12.4: Metabolismo y Control en Organismos
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Como se discute en la Sección 7.8 con respecto al procesamiento de bioquímicos, los organismos vivos procesan continuamente materiales y energía, un proceso llamado metabolismo. La fotosíntesis, que se menciona anteriormente, es el proceso metabólico que proporciona la base de la cadena alimentaria para la mayoría de los organismos. Los animales descomponen los materiales alimenticios complejos en moléculas más pequeñas a través del proceso de digestión. La respiración ocurre a medida que los nutrientes se metabolizan para producir energía:
\[\ce{C6H12O6 (glucose) + 6O2 \rightarrow 6CO2 + 6H2O + energy}\]
Los organismos ensamblan pequeñas moléculas para producir biomoléculas, como proteínas, mediante un proceso de síntesis.
Además de ver el metabolismo como un fenómeno dentro de un organismo individual, se puede considerar que ocurre dentro de grupos de organismos que viven en un ecosistema. Consideremos, por ejemplo, el metabolismo del nitrógeno dentro de un ecosistema. El nitrógeno elemental de la atmósfera puede ser fijado como nitrógeno orgánico por bacterias que viven simbióticamente en las raíces de las plantas leguminosas, luego convertirse en nitrato cuando la biomasa que contiene nitrógeno se descompone. El nitrato puede ser absorbido por otras plantas e incorporado a la proteína. La proteína puede ser ingerida por los animales y el nitrógeno excretado como urea en su orina para sufrir descomposición biológica y regresar a la atmósfera como nitrógeno elemental. El carbono del dióxido de carbono en la atmósfera puede ser incorporado a la biomasa por fotosíntesis de plantas, luego eventualmente devuelto a la atmósfera como dióxido de carbono ya que la biomasa es utilizada como fuente de alimento por los animales.
Enzimas en el metabolismo
En el Capítulo 5, Sección 5.5, los catalizadores se definieron como materiales que permiten que se produzca una reacción sin que ellos mismos sean consumidos. Los organismos vivos tienen catalizadores que son muy importantes en el metabolismo. Estos catalizadores son proteínas especiales que permiten que se produzcan reacciones bioquímicas llamadas enzimas. Las enzimas aceleran las reacciones metabólicas hasta en casi mil millones de veces. Además de hacer que las reacciones vayan mucho más rápidamente, las enzimas suelen ser muy específicas en las reacciones que catalizan. La razón de la especificidad de las enzimas es que tienen estructuras muy específicas que encajan con las sustancias sobre las que actúan.
Las enzimas se discutieron en el Capítulo 7, Sección 7.7, y su acción se ilustró en la Figura 7.9 con respecto a su procesamiento de bioquímicos. El primer paso en la función de las enzimas es la formación reversible de un complejo enzima/sustrato que se forma debido a las formas complementarias de la enzima (más específicamente el sitio activo en la enzima) y el sustrato. El segundo paso es la formación de productos acompañados por la liberación de la molécula enzimática inalterada. Un proceso enzimático muy común llamado hidrólisis implica dividir una molécula acompañada de la adición de agua con un átomo de H que va a uno de los productos y un grupo OH al otro. Se producen otros tipos de reacciones catalizadas por enzimas, incluyendo la unión de dos moléculas, modificaciones de grupos funcionales orgánicos en moléculas de sustrato y reordenamiento de las estructuras de las moléculas.
Los nombres de las enzimas, que suelen terminar en “-asa” suelen reflejar sus funciones y también pueden indicar dónde operan. Un ejemplo es la proteinasa gástrica, nombre que indica que la enzima actúa en el estómago (gástrico) e hidroliza las proteínas (proteinasa). La enzima liberada por el páncreas que hidroliza las grasas se llama lipasa pancreática.
Una serie de factores pueden afectar la acción de las enzimas. Un factor importante es la temperatura. Los organismos sin mecanismos reguladores de la temperatura tienen enzimas que aumentan de actividad a medida que aumenta la temperatura hasta el punto en que el calor daña la enzima, después de lo cual la actividad disminuye precipitadamente con el aumento de la temperatura. Las enzimas en los mamíferos funcionan de manera óptima a temperatura corporal (37° C para los humanos) y son destruidas permanentemente en aproximadamente 60° C. Existe un interés particular en las enzimas que funcionan en bacterias que viven en aguas termales y otras áreas termales donde el agua está en ebullición o cerca de ella. Estas enzimas pueden resultar muy útiles en operaciones de biosíntesis comerciales donde la mayor temperatura permite que las reacciones ocurran más rápido. La concentración de ácido también afecta a las enzimas, como las que funcionan bien en el ambiente ácido del estómago, pero dejan de funcionar cuando se descargan en el ambiente ligeramente básico del intestino delgado (si este no fuera el caso, tenderían a digerir las paredes intestinales).
Una preocupación importante con las sustancias potencialmente tóxicas son sus efectos adversos sobre las enzimas. Como ejemplo, los compuestos organofosforados, como el paratión insecticida y el sarín venenoso militar “gas nervioso” se unen con la acetilcolinesterasa requerida para la función nerviosa, provocando que no actúe y deteniendo la acción nerviosa adecuada. Algunas sustancias hacen que las estructuras proteicas intrincadamente heridas de las enzimas se deshagan, un proceso llamado desnaturalización, que detiene la acción enzimática. Los sitios activos de las enzimas en los que se reconocen sustratos tienen una alta población de grupos -SH. Los metales pesados, como el plomo y el cadmio, tienen una fuerte afinidad por los grupos -SH y pueden unirse en sitios activos enzimáticos destruyendo así la función de las enzimas.
Las enzimas son de gran preocupación en la práctica de la química verde. Una relación obvia es la que existe entre las enzimas y los químicos que son tóxicos para ellas. Al llevar a cabo procesos químicos verdes, dichos productos químicos deben evitarse siempre que sea posible. Otra relación obvia tiene que ver con el uso de procesos biológicos para realizar operaciones químicas, las cuales generalmente se realizan bajo condiciones mucho más suaves y amigables con el medio ambiente biológicamente que químicamente. Todos los procesos bioquímicos son llevados a cabo por enzimas. Por ejemplo, varias enzimas, comenzando con la hexoquinasa, están involucradas en la síntesis de fermentación bioquímica multiescalonada de alcohol etílico a partir de glucosa carbohidrato. Con la tecnología de ADN recombinante (ver Sección 12.8) ahora es posible invertir bacterias con sistemas enzimáticos de otros organismos diseñados para llevar a cabo los procesos bioquímicos deseados. Las bacterias son mucho más susceptibles de manejo y suelen ser mucho más eficientes que los organismos de los que se toman los genes para los sistemas enzimáticos deseados. Otro enfoque es utilizar enzimas aisladas inmovilizadas sobre un soporte sólido para llevar a cabo procesos bioquímicos sin la implicación directa de un organismo.
Nutrientes
Las materias primas que los organismos requieren para su metabolismo son los nutrientes. Los requeridos en mayores cantidades incluyen oxígeno, hidrógeno, carbono, nitrógeno, fósforo, azufre, potasio, calcio y magnesio y se denominan macronutrientes. Las plantas y otros organismos autótroficos utilizan estos nutrientes en forma de especies inorgánicas simples, como H 2 O y CO 2, que obtienen del suelo, el agua y la atmósfera. Los organismos heterotróficos obtienen gran parte de los macronutrientes que necesitan como carbohidratos, proteínas y lípidos (ver Capítulo 7) a partir de material alimenticio orgánico.
Una consideración importante en la nutrición de las plantas es la provisión de fertilizantes consistentes en fuentes de nitrógeno nutritivo, fósforo y potasio. Un gran segmento de la industria manufacturera química está involucrado en la fijación del nitrógeno de la atmósfera como amoníaco, NH 3, y convertirlo en nitrato (NO 3 -), urea (CON 2 H 4), u otros compuestos que se aplican al suelo como nitrógeno Fertilizante. El fósforo se extrae como fosfato mineral que se convierte en fosfato biológicamente disponible (iones H 2 PO 4 - y HPO 4 2-) por tratamiento con ácido sulfúrico o fosfórico. El potasio se extrae como sales de potasio y se aplica directamente como fertilizante. El continuo agotamiento de las fuentes de fósforo y fertilizantes de potasio es un tema de sustentabilidad de gran preocupación.
Los organismos también requieren niveles muy bajos de una serie de micronutrientes, los cuales suelen ser utilizados por enzimas esenciales que permiten que ocurran reacciones metabólicas. Para las plantas, los micronutrientes esenciales incluyen los elementos boro, cloro, cobre, hierro, manganeso, sodio, vanadio y zinc. Las bacterias que fijan el nitrógeno atmosférico requerido por las plantas requieren niveles traza de molibdeno. Los animales requieren en su dieta micronutrientes elementales incluyendo hierro y selenio, así como vitaminas micronutrientes consistentes en pequeñas moléculas orgánicas.
Control en Organismos
Los organismos deben ser cuidadosamente regulados y controlados para que funcionen correctamente. Una función importante de estas funciones reguladoras es el mantenimiento de la homeostasis del organismo, su entorno interno crucial. El medio de control más obvio en los animales es a través del sistema nervioso en el que los mensajes son conducidos muy rápidamente a diversas partes del animal como impulsos nerviosos. Los animales más avanzados tienen un cerebro y médula espinal que funcionan como sistema nervioso central (SNC). Este sofisticado sistema recibe, procesa y envía impulsos nerviosos que regulan el comportamiento y la función del animal. Los efectos sobre el sistema nervioso son siempre una preocupación por las sustancias tóxicas. Por ejemplo, la exposición a solventes orgánicos que disuelven algunos de los lípidos protectores alrededor de las fibras nerviosas puede conducir a una afección en la que las extremidades no funcionan correctamente llamada neuropatía periférica. Por lo tanto, un objetivo importante de la química verde es limitar el uso y la exposición humana a dichos disolventes.
Tanto los animales como las plantas emplean mensajeros moleculares que se mueven de una parte del organismo a otra para llevar mensajes por los cuales se produce la regulación. Los mensajes enviados por estos medios son mucho más lentos que los que transmiten los impulsos nerviosos. Los mensajeros moleculares a menudo son hormonas discutidas como lípidos en la Sección 7.5. Las hormonas son transportadas por un medio fluido en el organismo, como el torrente sanguíneo, a las células donde se unen a proteínas receptoras provocando algún tipo de respuesta deseada. Por ejemplo, el proceso puede hacer que la célula sintetice una proteína para contrarrestar un desequilibrio en la homeostasis. Algunas hormonas llamadas feromonas llevan mensajes de un organismo a otro. Comúnmente sirven como atrayentes sexuales. Algunos medios biológicos de control de plagas utilizan feromonas sexuales para causar confusión sexual en insectos plaguicidas, impidiendo así su reproducción. La Figura 12.2 muestra una hormona vegetal común y una hormona animal común.
En los animales, las hormonas reguladoras son comúnmente liberadas por las glándulas endocrinas que se muestran para los humanos en el Capítulo 7, Figura 7.6. Las glándulas endocrinas en humanos incluyen la glándula pituitaria anterior que libera la hormona del crecimiento humano, la glándula paratiroidea que libera una hormona para estimular la absorción de calcio en la sangre desde los huesos y el tracto digestivo, y el páncreas que libera insulina para estimular la absorción de glucosa de sangre. Estas hormonas son transportadas para apuntar a las células en fluidos externos a las células. Una preocupación importante con las sustancias tóxicas es su potencial para interferir con la función de las glándulas endocrinas. Otra preocupación es que algunas sustancias tóxicas pueden imitar la acción de las hormonas. Por ejemplo, existe evidencia que sugiere que el desarrollo sexual prematuro en algunas niñas pequeñas puede ser causado por la ingestión de químicos sintéticos que imitan la acción de la hormona sexual femenina estrógeno.