24.1: Visión general de las reacciones metabólicas

Objetivos de aprendizaje

• Describir el proceso por el cual los polímeros se descomponen en monómeros
• Describir el proceso por el cual los monómeros se combinan en polímeros
• Discutir el papel del ATP en el metabolismo
• Explicar las reacciones de oxidación-reducción
• Describir las hormonas que regulan las reacciones anabólicas y catabólicas

Los procesos metabólicos se producen constantemente en el cuerpo. El metabolismo es la suma de todas las reacciones químicas que están involucradas en el catabolismo y el anabolismo. Las reacciones que rigen la descomposición de los alimentos para obtener energía se denominan reacciones catabólicas. Por el contrario, las reacciones anabólicas utilizan la energía producida por las reacciones catabólicas para sintetizar moléculas más grandes a partir de otras más pequeñas, como cuando el cuerpo forma proteínas al unir aminoácidos. Ambos conjuntos de reacciones son críticos para mantener la vida.

Debido a que las reacciones catabólicas producen energía y las reacciones anabólicas utilizan energía, idealmente, el uso de energía equilibraría la energía producida. Si el cambio neto de energía es positivo (las reacciones catabólicas liberan más energía de la que usan las reacciones anabólicas), entonces el cuerpo almacena el exceso de energía construyendo moléculas de grasa para el almacenamiento a largo plazo. Por otro lado, si el cambio neto de energía es negativo (las reacciones catabólicas liberan menos energía de la que usan las reacciones anabólicas), el cuerpo utiliza la energía almacenada para compensar la deficiencia de energía liberada por el catabolismo.

Reacciones Catabólicas

Las reacciones catabólicas descomponen las moléculas orgánicas grandes en moléculas más pequeñas, liberando la energía contenida en los enlaces químicos. Estas liberaciones de energía (conversiones) no son 100 por ciento eficientes. La cantidad de energía liberada es menor que la cantidad total contenida en la molécula. Aproximadamente el 40 por ciento de la energía producida por las reacciones catabólicas se transfiere directamente a la molécula de alta energía adenosina trifosfato (ATP). El ATP, la moneda de energía de las células, se puede usar inmediatamente para alimentar máquinas moleculares que apoyan la función celular, tisular y orgánica. Esto incluye la construcción de nuevo tejido y la reparación del tejido dañado. El ATP también se puede almacenar para satisfacer las futuras demandas de energía. El 60 por ciento restante de la energía liberada por las reacciones catabólicas se emite como calor, que absorben los tejidos y fluidos corporales.

Estructuralmente, las moléculas de ATP consisten en una adenina, una ribosa y tres grupos fosfato (Figura\(\PageIndex{1}\)). El enlace químico entre el segundo y tercer grupo fosfato, denominado enlace de alta energía, representa la mayor fuente de energía en una célula. Es el primer enlace que rompen las enzimas catabólicas cuando las células requieren energía para hacer el trabajo. Los productos de esta reacción son una molécula de adenosina difosfato (ADP) y un grupo fosfato solitario (P _i). ATP, ADP y P _i se ciclan constantemente a través de reacciones que construyen ATP y almacenan energía, y reacciones que descomponen ATP y liberan energía.

Figura\(\PageIndex{1}\): Estructura de la Molécula de ATP. El trifosfato de adenosina (ATP) es la molécula energética de la célula. Durante las reacciones catabólicas, se crea ATP y la energía se almacena hasta que se necesita durante las reacciones anabólicas.

La energía del ATP impulsa todas las funciones corporales, como contraer los músculos, mantener el potencial eléctrico de las células nerviosas y absorber alimentos en el tracto gastrointestinal. Las reacciones metabólicas que producen ATP provienen de diversas fuentes (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): Fuentes de ATP. Durante las reacciones catabólicas, las proteínas se descomponen en aminoácidos, los lípidos se descomponen en ácidos grasos y los polisacáridos se descomponen en monosacáridos. Estos bloques de construcción se utilizan entonces para la síntesis de moléculas en reacciones anabólicas.

De los cuatro grupos macromoleculares principales (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) que se procesan por digestión, los carbohidratos se consideran la fuente de energía más común para alimentar el cuerpo. Toman la forma de carbohidratos complejos, polisacáridos como almidón y glucógeno, o azúcares simples (monosacáridos) como glucosa y fructosa. El catabolismo del azúcar descompone los polisacáridos en sus monosacáridos individuales. Entre los monosacáridos, la glucosa es el combustible más común para la producción de ATP en las células, y como tal, existen una serie de mecanismos de control endocrino para regular la concentración de glucosa en el torrente sanguíneo. El exceso de glucosa se almacena como reserva de energía en el hígado y los músculos esqueléticos como el complejo glucógeno polimérico, o se convierte en grasa (triglicérido) en las células adiposas (adipocitos).

Entre los lípidos (grasas), los triglicéridos se utilizan con mayor frecuencia para obtener energía a través de un proceso metabólico llamado β-oxidación. Alrededor de la mitad del exceso de grasa se almacena en adipocitos que se acumulan en el tejido subcutáneo debajo de la piel, mientras que el resto se almacena en adipocitos en otros tejidos y órganos.

Las proteínas, que son polímeros, se pueden descomponer en sus monómeros, aminoácidos individuales. Los aminoácidos se pueden usar como bloques de construcción de nuevas proteínas o descomponerse aún más para la producción de ATP. Cuando uno está crónicamente hambriento, este uso de aminoácidos para la producción de energía puede llevar a un desgaste del cuerpo, ya que cada vez se descomponen más proteínas.

Los ácidos nucleicos están presentes en la mayoría de los alimentos que consumes. Durante la digestión, los ácidos nucleicos, incluido el ADN y varios ARN, se descomponen en sus nucleótidos constituyentes. Estos nucleótidos son fácilmente absorbidos y transportados por todo el cuerpo para ser utilizados por las células individuales durante el metabolismo de los ácidos nucleicos.

Reacciones Anabólicas

A diferencia de las reacciones catabólicas, las reacciones anabólicas implican la unión de moléculas más pequeñas en otras más grandes. Las reacciones anabólicas combinan monosacáridos para formar polisacáridos, ácidos grasos para formar triglicéridos, aminoácidos para formar proteínas y nucleótidos para formar ácidos nucleicos. Estos procesos requieren energía en forma de moléculas de ATP generadas por reacciones catabólicas. Las reacciones anabólicas, también llamadas reacciones de biosíntesis, crean nuevas moléculas que forman nuevas células y tejidos, y revitalizan órganos.

Regulación Hormonal del Met

Las hormonas catabólicas y anabólicas en el cuerpo ayudan a regular los procesos metabólicos. Las hormonas catabólicas estimulan la descomposición de las moléculas y la producción de energía. Estos incluyen cortisol, glucagón, adrenalina/epinefrina y citocinas. Todas estas hormonas se movilizan en momentos específicos para satisfacer las necesidades del organismo. Las hormonas anabólicas son necesarias para la síntesis de moléculas e incluyen hormona de crecimiento, factor de crecimiento similar a la insulina, insulina, testosterona y estrógeno. Cuadro\(\PageIndex{1}\) resume la función de cada una de las hormonas catabólicas y Cuadro\(\PageIndex{2}\) resume las funciones de las hormonas anabólicas.

Mesa\(\PageIndex{1}\)

Hormonas Catabólicas
Hormona	Función
Cortisol	Liberado de la glándula suprarrenal en respuesta al estrés; su papel principal es aumentar los niveles de glucosa en sangre por gluconeogénesis (descomponer grasas y proteínas)
Glucagón	Liberado de las células alfa en el páncreas ya sea al morir de hambre o cuando el cuerpo necesita generar energía adicional; estimula la descomposición del glucógeno en el hígado para aumentar los niveles de glucosa en sangre; su efecto es lo contrario de la insulina; el glucagón y la insulina son parte de un sistema de retroalimentación negativa que estabiliza los niveles de glucosa en sangre
Adrenalina/epinefrina	Liberado en respuesta a la activación del sistema nervioso simpático; aumenta la frecuencia cardíaca y la contractilidad cardíaca, contrae los vasos sanguíneos, es un broncodilatador que abre (dilata) los bronquios de los pulmones para aumentar el volumen de aire en los pulmones, y estimula la gluconeogénesis

Mesa\(\PageIndex{2}\)

Hormonas anabólicas
Hormona	Función
Hormona del crecimiento (GH)	Sintetizada y liberada de la glándula pituitaria; estimula el crecimiento de células, tejidos y huesos
Factor de crecimiento similar a la insulina (IGF)	Estimula el crecimiento de músculo y hueso al tiempo que inhibe la muerte celular (apoptosis)
Insulina	Producido por las células beta del páncreas; juega un papel esencial en el metabolismo de carbohidratos y grasas, controla los niveles de glucosa en sangre y promueve la captación de glucosa en las células del cuerpo; hace que las células en el músculo, el tejido adiposo y el hígado absorban la glucosa de la sangre y la almacenen en el hígado y el músculo como glucagón; su efecto es el contrario del glucagón; el glucagón y la insulina son parte de un sistema de retroalimentación negativa que estabiliza los niveles de glucosa en sangre
Testosterona	Producido por los testículos en machos y los ovarios en hembras; estimula un aumento en la masa muscular y fuerza así como el crecimiento y fortalecimiento del hueso
Estrógenos	Producido principalmente por los ovarios, también es producido por el hígado y las glándulas suprarrenales; sus funciones anabólicas incluyen aumentar el metabolismo y la deposición de grasa

TRASTORNOS DE LA...

Procesos Metabólicos: Síndrome de Cushing y Enfermedad de Addison

Como podría esperarse para un proceso fisiológico fundamental como el metabolismo, los errores o disfunciones en el procesamiento metabólico conducen a una fisiopatología o, si no se corrige, un estado de enfermedad. Las enfermedades metabólicas son más comúnmente el resultado de proteínas o enzimas que funcionan mal que son críticas para una o más vías metabólicas. El mal funcionamiento de proteínas o enzimas puede ser consecuencia de una alteración o mutación genética. Sin embargo, las proteínas y enzimas que funcionan normalmente también pueden tener efectos nocivos si su disponibilidad no se corresponde adecuadamente con la necesidad metabólica. Por ejemplo, la producción excesiva de la hormona cortisol (ver Tabla) da lugar al síndrome de Cushing. Clínicamente, el síndrome de Cushing se caracteriza por un rápido aumento de peso, especialmente en la región del tronco y la cara, depresión y ansiedad. Cabe mencionar que los tumores de la hipófisis que producen la hormona adrenocorticotrópica (ACTH), que posteriormente estimula la corteza suprarrenal para liberar cortisol excesivo, producen efectos similares. Este mecanismo indirecto de sobreproducción de cortisol se conoce como enfermedad de Cushing.

Los pacientes con síndrome de Cushing pueden presentar niveles altos de glucosa en sangre y tienen un mayor riesgo de volverse obesos. También muestran un crecimiento lento, acumulación de grasa entre los hombros, músculos débiles, dolor óseo (porque el cortisol hace que las proteínas se descompongan para producir glucosa a través de la gluconeogénesis) y fatiga. Otros síntomas incluyen sudoración excesiva (hiperhidrosis), dilatación capilar y adelgazamiento de la piel, lo que puede provocar moretones fáciles. Los tratamientos para el síndrome de Cushing están enfocados en reducir los niveles excesivos de cortisol. Dependiendo de la causa del exceso, el tratamiento puede ser tan sencillo como suspender el uso de ungüentos de cortisol. En los casos de tumores, a menudo se usa cirugía para extirpar el tumor infractor. Cuando la cirugía es inapropiada, la radioterapia puede usarse para reducir el tamaño de un tumor o extirpar porciones de la corteza suprarrenal. Por último, se dispone de medicamentos que pueden ayudar a regular las cantidades de cortisol.

La producción insuficiente de cortisol es igualmente problemática. La insuficiencia suprarrenal, o enfermedad de Addison, se caracteriza por la reducción de la producción de cortisol de la glándula suprarrenal. Puede ser el resultado de un mal funcionamiento de las glándulas suprarrenales —no producen suficiente cortisol— o puede ser consecuencia de la disminución de la disponibilidad de ACTH en la hipófisis. Los pacientes con enfermedad de Addison pueden tener presión arterial baja, palidez, debilidad extrema, fatiga, movimientos lentos o lentos, aturdimiento y antojos de sal debido a la pérdida de sodio y niveles altos de potasio en la sangre (hipercalemia). Las víctimas también pueden sufrir pérdida de apetito, diarrea crónica, vómitos, lesiones en la boca y color de piel irregular. El diagnóstico generalmente implica análisis de sangre y pruebas de imagen de las glándulas suprarrenales y pituitarias. El tratamiento implica terapia de reemplazo de cortisol, que generalmente debe continuarse de por vida.

Reacciones de oxidación-reducción

Las reacciones químicas subyacentes al metabolismo implican la transferencia de electrones de un compuesto a otro por procesos catalizados por enzimas. Los electrones en estas reacciones comúnmente provienen de átomos de hidrógeno, que consisten en un electrón y un protón. Una molécula cede un átomo de hidrógeno, en forma de ion hidrógeno (H ⁺) y un electrón, rompiendo la molécula en partes más pequeñas. La pérdida de un electrón, u oxidación, libera una pequeña cantidad de energía; tanto el electrón como la energía se pasan entonces a otra molécula en el proceso de reducción, o la ganancia de un electrón. Estas dos reacciones siempre ocurren juntas en una reacción de oxidación-reducción (también llamada reacción redox) —cuando un electrón pasa entre moléculas, el donante se oxida y el receptor se reduce. Las reacciones de oxidación-reducción suelen ocurrir en una serie, por lo que una molécula que se reduce se oxida posteriormente, transmitiendo no sólo el electrón que acaba de recibir sino también la energía que recibió. A medida que avanza la serie de reacciones, se acumula energía que se utiliza para combinar P _i y ADP para formar ATP, la molécula de alta energía que el cuerpo utiliza como combustible.

Las reacciones de oxidación-reducción son catalizadas por enzimas que desencadenan la eliminación de átomos de hidrógeno. Las coenzimas funcionan con enzimas y aceptan átomos de hidrógeno. Las dos coenzimas más comunes de reacciones de oxidación-reducción son nicotinamida adenina dinucleótido (NAD) y flavina adenina dinucleótido (FAD). Sus respectivas coenzimas reducidas son NADH y FADH ₂, que son moléculas que contienen energía utilizadas para transferir energía durante la creación de ATP.

Revisión del Capítulo

El metabolismo es la suma de todas las reacciones catabólicas (descomponer) y anabólicas (síntesis) en el cuerpo. La tasa metabólica mide la cantidad de energía utilizada para mantener la vida. Un organismo debe ingerir una cantidad suficiente de alimento para mantener su tasa metabólica si el organismo va a permanecer vivo por mucho tiempo.

Las reacciones catabólicas descomponen moléculas más grandes, como carbohidratos, lípidos y proteínas de los alimentos ingeridos, en sus partes constituyentes más pequeñas. También incluyen la descomposición del ATP, que libera la energía necesaria para los procesos metabólicos en todas las células del cuerpo.

Las reacciones anabólicas, o reacciones biosintéticas, sintetizan moléculas más grandes a partir de partes constituyentes más pequeñas, utilizando ATP como fuente de energía para estas reacciones. Las reacciones anabólicas construyen masa ósea, muscular y nuevas proteínas, grasas y ácidos nucleicos. Las reacciones de oxidación-reducción transfieren electrones a través de moléculas oxidando una molécula y reduciendo otra, y recolectando la energía liberada para convertir P _i y ADP en ATP. Los errores en el metabolismo alteran el procesamiento de carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, y pueden resultar en una serie de estados de enfermedad.

Preguntas de revisión

P. Un monosacárido se forma a partir de un polisacárido ¿en qué tipo de reacción?

A. reacción de oxidación-reducción

B. reacción anabólica

C. reacción catabólica

D. reacción biosintética

Respuesta: C

P. Si las reacciones anabólicas superan las reacciones catabólicas, el resultado será ________.

A. pérdida de peso

B. aumento de peso

C. cambio de la tasa metabólica

D. desarrollo de la enfermedad

Respuesta: B

P. Cuando el NAD se convierte en NADH, la coenzima ha sido ________.

A. reducido

B. oxidado

C. metabolizado

D. hidrolizado

Respuesta: A

P. Las reacciones anabólicas utilizan energía por ________.

A. convertir ADP en ATP

B. eliminación de un grupo fosfato de ATP

C. produciendo calor

D. descomponer las moléculas en partes más pequeñas

Respuesta: B

Preguntas de Pensamiento Crítico

P. Describir cómo se puede alterar el metabolismo.

A. Un aumento o disminución de la masa muscular magra dará como resultado un aumento o disminución en el metabolismo.

P. Describir cómo se puede tratar la enfermedad de Addison.

A. La enfermedad de Addison se caracteriza por bajos niveles de cortisol. Una forma de tratar la enfermedad es dando cortisol al paciente.

Glosario

hormonas anabólicas

hormonas que estimulan la síntesis de nuevas moléculas más grandes

reacciones anabólicas

reacciones que construyen moléculas más pequeñas en moléculas más grandes

reacciones de biosíntesis

reacciones que crean nuevas moléculas, también llamadas reacciones anabólicas

hormonas catabólicas

hormonas que estimulan la descomposición de moléculas más grandes

reacciones catabólicas

reacciones que descomponen moléculas más grandes en sus partes constituyentes

_FADH

molécula de alta energía necesaria para la glucólisis

flavina adenina dinucleótido (FAD)

coenzima utilizada para producir FADH ₂

metabolismo

suma de todas las reacciones catabólicas y anabólicas que tienen lugar en el cuerpo

NADH

molécula de alta energía necesaria para la glucólisis

nicotinamida adenina dinucleótido (NAD)

coenzima utilizada para producir NADH

oxidación

pérdida de un electrón

reacción de oxidación-reducción

(también, reacción redox) par de reacciones en las que se pasa un electrón de una molécula a otra, oxidando una y reduciendo la otra

Colaboradores y Atribuciones

reduction

gaining of an electron

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