demanda energética es mayor, se utiliza otro tipo de metabolismo, basado en reservas energéticas que son de rápida movilización (aunque el rendimiento sea menor) y que se tienen que reponer posteriormente.

La secuencia general es como sigue:

ATP celular. Se consume en pocos segundos.
Fosfocreatina. Es capaz de trasferir energía al ATP. Se consume en unos 2 a 7 segundos en ejercicio intenso y unos 15 segundos en moderado. Se recupera en unos 3 minutos de metabolismo aeróbico.
Metabolismo anaeróbico de la glucosa. Ruta metabólica rápida pero con poca obtención de energía. Se consume en 3-5 min en ejercicios moderados. Produce como residuo ácido láctico que ha de ser reconvertido en glucosa en el hígado. Es habitual en los ejercicios musculares rápidos.
Metabolismo aeróbico. Es el que más energía produce pero es lento y requiere oxígeno, además de glucosa, ácidos grasos o aminoácidos. En condiciones normales se metaboliza primero la glucosa del glucógeno de las células y del medio extracelular, con los aportes de oxígeno de la mioglobina y del medio intercelular. Posteriormente se consumen los ácidos grasos del medio y reservas celulares. Sólo excepcionalmente se consumen aminoácidos de manera importante.