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- Herausgeber: Fondo de Cultura Económica
- Kategorie: Fachliteratur
- Sprache: Spanisch
- Veröffentlichungsjahr: 2013
El metabolismo de una bacteria, una célula o un organismo, comprende toda la enorme serie de transformaciones experimentan continuamente las sustancias que entran a ellos. Este concepto es importante, pues si bien todos tenemos una idea más o menos vaga acerca de Qué es el metabolismo -es frecuente, por ejemplo, oír que alguien tiene un "metabolismo acelerado", o bien, un "metabolismo lento"; sin embargo, pocos saben realmente de qué están hablando al utilizar este término y al calificarlo con tales o cuales características.
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Seitenzahl: 170
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Antonio Peña
Qué es el metabolismo
La Ciencia para Todos / 184
Primera edición, 2001 Segunda reimpresión, 2012 Primera edición electrónica, 2013
La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.
D. R. © 2001, Fondo de Cultura Económica Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14738 México, D. F. Empresa certificada ISO 9001:2008
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ISBN 978-607-16-1409-4
Hecho en México - Made in Mexico
La Ciencia para Todos
La colección La Ciencia desde México, del Fondo de Cultura Económica, llevó, a partir de su nacimiento en 1986, un ritmo siempre ascendente que superó las aspiraciones de las personas e instituciones que la hicieron posible: nunca faltó material, y los científicos mexicanos desarrollaron una notable labor en un campo nuevo para ellos: escribir de modo que los temas más complejos e inaccesibles pudieran ser entendidos por los jóvenes estudiantes y los lectores sin formación científica.
Tras diez años de trabajo fructífero se pensó dar un paso adelante: extender el ámbito de la colección a los creadores de la ciencia que se hace y piensa en lengua española, razón por la cual ha tomado el nombre de La Ciencia para Todos.
Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, cruzando el océano, hasta la Península Ibérica, se encuentra en marcha un ejército compuesto de un vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que desempeñan su labor en todos los campos de la ciencia moderna, una disciplina tan revolucionaria que ha cambiado en corto tiempo nuestra forma de pensar y observar todo lo que nos rodea.
Se trata ahora no sólo de extender el campo de acción de una colección, sino de pensar una ciencia en nuestro idioma que, imaginamos, tendrá siempre en cuenta al hombre, sin deshumanizarse.
Esta nueva colección tiene como fin principal poner el pensamiento científico en manos de los jóvenes que, siguiendo a Rubén Darío, aún hablan en español. A ellos tocará, al llegar su turno, crear una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos.
Comité de Selección
Dr. Antonio Alonso Dr. Javier Álvarez Leefmans Dr. Francisco Bolívar Zapata Dr. Javier Bracho Dra. Rosalinda Contreras Dr. Juan Ramón de la Fuente Dr. Jorge Flores Dr. Leopoldo García-Colín Scherer Dr. Tomás Garza Dr. Adolfo Guzmán Arenas Dr. Gonzalo Halffter Dr. Jaime Martuscelli Dra. Isaura Meza Dr. Héctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. Ruy Pérez Tamayo Dr. Julio Rubio Oca
Introducción
El metabolismo de una bacteria, una célula o un organismo, comprende toda la enorme serie de transformaciones que las sustancias que entran a ellos experimentan continuamente. Este concepto es importante, pues si bien todos tenemos una idea más o menos vaga acerca de qué es el metabolismo. Es frecuente oír que alguien tiene un “metabolismo acelerado”, o bien un “metabolismo lento”; sin embargo, pocos saben realmente de qué están hablando al utilizar este término, y mucho menos al calificarlo con tales o cuales características. Por la importancia que tiene conocer las bases de estas transformaciones, es indispensable hacer un libro dedicado al tema dentro de la colección La Ciencia para Todos.
Ya que hablaremos de moléculas, el capítulo I de este pequeño libro nos lleva a conocer algunos fundamentos o bases simples de la composición de los seres vivos, pues si estamos hechos de miles de moléculas, su química también obedece a las mismas leyes generales de todas las moléculas, tal vez con la peculiaridad de que gran parte de ellas está formada por cadenas de átomos de carbono, que vuelven a los compuestos de este elemento el centro de la atención de los biólogos. Por otra parte, las cadenas de este elemento no son grandes; simplemente forman moléculas pequeñas, o unidades de diferente tipo, que podemos considerar como las que se unen a otras para formar moléculas más grandes, o polímeros. Estas unidades son de estructura más o menos sencilla, en las que el esqueleto de carbono se agrupa con otros elementos, principalmente el oxígeno, el hidrógeno y el nitrógeno en diferentes formas, para generar los azúcares simples, los aminoácidos y los ácidos grasos. Finalmente, la diversidad de compuestos parece llevarnos a un panorama complicado, pero que si lo seguimos paso a paso, no lo es tanto. De hecho, en esta obra aprenderemos un poco las bases fundamentales de una de las ciencias más apasionantes que existen, la bioquímica.
A partir del conocimiento de las estructuras de esas moléculas simples, veremos cómo algunos de sus polímeros son relativamente sencillos y otros más complicados, hasta entender sin dificultad —esperamos— las estructuras más delicadas y complejas que existen: las proteínas.
A partir de lo anterior, seguiremos hacia el análisis de los conceptos básicos acerca de las transformaciones químicas que tienen lugar en los seres vivos, que, por otra parte, no son distintas a las que estamos acostumbrados a ver en otras áreas de la ciencia, y sobre las que nos han instruido desde la secundaria. Las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos no difieren de las que generalmente suceden en la naturaleza, salvo quizá porque todas están catalizadas; es decir, son aceleradas por esas maravillosas moléculas que conocemos con el nombre de enzimas. Aprenderemos qué son éstas, cómo es que en general funcionan, y tendremos quizá también la desilusión de saber que el detalle de su acción se escapa todavía a las más arduas y modernas investigaciones.
Igualmente, deberemos entender que muchas otras reacciones, como el reconocimiento de las células y moléculas, la transmisión de señales de unas células a otras, la entrada y salida de sustancias de las células, tejidos, órganos y sistemas, también se llevan a cabo por moléculas semejantes a las enzimas, sólo que con disposiciones especiales en las células o en sus membranas.
Sin embargo, el tema central de nuestro libro pretende revisar en forma simplificada lo más relevante de las transformaciones que experimentan nuestras moléculas, a veces formando otras más complicadas, a veces fragmentándose, bien para producir otros materiales necesarios para nuestras células; bien uniéndose para elaborar otras moléculas más complejas, con funciones que a veces nos parecerán casi increíbles, como en el caso de las proteínas, que por su tamaño son capaces de realizar funciones tan complicadas, o de los ácidos nucleicos, que son la base de la información que se requiere desde para armar con cuidado y precisión una proteína, hasta para concretar características tan elaboradas como la estructura de los organismos.
Tocaremos la cuestión de las transformaciones de la energía, que acompañan a cada una de las reacciones químicas que ocurren en nuestro organismo y en el de todo ser viviente. Los materiales que obtenemos de diversas fuentes a través de la alimentación, si bien tienen una función importante para proveernos de las sustancias que requerimos para renovar constantemente nuestras moléculas y realizar todas nuestras funciones, tienen también un componente esencial: la energía. Incluso para fines prácticos, la relación más notable que existe y la forma de calcular los requerimientos de un individuo en términos de alimentación se hace con base en sus necesidades energéticas. No sólo ingerimos materiales sino también moléculas en cuyos enlaces está atrapada la energía que requerimos para funcionar. Es por ello que dedicaremos un capítulo a este tema.
Llegaremos así a conocer uno de los temas más simples, pero ignorados por tantos, que es el de la nutrición. Qué comemos, por qué y para qué sirven nuestros alimentos, abordaremos, desde luego, el asunto de cuánto y qué tipo de alimentos deberemos comer.
Esta introducción es, pues, más bien una invitación a conocer el tema del metabolismo, que muchos consideran permitido sólo a los especialistas, pero que reconoce bases sencillas, que sólo basta seguir con más o menos cuidado, para entender, por otra parte, esta apasionante área del conocimiento humano, producto de ya muchos decenios de investigación y de gran número de especialistas de diferentes países y numerosas instituciones.
Empecemos pues…
Índice
I. De qué estamos hechos
LOS ELEMENTOS QUÍMICOS
SI EL METABOLISMO NO ES OTRA COSA que las transformaciones de las moléculas de que estamos compuestos, suena lógico conocerlas primero; es decir, saber de qué estamos hechos. Conviene entonces partir de una idea general sobre los elementos químicos que intervienen en la composición de los seres vivos.
Debemos considerar que entre los elementos que participan en la composición de los seres vivos; unos más abundantes, otros menos, sin embargo, todos son importantes. Los más frecuentes y sin los cuales no existiría la vida —al menos como la conocemos— son el carbono (C), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S). Estos elementos forman parte, de manera más abundante —y como veremos más adelante—, de las principales moléculas que constituyen los seres vivos. Luego hay otros que suelen encontrarse en proporciones relativamente bajas, pero constantemente son parte de los organismos, como el potasio (K), el sodio (Na), el cloro (Cl), el magnesio (Mg) o el calcio (Ca). La mayoría de ellos se hallan en forma de sales inorgánicas; los llamados minerales, que desempeñan un papel central en nuestra vida. Los casos, por ejemplo, del calcio y el fósforo son interesantes, pues adquieren lo que podríamos llamar un doble papel; por una parte como componentes de algunas sales, pero además, llegan a grandes proporciones en la composición de los vertebrados, pues los huesos de nuestro esqueleto están formados principalmente por sales insolubles de estos dos elementos. El calcio, además, tiene enorme importancia en la regulación de muchas funciones de los organismos animales.
Tenemos finalmente los elementos que participan en muy pequeñas cantidades, pero que no por ello son menos importantes. Veamos el caso, por ejemplo, del yodo (I), cuya carencia en la dieta, hasta hace algunos decenios, produjo daños a extensas poblaciones del planeta, causándoles la enfermedad llamada bocio. Esta plaga de la humanidad se resolvió de una manera muy simple: se le agregó, en cantidades muy pequeñas pero suficientes, a la sal de mesa, uno de los componentes de la dieta que todos ingerimos diariamente. A partir de esa medida, la enfermedad por carencia de yodo dejó prácticamente de existir. De la misma forma se han combatido otras carencias de los elementos que no existen en diferentes lugares, pero que son esenciales, ya sea para los humanos o para otros animales, como el cobalto, el cinc, el selenio y otros.
CÓMO SE UNEN ENTRE SÍ LOS ÁTOMOS. VALENCIA
Casi todos los átomos tienen la tendencia a unirse entre sí para formar moléculas, y que obedecen a reglas sencillas. La valencia, o capacidad de combinación de los átomos, resulta de la necesidad que tienen éstos de “completar” sus órbitas externas, al perder o ganar uno o más de los electrones que se encuentran en los diferentes niveles, dependiendo de lo que les resulte más sencillo. Es fundamental dejar claro esto: en las reacciones químicas no se modifican los núcleos de los átomos participantes; sólo intervienen los electrones. El más sencillo de todos, el átomo de hidrógeno, por ejemplo, tiene espacio en su órbita más externa (y única) para aceptar dos electrones (figura I.1); con frecuencia se une a otros átomos “perdiendo” el único electrón que posee, conservando sólo el protón que tiene en el núcleo. Aunque los protones no suelen existir en forma libre, pues se asocian con otras moléculas como las del agua, en principio ésta es la situación cuando reacciona, por ejemplo, el hidrógeno con el cloro. Pero también puede completar sus electrones aceptando un electrón de otro átomo, inclusive del mismo hidrógeno, como existe en la molécula de H2. A un átomo de oxígeno, que tiene seis electrones en su órbita más externa, le resulta más sencillo completarla con dos más, por lo que suele unirse a otros, tratando de completar esa “órbita” o nivel externo. Ya que no todos los átomos tienen la misma afinidad por los electrones, de estas uniones, entre otras cosas, resultan distribuciones uniformes o desiguales de éstos, que se traducen en la formación de sustancias que pueden tener o no cargas eléctricas, o cuando menos “polos” eléctricos que dan lugar a atracciones o repulsiones entre ellas, siguiendo la simple ley de los signos: cargas opuestas se atraen y cargas del mismo signo se repelen. En las moléculas grandes o en algunos grupos de ellas, estas atracciones y repulsiones pueden ser de extraordinaria importancia, pues con frecuencia son la razón y origen de estructuras complejas y delicadas; entre estos casos se encuentran las proteínas y las membranas biológicas.
Figura I.1. El átomo de hidrógeno, H H que sólo tiene un protón en su núcleo y un electrón que se mueve a su alrededor, puede unirse con otro átomo igual, para formar la molécula de hidrógeno (H2), en la cual ambos núcleos “comparten” los dos electrones, que luego se mueven alrededor de los dos núcleos.
ENLACES IÓNICOS
Uno de los casos de unión entre los átomos es el de elementos que se encuentran muy separados entre sí en la tabla periódica de los elementos, como puede ser el caso del sodio (Na) y el cloro (Cl), que están en lados opuestos de la tabla. Como se muestra en la figura I.2, al Cl sólo le falta un electrón en su órbita más externa para completarla con ocho, como número máximo permitido. El caso del Na es el opuesto; este átomo sólo tiene un electrón en su última órbita, y la manera más simple de convertirse en un átomo con una órbita externa “completa” consiste en deshacerse de ese solo electrón, dejando al descubierto la más interna, que está completa.
Figura I.2. La unión de un átomo de cloro (Cl) con uno de sodio (Na). El átomo de sodio cede el electrón de su órbita más externa al cloro; así, el cloro se convierte en cloruro (Cl–), con una carga negativa y el de sodio en el ion de sodio (Na+), con una carga positiva.
Es tal la tendencia de estos dos elementos a completar así sus órbitas más externas, que la reacción entre ellos es extremadamente violenta, como si ocurriera una explosión. Como se muestra en esta figura, al final de esa reacción resulta lo que se conoce como dos iones, es decir, los dos mismos átomos, pero con una carga neta cada uno, que resulta de la pérdida o ganancia de un electrón, según el caso. El ion de sodio (Na+) es el mismo átomo, pero ha perdido el único electrón que tenía en su última órbita, y el ion cloruro (Cl–) es también el mismo átomo de cloro, pero ahora contiene un electrón adicional en su última órbita, que obtuvo de la reacción con el sodio. Incluso cambia la forma de representarlos, y el número y signo de sus cargas se representa al lado derecho y arriba del símbolo del elemento original; además, al Na+ se le llama el ion de sodio o simplemente ion sodio, y al Cl–, cloruro o ion de cloro. El enlace que ahora mantiene unidos a estos dos átomos es el llamado enlace iónico, y no es otra cosa que la atracción resultante de la diferencia de signos en la carga de ambos. Aunque el Na+ y el Cl– se encuentran firmemente unidos en los cristales del cloruro de sodio (NaCl, o sal de mesa común), no lo están cuando se disuelven en el agua, porque hay una movilidad e intercambio constante entre los iones de signos contrarios que se rodean cada uno de varias capas de moléculas de agua, pero conservan su carga y se atraen.
ENLACES COVALENTES
Hay casos en que átomos iguales se unen entre sí. Por ejemplo, dos átomos de hidrógeno que se unen para formar una molécula de hidrógeno (H2) (figura I.1). Dado que la atracción que ambos núcleos ejercen sobre los electrones es la misma, el resultado es que ambos átomos “comparten” sus electrones equitativamente y se mueven ambos formando una especie de nube alrededor de los dos núcleos.
En otros casos, por ejemplo, como en los enlaces del carbono con el hidrógeno, cada enlace se forma por la participación de dos electrones, proporcionados por cada uno de los átomos que intervienen en la unión, y la situación es semejante, también aquí los átomos “comparten” los electrones, y éstos se mueven uniformemente en la vecindad de ambos (figura I.3). Este tipo de enlace es llamado covalente; se trata de un enlace resistente, y en él no hay gran diferencia en la distribución de los electrones, ni separación de los átomos, que se mantienen unidos constantemente.
Figura I.3. La estructura del metano (CH4). En cada uno de los enlaces (cuatro de ellos), los electrones son compartidos entre el átomo de carbono y los de cada hidrógeno, de modo que no hay tendencia a que experimenten mayor atracción hacia ninguno de ellos.
Hay casos intermedios en los que es difícil hablar de un enlace covalente puro, o de un enlace iónico, que se presentan cuando se unen elementos que tienen diferente capacidad para atraer los electrones (electronegatividad), pero no al grado de que uno tome los electrones del otro ni viceversa. Esto es lo que sucede con la molécula del agua, constituida, como todos sabemos, por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno (H2O). En la molécula del agua, cada enlace es también covalente; en cada unión del oxígeno con el hidrógeno se comparten dos electrones, provenientes de los átomos participantes, uno del oxígeno y otro del hidrógeno. Sin embargo, como se muestra en la figura I.4, los electrones no se comparten por igual; el oxígeno, que tiene mayor afinidad por ellos, los atrae con mayor intensidad, y en el movimiento constante que tienen cerca de ambos átomos, los disfruta por mayor tiempo que el hidrógeno. Esto da como resultado que se constituya en el oxígeno una especie de carga negativa, aunque incompleta, y que al mismo tiempo se genere una deficiencia de carga en las zonas del hidrógeno, volviéndolo ligeramente positivo.
Figura I.4. La molécula del agua. Los electrones que se comparten, lo hacen de manera desigual, de modo que el oxígeno es más electronegativo que los hidrógenos, y la molécula tiene polos eléctricos que hacen que unas moléculas atraigan a otras, dándole propiedades especiales.
