TODOS los seres vivos mantienen con el medio ambiente un desequilibrio que los aleja de la muerte. Sólo al morir se destruyen las barreras que separan unos compartimentos de otros, la estructura de órganos, tejidos, células, etc.; y sólo con la muerte se detiene también la actividad extraordinaria de las estructuras todas, desde aquellas que podemos ver, hasta las que pertenecen al mundo microscópico, o submicroscópico inclusive, de las moléculas que participan en el complejo caminar de los sistemas biológicos. ¿Cómo es que se mantiene este orden que representa la vida? Hay, en primer lugar, una complicadísima serie de instrucciones y mecanismos gracias a los cuales todos los organismos vivos cuentan con la información, no sólo para mantenerla, sino para perpetuarla, transmitiéndola a su descendencia. Esa información, a su vez, debe transformarse primero en la realidad de numerosas moléculas y estructuras que son los ejecutores, o los objetos de tales instrucciones.
Como cualquier proceso natural, el fenómeno de la vida, para mantenerse, requiere una gran cantidad de energía; esto es obvio en el caso de algunos de los procesos vitales como el movimiento; sin embargo, el gasto de energía no nos parece tan claro cuando pensamos, por ejemplo, en la digestión o en el pensamiento mismo. Otro de los asuntos que no es claro para el común de las personas, es de dónde viene la energía; cómo es que los alimentos la contienen y cómo la aprovechamos; cómo es que en un principio viene del Sol y nosotros la aprovechamos, y aunque muchos sabemos que son las plantas las encargadas de esto, en general se ignora que hay enormes cantidades de algas, muchas de ellas microscópicas, y bacterias que también pueden capturar la energía del Sol; menos aún se conocen los mecanismos mediante los cuales la energía es capturada por los seres vivos y todavía menos, qué alcances tiene todo esto.
Luego existe el hecho de que los animales, incluyendo al hombre, pueden tomar indirectamente la energía del Sol al ingerir ciertas sustancias que las plantas han acumulado, o a las plantas mismas. De nueva cuenta, al parecer son sólo los especialistas quienes pueden conocer los mecanismos implicados en el aprovechamiento de esta energía necesaria para mantenernos vivos y realizar todas nuestras complicadas funciones.
En suma, toda función implica energía, pero hay numerosos hechos acerca de ella que desconocemos. El conocimiento de todos los procesos que intervienen en las transformaciones de la energía en nuestro organismo, o en general, en los organismos de los seres vivos, es uno de los capítulos más apasionantes de la biología, sobre todo porque en los últimos años se ha podido aclarar buena parte de sus mecanismos.
Es frecuente oír hablar de la necesidad de ingerir alimentos para tener "más fuerzas", "más energía”, "potencia", etc. También se habla de que una persona es muy "fuerte", o de que tiene mucha "energía", pero estos términos habitualmente son vagos, y se les utiliza más como sinónimos de actividad que en su verdadera acepción. Si en este pequeño libro hemos de hablar de los procesos que permiten a los seres vivos obtener la energía de los alimentos o del Sol, y de los sistemas que luego la utilizan para diferentes fines, es importante que definamos primero algunos términos; de esa forma será más fácil entendernos en el curso de las páginas de este libro.
La fuerza. Tal vez la definición más simple que hay es la más antigua, la cual nos dice que es aquello capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo. Ésta puede ser desde la desarrollada por una mesa que sostiene pasivamente un cuerpo, como una máquina de escribir o un cuaderno, hasta la representada por el empuje de un tractor, o la de un músculo que mueve a la vez un hueso, a manera de palanca, para desplazar o levantar un cuerpo.
El trabajo y la energía. Éstos son dos términos equivalentes. El trabajo resulta de aplicar una fuerza sobre un cuerpo y de producir su movimiento a lo largo de un espacio cualquiera, se cuantifica tomando en cuenta la magnitud de la fuerza y el espacio recorrido. La energía es la capacidad, aunque no se haya ejercido, de hacer trabajo; por ejemplo, un coche en movimiento lleva una cantidad de energía que le permite, si se encuentra con algún objeto, moverlo en cierta forma, según la velocidad y la masa o peso que tenga. Ese mismo coche, si yendo a cierta velocidad se topa con un objeto en su camino, realiza trabajo, el cual se puede cuantificar de manera precisa. Hay también energía en un litro de gasolina que al quemarse puede producir el movimiento de un motor, el cual, conectado a las ruedas de un coche, es capaz de desplazar una carga. La energía eléctrica es también del conocimiento común, y resulta aún más clara. Todos sabemos que llega por los cables de la corriente, y que cuando se la utiliza puede realizar trabajo, como el del motor de una lavadora, de una sierra, etc. A lo largo de este pequeño libro veremos que hay muchas otras formas de energía, algunas de las cuales probablemente resulten novedosas para el lector.
La potencia. La potencia de una máquina, por ejemplo, es la capacidad que tiene ésta de realizar cierto trabajo, pero en relación con otra dimensión: el tiempo. Así, un coche que es capaz de subir una cuesta en cinco minutos es mucho más potente que otro que tarda 10 o 15 minutos. Si suponemos que ambos pueden básicamente pesar lo mismo (tienen la misma masa), el trabajo para llevarlos a la parte más elevada de una cuesta es el mismo; sin embargo, la potencia de aquel que tardó cinco minutos es tres veces mayor que la del que tardó 15.
Finalmente, si los conceptos fuerza, trabajo-energía y potencia son diferentes, hay también diferencias en las unidades en que se expresan. Nosotros utilizaremos las unidades de energía-trabajo, las cuales, aunque pueden ser muy diversas, se expresan más comúnmente en el Joule y la caloría. La última representa la cantidad de calor que se requiere para elevar en un grado la temperatura de un gramo de agua. La primera es igual a poco más de cuatro calorías, y fue así denominada en honor al gran científico James Joule, quien realizó un trabajo extraordinario en el campo de la energía. Está además la kilocaloría, caloría grande, o Caloría (con C mayúscula), que es igual a 1 000 calorías pequeñas. Es necesario aclarar, asimismo, que ésta es la unidad que se utiliza sin conocimiento al hablar del valor calórico de los alimentos en la vida diaria.
EN QUÉ SE "UTILIZA" LA ENERGÍA
Existe aún cierta confusión en cuanto a la energía, y tiene que ver precisamente con los términos que se emplean para expresar que en tal o cual proceso "interviene" la energía, se "utiliza", o "se gasta". Es de gran importancia señalar que hay una ley (la cual corresponde a una realidad) que establece que la energía de un sistema no se crea ni se destruye, sino que se transforma. Tal vez con un ejemplo se pueda exponer con mayor claridad el asunto: si un coche gasta tal o cual cantidad de gasolina para subir con un determinado número de pasajeros a una montaña, lo que sucede es lo siguiente:
1. La gasolina, que es un compuesto formado por carbono e hidrógeno, contiene energía química en su molécula, que hace millones de años resultó de la transformación de la energía luminosa del Sol en la energía de los enlaces químicos de este compuesto.
2. Al quemarse esta sustancia, lo que realmente sucede es la combinación de sus elementos con el oxígeno del aire, para dar como resultado la siguiente reacción:
C10H24 + 16 O2 10 CO2 + 12 H2O.
Pero esta ecuación sólo muestra la transformación de los materiales; sabemos, por otra parte, que tiene un componente muy grande de energía. Si la reacción se produce quemando la gasolina en un espacio abierto, esa energía se percibe claramente en forma de calor. Si usamos la gasolina para mover un motor de combustión interna, lo que de hecho sucede es que la energía se transforma, por una parte, en energía mecánica que mueve o provoca el desplazamiento de los pistones, pero irremediablemente hay una parte de ella que de cualquier manera se convierte en calor (por ello los motores necesitan un dispositivo de enfriamiento para liberar la gran cantidad de calor producida).
Si al final del proceso hacemos cálculos, nos daremos cuenta de que, de la energía contenida en los enlaces de la gasolina, en términos estrictos, una parte no ha sido "utilizada", sino que se ha transformado en energía mecánica para subir el coche a la montaña, y otra no se ha "liberado", ni ha desaparecido, sino que se ha transformado en calor.
La energía eléctrica contenida en un acumulador eléctrico, hablando en términos estrictos, no se utiliza" para mover el motor de arranque de un coche, sino que se transforma en energía mecánica a través del motor de arranque, y mueve al motor del coche.
Tal vez con estos ejemplos quede claro que en la naturaleza nunca se puede hablar ni de utilización ni de gasto de energía, sino de su transformación de unas formas en otras; sin embargo, en el uso diario del lenguaje son habituales dichos términos, y seguiremos la misma costumbre en este libro, en donde se habla de gasto, de utilización y de liberación de energía. Son, pues, muchísimas las formas que puede tomar, y de ellas enlistamos algunas a continuación:
—Energía química
—Energía eléctrica
—Energía mecánica
—Energía calorífica
Los seres vivos manifiestan ser transformadores de energía de diferentes maneras. Una muy clara es la capacidad que tienen para generar calor, pero ésta no es sino el resultado de muchas otras formas en las que, como en la combustión de la gasolina por los coches, "sobra", o se "libera" energía, que se transforma en calor durante muchos procesos. Otra de las manifestaciones claras de la capacidad de transformar energía que tienen los seres vivos es el movimiento; independientemente de si se conocen o no los mecanismos, es clara una conexión entre la ingestión de los alimentos y el movimiento. Los mecanismos son muy complicados, pero a fin de cuentas el movimiento, que es una forma de trabajo, representa la transformación de la energía química contenida en los enlaces moleculares de dos alimentos, en energía mecánica.
Hay transformaciones de energía en funciones que son aún más complejas que el movimiento mismo, pero que podemos percibir con claridad; es el caso de muchas de las funciones realizadas por algunos de nuestros órganos, como el corazón, el intestino, nuestro aparato respiratorio, etc. Hay otras más en las cuales no se observa movimiento, y que sin embargo también implican transformaciones de energía; tales son el funcionamiento de nuestros riñones, nuestras glándulas y otros órganos que, no por no tener movimiento significa que no requieran la transformación constante de energía.
Tal vez las funciones más complicadas sean aquéllas realizadas por el sistema nervioso, que en última instancia comprenden al pensamiento mismo. El hecho de que nuestras células nerviosas sean inmóviles no quiere decir que no requieran energía. Poseen una serie enorme de funciones que podríamos considerar parciales, pero cada una de las cuales requiere de energía, o dicho de manera más correcta, implica transformaciones de energía.
Otra de las transformaciones de energía que no vemos, pero que se realiza con gran intensidad en los organismos vivos, está dada por el movimiento de sustancias a través de membranas. Uno de los casos obvios es el paso de los materiales nutritivos por la pared del intestino para ser aprovechados por nosotros; pero hay también movimientos de esas sustancias al interior de las células. Todas ellas deben nutrirse y desechar aquello que no quieren o no necesitan. Es necesario que los materiales alimenticios, el agua y las sales minerales entren en nuestro organismo, pero éste es sólo el primer paso hacia donde en última instancia realmente se les utiliza: las diferentes células de nuestro organismo. Además, durante el aprovechamiento de muchos materiales y durante la realización de muchísimas funciones, se producen también sustancias que deben ser expulsadas de las células, y la mayor parte de sus movimientos involucra cambios de energía de unas formas a otras. Todos los organismos utilizan buena parte de la energía de los materiales de que se alimentan en este proceso de transporte continuo y muy activo de sustancias de unos lugares a otros y hacia dentro o hacia fuera de las células.
Por último, existe otra transformación o uso de energía de gran importancia en los seres vivos. Se trata de la renovación constante de las moléculas que los componen. Nosotros no apreciamos ningún cambio aparente de un día a otro en nuestro perro, o en nuestro gato, ni en nuestros amigos. Sin embargo, estudios cuidadosos han demostrado que las moléculas de los organismos vivos se están renovando; y aunque unas lo hacen con mayor velocidad que otras, al fin de cuentas todas se cambian constantemente por moléculas nuevas. Aun las moléculas que forman parte de nuestro cerebro, y que se nos antojarían inmutables, están renovándose continuamente.
Pero la renovación significa por una parte que las moléculas grandes o complejas deben ser destruidas, o convertidas en componentes más sencillos. Lo habitual es entonces que, al romperlas, la energía química de sus enlaces se transforme en calor, al menos en su mayor parte. La otra fase de la renovación, la síntesis (formación) de las moléculas nuevas, requiere de otra forma de energía diferente al calor, la cual debe provenir de los alimentos y sus transformaciones. Otro de los grandes capítulos de las transformaciones de la energía es la liberación de calor al romperse los enlaces de moléculas grandes, y el ingreso de otras formas de energía para la producción o síntesis de unidades pequeñas, a fin de formar las moléculas nuevas que han de reemplazar a las destruidas.
En suma, las grandes funciones en que se realizan las principales transformaciones de energía en los seres vivos, al menos desde el punto de vista de su cantidad, son:
a) el movimiento,
b) el transporte de nutrientes, y
c) la síntesis de nuevas moléculas.
Asimismo, es necesario insistir en que en toda transformación de energía hay una parte de ella que necesariamente se convierte en calor.
LAS FUENTES DE LA ENERGÍA
La gran fuente de energía de la que dependemos todos los seres vivos es el Sol; desde la educación primaria se nos dice que hay un ciclo de energía y de materiales entre los animales y las plantas, y que está alimentado por la energía del Sol. Este concepto tan simple es sin embargo válido y cierto; sólo que hay que tomarlo con un poco más de propiedad. No es que las plantas "utilicen" la energía del Sol para fabricar ciertas moléculas simples; la verdad es que las plantas toman una pequeña parte de la energía luminosa que llega del Sol a la Tierra y la transforman en la energía química de diferentes sustancias. El caso más simple es el de los azúcares, que se forman según la reacción:
6CO2 + 6H2O C6H12O6.
Pero la energía que contienen seis moléculas de bióxido de carbono y seis moléculas de agua es mucho menor que la de una molécula de glucosa. Por consiguiente, en el proceso de la fotosíntesis se requiere, hay que "utilizar", o es necesario transformar una parte de la energía luminosa que viene del Sol en la energía química que mantiene unidos los átomos en ese azúcar. Esto sucede en un proceso bastante complicado, pero cuyos detalles se conocen en buena parte, tanto en las plantas como en ciertas bacterias fotosintéticas principalmente (véase el capítulo II). En el resto de los capítulos de este librito se habrán de esbozar de manera sencilla los mecanismos implicados en dicha transformación energética.
Esta situación convierte entonces a los vegetales en los organismos más importantes e imprescindibles en el camino de la utilización de la energía del Sol, como transformadores de la energía luminosa en energía de enlaces químicos, fundamentalmente de la glucosa. Además, las plantas también pueden elaborar a partir de la glucosa otros azúcares, así como grasas, y también proteínas, o al menos los componentes de éstas, los aminoácidos. Por otra parte, al mismo tiempo que las plantas nos ofrecen la energía del Sol ya transformada en una especie que podemos aprovechar, la de los enlaces de la glucosa y otras sustancias nos proporciona simultáneamente materiales que también nos sirven para esa constante renovación de todas nuestras moléculas, que ya hemos mencionado. Las plantas, asimismo, producen constantemente el oxígeno indispensable para la vida, según se le conoce hoy en día.
Una vez capturada o transformada la energía del Sol en la de los enlaces de los azúcares y otras sustancias, son los animales los que las ingieren. En ellos, el proceso es un tanto al contrario; ahora se trata de convertir esa energía de los enlaces de las moléculas, proveniente de la luz del Sol, en otra que puedan aprovechar sus células y tejidos a fin de funcionar. Lo que hacen los animales es transformar de nuevo la energía de los enlaces químicos de los azúcares y otras sustancias, en una forma de energía directamente aprovechable por distintos sistemas. Para ello realizan, vista de manera general, la reacción inversa a la que realizaron las plantas:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O.
Pero en el proceso, la energía contenida en los enlaces debe pasar a otra forma que las células puedan utilizar. De la misma manera que un motor de automóvil no puede funcionar si se le da leña o carbón, una fibra muscular no se puede contraer si le agregamos glucosa, aunque ésta contenga energía en los enlaces de sus átomos. Las células deben convertir esa energía en otra forma directamente aprovechable por la fibra muscular, y para eso se utiliza una sustancia llamada ADP, o adenosín difosfato, que en su estructura contiene dos fosfatos. Esta molécula se puede convertir en ATP, adenosintrifosfato, que entonces contiene tres fosfatos, como resultado de un complicado proceso que se describirá también en el capítulo III, y que de hecho supone que la energía de los enlaces de la glucosa se convierta en energía de los enlaces del ATP. Sí ahora agregamos ATP a una fibra muscular, ésta se contrae, pero al mismo tiempo rompe el enlace que se había formado y nos lleva de nuevo a ADP y un fosfato libre.
Esta reacción que tiene lugar durante la contracción de las fibras musculares ocurre en muchos otros procesos que requieren energía. Nunca es directamente la de los enlaces de los azúcares la que se utiliza. El combustible "universal" de las transformaciones de la energía en los seres vivos es el ATP, y se puede utilizar para muchísimos procesos que hemos mencionado antes.
Es natural que nos preguntemos ¿de dónde ha resultado el conocimiento sobre las transformaciones de la energía que tienen lugar en los seres vivos? De hecho, una de las primeras personas que se hizo ya en serio esa pregunta fue el extraordinario sabio Lavoisier, quien a finales del siglo XVIII observó que si se quemaba glucosa en presencia de aire, se producía calor. Pensando que comemos, o que podemos comer glucosa, y que nuestro organismo produce calor, este sabio imaginó y propuso luego que en nuestro organismo también se utiliza la glucosa por un camino que lleva finalmente a su oxidación y a la producción de bióxido de carbono y agua, pero que la energía del azúcar es de alguna forma aprovechada, o transformada, en alguna otra forma de energía aprovechable por el organismo. Es de esperarse que este brillante sabio no tuviera, sin embargo, dada la época en que vivió, la menor idea de los mecanismos que intervienen en las transformaciones de energía en los seres vivos.
Hacia principios del siglo XX se iniciaron apenas los estudios tendientes a entender los mecanismos mediante los cuales las células aprovechan la glucosa. Una de las grandes incógnitas que surgió fue la referente al mecanismo mediante el cual un microbio, la levadura, transformaba la glucosa en alcohol. Esta inquietud era en cierta forma natural, dado que dicho microorganismo ha tenido desde tiempos antiguos una gran importancia para la humanidad en la elaboración de dos productos extraordinarios: el pan y el vino.
A finales de 1933, un alemán, Fritz Lohman, descubrió el adenosintrifosfato (ATP); pero en ese momento no se tuvo idea de su importancia como la "moneda" energética de las células ni de su distribución universal en los seres vivos, sino hasta cinco o diez años después de su descubrimiento. Hay que tener en cuenta que el mundo científico de aquellos años era sumamente reducido.
Otro de los grandes descubrimientos fue el de la molécula conocida como nicotín adenín dinucleótido (NAD) y la defnición de su estructura por el científico alemán Otto Warburg. A lo largo de varios años se aclaró también que esta molécula participa además en las transformaciones de energía de los seres vivos, en un proceso conocido como óxido-reducción, semejante a aquel por el cual los acumuladores de corriente o las pilas eléctricas producen electricidad, y que es un proceso en el cual está implicada una cantidad importante de energía. Se supo así que hay un esquema general, el cual se muestra en la figura 2, que es válido para casi todos los organismos vivos, y según el cual, cuando las moléculas como la glucosa, los ácidos grasos o las proteínas se degradan, se produce energía en la forma de ATP, o como el llamado poder reductor, que no es otra cosa que moléculas como el NAD, que pueden reducirse con la incorporación de átomos de hidrógeno para dar lo que se identifica en la jerga bioquímica como NADH y reoxidarse cuando estos hidrogenos se pierden. Ésta es otra forma de transformar energía.
Para tener una idea de la energía que traen consigo estos cambios de óxido-reducción, baste saber que si dos hidrogenos (en realidad los electrones de estos hidrógenos) del NADH pasan hasta el oxígeno, la cantidad de energía que resulta es de aproximadamente 56 kilocalorías por cada mol. El mol es una unidad de rnedida igual al peso molecular de un compuesto tomado en gramos. Para el ATP, la energía de cada enlace de fosfato es de sólo 7.5 kilocalorías.
Resulta así un esquema metabólico que ha sido integrado por miles de investigadores a lo largo de varios decenios, y el cual permite tener una idea bastante cercana de los cambios de energía que se dan durante las transformaciones de los diferentes metabolitos en las células o, para ser más precisos, en las mitocondrias.
Aunque desde hace mucho tiempo se había descrito a las mitocondrias como pequeños organitos u "organelos" de las células, y se les había observado al microscopio, era prácticamente nulo el conocimiento que se tenía acerca de sus funciones. En 1948, dos investigadores, Schneider y Hogeboom, describieron un método que se antojaba extraordinario, y que abrió enormes posibilidades para la investigación en el mundo de la bioenergética: mediante el uso de una solución adecuada de azúcar común, sacarosa, se podía moler el hígado de una rata de laboratorio preservando la estructura y la función de las mitocondrias, y luego, por centrifugación, separarlas de los otros componentes celulares. Este procedimiento, que en la actualidad se antoja trivial, fue un avance trascendental en la investigación de las transformaciones de la energía. Aunque no se sabía que estos organelos celulares eran los responsables de las transformaciones de la energía, el hecho de tenerlos aislados ofreció a los científicos curiosos la posibilidad de estudiarlos y de definir sus funciones. Pronto (en unos dos decenios) se encontró que eran ellas las responsables de la respiración de las células (que es lo que realmente supone el consumo de oxígeno) y, más aún, que al mismo tiempo que respiraban, realizaban la síntesis del ATP a partir del ADP y el fosfato inorgánico. Se descubrieron los componentes moleculares del sistema que transporta los electrones provenientes originalmente del NADH hacia el exígeno, y los mecanismos generales de formación del agua en este complicado proceso. Sin embargo, el mecanismo de la transformación de la energía propiamente dicho se resistió durante muchos años más a ser aclarado, pese a que fue notable el aumento que hubo de grupos de investigadores interesados en el problema.
De la misma forma, aislaron los cloroplastos de las plantas, que son el equivalente de las mitocondrias de las células animales, y se demostró que estos otros "organelos" son los responsables, y el sitio en el cual se lleva a cabo, de la "captura" de la energía del Sol y los procesos que la acompañan, y que llevan finalmente a la síntesis de la glucosa y otros azúcares utilizando bióxido de carbono, agua y energía luminosa.
Los grupos de investigación acumularon gran cantidad de información, pero muchos de los datos permanecían sin explicación. No fue sino hasta 1961 en que el genio extraordinario de un inglés, Peter Mitchell, integró los conocimientos que se habían acumulado para postular mecanismos generales y así abrir la posibilidad de numerosas investigaciones en todo el mundo, las cuales, en conjunto, han llevado a explicar cómo, de formas diversas, se transforma la energía en los seres vivos conforme a una cadena de sucesos de gran complejidad. Uno de sus grandes méritos fue no sólo proponer, sino haber demostrado la universalidad de los mecanismos generales de transformación de la energía tanto en la mitocondrias y los cloroplastos como en bacterias y en todo organismo vivo, en cada caso con sus particularidades.
Este libro es un intento de presentar al público en general una visión de tan interesante tema, y es propósito de los autores hacerlo en una forma sencilla y clara. En los siguientes capítulos se describirá primero la forma de las transformaciones de la energía luminosa del Sol en otras formas de energía aprovechables, e incluso almacenabíes por las células y tejidos de las plantas, para luego exponer la manera en que va cambiando, la cual resulta en los enlaces químicos de los azúcares en otras formas de energía también aprovechables, principalmente por los animales.
En otros capítulos haremos una descripción de la transformación o aprovechamiento de la energía en otras formas que, integradas, dan finalmente lugar a la vida misma, con el movimiento de los animales, a las diferentes funciones vitales y, en el caso del hombre, a las del sistema nervioso central, que incluyen además de complicadísimos sistemas de control y comunicación entre las células, los mecanismos del pensamiento mismo. Es posible, en última instancia, concebir la vida como una constante transformación de la energía en diferentes formas a través de millones de procesos interconectados. Como casi cualquier otro proceso natural, la vida implica también cambios continuos de las formas de la energía, que la mantienen y sin los cuales necesariamente deja de existir.
LA ENERGÍA DEL MUNDO ANIMAL: EL APROVECHAMIENTO DE LOS ALIMENTOS
COMO ya se mencionó en los capítulos anteriores, las células están compuestas de moléculas, a su vez constituidas en su mayor parte por seis elementos principales, que son: carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre; estos elementos forman 99% de su peso. Por otra parte, el agua es la substancia más abuntante en la célula y ocupa 70% de su peso. El átomo de carbono desempeña un papel importantísimo en la biología, debido a que es capaz de formar moléculas de gran tamaño y variedad, ya que puede formar cadenas o anillos (Figura III.1).
Figura III.1 Cadenas de carbonos.
Los átomos de carbono forman enlaces muy fuertes y resistentes ya sea entre ellos mismos o con otros átomos, los cuales se conocen como enlaces covalentes. Cada átomo de carbono se puede combinar con otros, y formar así un número muy grande y variado de compuestos.
Pero los enlaces, por su propia "fuerza" o energía, representan en realidad la forma en la que nuestras células reciben energía y la pueden utilizar, mediante complicados procesos, que trataremos de analizar en este capítulo.
Antes de empezar, señalaremos el significado de algunos términos que se utilizan con frecuencia al hablar de las transformaciones de las sustancias que se encuentran en los seres vivos. En primer lugar, las células cuentan con caminos para formar moléculas más pequeñas a partir de moléculas grandes, y a este proceso se le llama catabolismo. Hay un proceso inverso, que consiste en la formación de moléculas más grandes, a partir de otras más pequeñas, que recibe el nombre de anabolismo. De forma general, a todo el conjunto de transformaciones que sufren las sustancias en el organismo o en una célula se le llama metabolismo.
LA DEGRADACIÓN DE LAS MOLÉCULAS
Para que las células puedan aprovechar las sustancias en sus distintas funciones deben primero degradarlas. Los procesos de degradación, o catabólicos, ocurren en tres etapas; en la primera, se rompen las grandes moléculas en sus componentes más sencillos, las proteínas en aminoácidos, los carbohidratos en azúcares sencillos y las grasas en ácidos grasos (Figura III.2). Esta degradación de las moléculas grandes libera energía que se disipa en parte en forma de calor. En una segunda etapa, estas pequeñas moléculas son a su vez degradadas para formar moléculas todavía más pequeñas, con la posibilidad de obtener energía útil para la célula. Estas moléculas pequeñas son el piruvato y la acetil coenzima A; el piruvato también a su vez se transforma en acetil coenzima A.
Figura III.2
Para el caso de los azúcares, por ejemplo, en la primera etapa se degradan los polímeros, como el glucógeno, para dar glucosa. En la segunda etapa, la glucosa se degrada para dar piruvato, y éste se convierte en acetil coenzima A. Finalmente, ésta se degrada para darCO2 y H2O. Es necesario señalar que, de las tres etapas, sólo en las dos últimas se obtiene energía aprovechable por la célula, en forma de ATP. La degradación de la glucosa a piruvato u otros compuestos cercanos es probablemente el camino metabólico más antiguo que existe, y todavía algunos organismos lo utilizan para obtener ATP.
El esquema de la figura III.3 se presenta para dar sólo una idea de lo complicada que puede ser una vía metabólica. Con objeto de obtener energía y otras sustancias, tan sólo para partir a la molécula de glucosa en dos fragmentos iguales de piruvato o lactato, se requiere de un gran número de pasos, catalizados cada uno por una enzima diferente. La degradación de la glucosa, o glucólisis, se puede llevar a cabo tanto en ausencia como en presencia de oxígeno. Sin embargo, lo más importante del proceso es que parte de la energía contenida en los enlaces de la glucosa puede transformarse, con bajo rendimiento, en la de los enlaces del ATP, directamente aprovechable por la célula. Pero aunque una molécula de glucosa que se degrada para dar ácido láctico sólo produce dos moléculas de ATP, esta vía puede funcionar a gran velocidad en algunas células, las musculares, por ejemplo. Los atletas que participan en las pruebas rápidas, como por ejemplo la carrera de los 100 metros, obtienen casi toda la energía para la competencia, de esta vía metabólica.
Figura III.3 Glucólisis.
La fermentación es una variante de este proceso de degradación de la glucosa hasta convertirla en CO2 y alcohol; la levadura, durante esta etapa, obtiene toda su energía a partir de la degradación de la glucosa. Es afortunado, en cierta forma, que la vía sea poco eficiente, pues para obtener la energía, estos hongos (las levaduras) deben transformar en alcohol y en CO2 grandes cantidades de glucosa. Por ello, la levadura puede utilizarse en la fabricación de pan, con el objeto de que produzca pequeñas burbujas internas de CO2, que al calentarse en el horno se dilatan y lo vuelven esponjoso. También la levadura puede producir grandes cantidades de alcohol, que pueden ser de gran utilidad en la industria y nos ofrecen, entre otras cosas, la cerveza y el vino.
Por cada molécula de glucosa se obtienen al final del proceso dos moléculas de lactato cuando se recorre el camino completo. y en el caso de la fermentación se producen dos moléculas de etanol (alcohol). Esta vía metabólica, la glucólisis, tiene una gran importancia pues además de proporcionar ATP a la célula, proporciona el piruvato que luego se ha de transformar en acetil coenzima A, que le permite continuar, utilizando otra vía metabólica, con la degradación hasta bióxido de carbono y agua, como veremos a continuación.
Las proteínas que se ingieren en la dieta no se aprovechan como tales, es decir, existen mecanismos de degradación que se llevan a cabo en el tubo digestivo. Mediante procesos más o menos complicados, se digieren para dar sus componentes, los aminoácidos, que se absorben por las paredes del intestino y son aprovechadas por nuestros tejidos. Las enzimas digestivas rompen las moléculas de proteína en fragmentos cada vez más pequeños, hasta degradarlas en sus constituyentes básicos, los aminoácidos, que de esta forma sí pueden ser absorbidos por la pared intestinal. Los aminoácidos se procesan dentro de la célula mediante distintas enzimas, que también pueden convertirlos en acetil coenzima A. No entraremos en los detalles de la transformación química de los aminoácidos; baste saber que sus esqueletos de carbono son utilizados como combustible para alimentar una vía metabólica de extraordinaria importancia, que es comparable con un molino, y cuya descripción completa se debe al trabajo de muchos científicos, pero fue integrada en 1935 por uno de ellos, Hans Krebs, en cuyo honor se le suele dar el nombre de ciclo de Krebs, o de los ácidos tricarboxílicos.
EL CICLO DE KREBS, PARA QUÉ SIRVE
Este ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos es fundamental para el metabolismo energético de la célula, ya que provee o alimenta de hidrógenos a la cadena respiratoria, y sirve de base para la producción de la mayor parte de la energía en los organismos aeróbicos. Se trata de un mecanismo complicado que llevó varios decenios descubrir y entender. En forma muy resumida, puede decirse que se alimenta de acetil coenzima A que proviene, como ya vimos, de los carbohidratos, las grasas y las proteínas. Se dice que es un ciclo porque termina en el mismo compuesto con que se inicia. La serie de transformaciones que se muestran en la figura III.4, señala dos cosas principales, la primera es que el ciclo puede alimentarse de moléculas de dos átomos de carbono (acetatos), que le ofrecen la acetil coenzima A, y durante una vuelta, estos dos átomos de carbono salen en forma de CO2. Pero la finalidad más importante de este ciclo consiste en proporcionar un gran número de hidrógenos, que entran en la cadena respiratoria mitocondrial para ser oxidados (combinarse con el oxígeno), y así dar finalmente moléculas de agua y obtener ATP en el proceso.
Figura III.4 Ciclo de Krebs. Las 8 enzimas que participan en el ciclo son: 1) citrato sintasa; 2) aconitasa; 3) isocitrato deshidrogenasa; 4) a cetoglutarato deshidrogenasa; 5) succinato tio-cinasa 6) succinato-coenzima Q reductasa; 7) fumarasa y 8 ) malato deshidrogenasa.
El fragmento de dos átomos de carbono, el acetato de la acetil CoA, entra al ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs, el cual produce los agentes reductores que a su vez alimentan a la cadena respiratoria, la cual genera la fuerza que se requiere para la síntesis de ATP (véase la figura III.5).
Figura III.5 Moléculas de adenosintrifosfato y adenosindifosfato.
Como ya se mencionó en el capítulo I, la molécula de ATP (Figura III.6) contiene tres grupos fosfato y libera energía cuando se desprende el último de éstos al ser "hidrolizado", al romperse con una molécula de agua. La cantidad de energía que se libera puede en muchos casos servir para que otra reacción química ocurra. Utilizando una analogía de la naturaleza, es como si el agua que corre por un río, que siempre va cuesta abajo, corriera un día cuesta arriba; esto que parece imposible, es lo que la célula tiene que hacer todo el tiempo para sobrevivir y dividirse, ya que en un organismo vivo existe una constante tendencia al desorden o al equilibrio con el medio que la rodea. Para evitar caer en este equilibrio o desorden de manera total, todo organismo vivo debe gastar energía química a partir de la cual se sintetizan componentes celulares o bien se llevan a cabo procesos, como el transporte de nutrientes o el movimiento, que requieren de ella.
Figura III.6 El flujo de energía en los seres vivos.
LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA: EL ATP Y EL PODER REDUCTOR
Como hemos visto, el metabolismo tiene dos componentes, uno de degradación y otro de síntesis; en pocas palabras, la fase degradativa produce ATP y la de síntesis lo utiliza. El ATP es probablemente la molécula más utilizada del organismo; esto ha hecho que un gran número de grupos de investigación en el mundo se hayan interesado en estudiar los mecanismos de síntesis de este compuesto. Veamos en qué consiste este mecanismo conocido como fosforilación oxidativa, cuyo nombre proviene del hecho de que una molécula de ADP adquiere un fosfato más (se fosforila), simultáneamente con una serie de transferencia de electrones u oxidaciones de distintas moléculas. Para entenderlo debemos primero revisar las reglas de este juego que diseñó la naturaleza.
Uno de los principios en los que se basa este fenómeno es que las células poseen membranas que actúan como barreras impermeables que las aislan del medio que las rodea; por otra parte, las células poseen en su interior organelos que a su vez están contenidos por membranas que los aislan del medio que los rodea. De esta forma los ambientes dentro de cada estructura están regulados y pueden llegar a ser completamente diferentes. Esta es la clave del proceso de fosforilación oxidativa que ya mencionamos, o sea la síntesis de ATP; el proceso ocurre dentro de un organelo que se conoce como mitocondria en los seres superiores, y como cloroplasto en las plantas superiores. Ambos tipos de organelos son altamente especializados, y poseen dos clases de membranas, una externa y una interna; la externa es altamente permeable y permite el paso de muchas moléculas que se difunden libremente. La interna es impermeable y es en donde se encuentra la maquinaria para sintetizar el ATP (Figura III.7).
Figura III.7 Esquema de una mitocondria.
La maquinaria que se encarga de sintetizar la molécula de ATP está incluida o sumergida dentro de la membrana interna de la mitocondria y está constituida por proteínas especializadas en las funciones que a continuación describimos. Después de muchos años de investigación, se ha llegado a entender que existen proteínas que, a diferencia de la gran mayoría de las proteínas solubles, pueden llevar a cabo procesos de transporte de especies químicas que no pasarían a través de una membrana de no ser por ellas.
En la mitocondria estas proteínas aceptan y donan electrones, los cuales provienen originalmente de los hidrógenos que proporciona el ciclo de Krebs. Pero lo más importante es que, como ya mencionamos para el cloroplasto, tienen acoplados a su vez procesos de transporte. En otras palabras, cuando una molécula dona su electrón a una de las proteínas de la membrana mitocondrial, el electrón es transportado hacia el oxígeno, pero no en forma directa, sino a través de varios aceptores. En algunos de los pasos, de manera simultánea al transporte de los electrones hacia el oxígeno y aprovechando la energía con que esto sucede, se "bombean" protones, o hidrogeniones (H+) hacia el exterior de la mitocondria.
La esencia del proceso es que las proteínas de la membrana mitocondrial, que se llaman también transportadoras de electrones, se encuentran formando una cadena que termina en el oxígeno, y que al funcionar bombea protones al exterior. Estos protones tienen una gran tendencia a regresar al interior, y representan una forma de energía. Así se genera una fuerza capaz de proveer la energía que requiere el proceso de síntesis de ATP.
Como se mencionó en el capítulo anterior para el caso de la fotosíntesis y el cloroplasto, los protones tienden a regresar por la propia energía que su diferencia de concentración a ambos lados de la membrana les proporciona. En el caso de las bacterias, sucede lo mismo, pero es la membrana externa la que hace las veces de la membrana mitocondrial. La fosforilación oxidativa se lleva a cabo en la membrana interna mitocondrial o en la membrana plasmática de las bacterias; utiliza como sustrato para el proceso al adenosín difosfato, al cual se añade un grupo de fosfato en el extremo de la molécula, gracias a que existe una proteína membranal que se encarga de ello. La energía que proporciona la diferencia de concentración de protones se aprovecha gracias a una enzima que se llama ATP sintetasa o ATP sintasa, para unir al ADP con el fosfato y dar el ATP. Esta proteína está muy ampliamente distribuida en los seres vivos, desde los organismos más primitivos, como las arquebacterias, hasta las células de los organismos superiores, y en todas tiene esta función primordial de sintetizar el ATP.
EL CONTROL DE LA UTILIZACIÓN DE LOS ALIMENTOS
En el caso de la glucólisis es muy claro; si se revisa el esquema, en dos de las reacciones el ADP es un componente de ellas. Puede notarse que si no hay ADP, no es posible que la vía completa funcione. Aunque, desde luego, en condiciones naturales no existe el estado en el cual el ADP se agote, es un hecho que éste se produce con mayor o menor velocidad, dependiendo del trabajo que realicemos, pues durante el trabajo intenso se gasta mucho ATP, que se transforma en ADP y fosfato. Resulta así que la glucólisis en especial es indirectamente sensible al trabajo que hacemos, y si no trabajamos, no responde, o lo hace sólo para mantener nuestras funciones vitales, como el movimiento de los pulmones, nuestro corazón, etcétera.
En el caso de la fosforilación oxidativa, aunque de forma no tan clara, también sucede que, incluso las mitocondrias aisladas, y aun presente cualquiera de los intermediarios del ciclo de Krebs que les proporcione los hidrógenos para alimentar la cadena respiratoria, no utilizan el oxígeno, a menos que tengan ADP y fosfato. Así resulta también que la respiración y la fosforilación oxidativa están controladas como se muestra en la figura III.8. Cuando realizamos trabajo se gasta ATP, que se convierte en ADP y fosfato, y en especial el primero, o sea el ADP, estimula la respiración. Aunque el proceso es más complicado y en él intervienen muchos otros mecanismos, podemos fácilmente percibir que si corremos un poco, o hacemos movimientos bruscos y constantes, o cualquier otro tipo de ejercicio, se acelera nuestra respiración.
Figura III.8 Esquema de la cadena transportadora de electrones y de la fosforilación oxidativa. En la membrana interna mitocondrial se encuentra dispuesto el sistema que transforma la energía metabólica en química (ATP).
El otro elemento importante es que el trabajo celular no sólo acelera la respiración o la glucólisis; también debe aumentar el consumo de las sustancias o intermediarios metabólicos que provienen originalmente de nuestros alimentos. Por el mismo mecanismo, el consumo de alimentos está regulado por la cantidad de trabajo. En otro de los capítulos de este libro hablaremos de esta relación que existe entre el consumo de alimentos y el trabajo que realizamos.